合理借助數字化實驗幫助學生理解離子反應實質

摘" 要" 數字化實驗可以借助傳感器實時測量化學反應過程中數據的變化，將不可見的“離子反應概念”變為可見的數據變化。旨在提供一種數字化實驗方法，助力離子反應概念的學習，幫助學生完成對離子反應實質知識的理解和遷移。

關鍵詞" 高中化學；離子反應；數字化實驗

中圖分類號：G633.8" " 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）03-0119-04

0" 引言

化學是一門以實驗為基礎的學科，而化學實驗是體現學生能動性的主要實踐活動[1]。化學的學科特點決定了實驗是化學課程中必不可少的一部分。《普通髙中化學課程標準》（簡稱《課程標準》）指出：“通過以化學實驗為主的多種探究活動，使學生體驗科學研究的過程，激發學習化學的興趣，強化科學探究意識，促進學習方式的轉變，在實踐中培養學生的創新精神和實踐能力。”同樣強調了開展化學實驗教學的重要性[2]。因此，在化學概念的學習中，借助實驗手段，輔助學生理解知識、培養綜合實踐能力，是化學教師應關注的重點。

離子反應作為高中必修的開篇內容，為中學階段化學的學習打下基礎，占有極其重要的地位。溶液體系是化學反應的重要場所，也是高中化學重要的研究對象。在高中階段，學生將逐步建立分析溶液體系的思路方法：分析溶液體系中的物質（溶質、溶劑）—分析體系中的微粒—推測微粒間的相互作用—基于現象證據分析相互作用的結果—形成對溶液體系變化過程的合理解釋。電解質這節課是溶液認識的開端課，學生從宏觀認識溶液中的溶質、溶劑，發展到基于電離認識溶液中的微粒，再到基于離子反應理解微粒間的相互作用。在選擇性必修階段，學生還要發展根據電離的強弱程度，判斷體系中的微粒種類和數量；根據化學平衡原理，理解溶液中微粒間多種相互作用的競爭關系。

相較于初中化學知識的學習，高中化學涵蓋的知識內容既多又繁，這種情況會使學生在學習中產生畏難情緒。尤其剛踏入高中的學生很難形成“離子觀”，不能真正理解物質在溶液中以離子的形式存在這一知識。如果在高一階段無法掌握離子反應的基礎，高二階段的學習則更難理解。化學教師可以利用多樣化的教學手段展示教學內容，幫助學生更好地理解和掌握所學習的知識，使其更快地進入有效學習狀態[3]。

數字化實驗作為實驗教學中的一部分，可以借助傳感器實時測量化學反應過程中數據（如氣體壓強，溫度等）的變化，并通過軟件展示數據[4]，將不可見的“概念知識”變為可見的測量數據，這更有助于化學概念的理解和遷移。本文從實驗教學角度出發，旨在提供一種數字化實驗方法，助力離子反應概念的學習，幫助學生完成對離子反應實質知識的理解和遷移。

1" 高中化學中離子反應的內容及其教學價值

高中階段對于離子反應的學習內容主要涉及兩個方面：強弱電解質和離子反應。對應《課程標準》中的具體要求為：“學生要知道酸、堿、鹽在水溶液中能發生電離，能通過實驗事實認識離子反應及其發生的條件，了解常見離子的檢驗方法。”此外，不同版本的教材對于離子反應也有獨特的安排，

如：人教版[5]中將離子反應的教學內容安排在第一章第二節，將離子反應作為獨立的章節進行設計；魯科版[6]中將離子反應的教學內容安排在第二章第二節；蘇教版[7]中將離子反應的教學內容安排在第三章第二單元。

這三個版本的教材在課程設計中均將離子反應章節安排在“物質的分類”學習內容之后，“元素及其化合物”學習內容之前。這樣可幫助學生理解元素化合物發生反應的實質，同時深化對離子反應的認識。

離子反應是高中化學的重要知識點，貫穿整個高中階段，這一知識點在高中化學的教學過程中起到承上啟下的作用。本章的學習需要完成以下學生對于離子反應的學習，是為從微觀理解反應原理、培養抽象思維能力打基礎。

2" 本部分內容對《課程標準》有關要求的

體現

2.1" 所對應的《課程標準》的有關主題

本節內容直接對應《課程標準》“課程內容”中“必修課程”的主題2：常見的無機物及其應用中的“2.3 電離與離子反應”：認識酸、堿、鹽等電解質在水溶液中或熔融狀態下能發生電離。通過實驗事實認識離子反應及其發生的條件，了解常見離子的檢驗方法。

2.2" 所對應的化學學科核心素養發展目標

在“宏觀辨識與微觀探析”方面，從電離角度認識酸、堿、鹽在水溶液中的狀態，依據宏觀現象判斷溶液中離子的存在和變化，基于離子和離子反應認識酸、堿、鹽的化學性質及其在水溶液中的反應。

“變化觀念”方面，發展對化學反應實質的認識，知道酸、堿、鹽在水溶液中的反應是離子反應。

在“證據推理與模型認知”方面，從物質及其變化的事實中提取證據建構電解質的電離、離子反應等核心概念，初步建立基于物質類別和反應類型角度認識物質性質的思維模型。

2.3" 具體能力目標

能運用電離的觀點認識酸、堿、鹽，用電離方程式表示某些酸、堿、鹽的電離；能依據離子反應發生的條件判斷反應能否發生，并用離子方程式表示有關反應。

3" 離子反應的重難點及解決辦法

“離子反應”是高一階段必修的重難點知識，其教學中存在的重點和難點分析如下。

3.1" 教學重難點

3.1.1" 教學重點

掌握離子反應概念及其發生的條件（離子反應向著某些離子濃度減小的方向進行），正確書寫離子方程式。

3.1.2" 教學難點

理解電解質在水溶液中反應的實質是微粒間的相互作用，體會含有相同微粒的物質會發生相同的離子反應；能夠依據電解質在水溶液中的電離結果和微粒間的相互作用推測離子反應的發生，準確書寫常見酸、堿、鹽之間反應的離子方程式；能夠運用離子反應完成物質中常見離子的檢驗、雜質離子的祛除等任務。

學生在初中階段學習的離子、溶液的性質、復分解反應、化學方程式與高中學習的電解質、非電解質、電離、電離方程式內容，存在知識的遷移和升華，容易出現概念混淆，如：電解質、非電解質的概念不明確；化學方程式與離子方程式中物質的表示方法、符號、數量不明等問題。這會導致學生錯誤判斷化學反應前后物質的存在形式，難以理解反應過程中離子作用和參與反應的條件。

3.2" 解決辦法

3.2.1" 強弱電解質的電離的微觀認知

對于該重難點，可以通過溶液的導電性實驗，將強弱電解質與小燈泡的明暗程度建立聯系，引導學生在宏觀上對強弱電解質進行辨識。此外，還可以通過離子模擬動畫、數字化實驗等手段，進一步加深學生對于電解質、電離、離子等概念的理解。

3.2.2" 離子反應及其本質

對于該重難點，可以借助圖示和實驗雙重方法，采用由淺入深、層層遞進的方式進行教學設計。首先，借助圖示將電解質在水溶液中的微觀行為可視化，讓學生初步感受微觀粒子在水溶液中的相互作用及結果。其次，利用實驗現象引出離子反應實質，幫助學生理解離子反應中離子濃度的變化。

4" 設計數字化實驗輔助學生對離子反應重

難點的學習

離子反應是對酸、堿、鹽等物質在水溶液中相互反應的原因以及內在規律的研究。這一節共分成兩部分：第一部分為電解質的電離；第二部分為離子反應及其發生條件。教材中均設計2～3個實驗，學生可以通過具體的實驗來分析和學習不同物質所存在的狀態和性質。

依據對離子反應概念、教材信息、學生學情以及教學效果的認識，為了更好地實現教學目的，達到最佳的教學效果，本文設計并提供了教師演示和學生學習的數字化實驗。

4.1" 強弱電解質的電離的微觀認知

關于“強弱電解質的電離”內容的學習，三種版本的教材提供的實驗方案相似，均通過小燈泡的明暗程度間接觀察溶液的導電能力，以此定性區分電解質和非電解質。但是實驗演示過程中會出現燈泡明暗程度一致的情況，無法準確區分的情況。

4.1.1" 關于電解質和非電解質數字化實驗設計：測量電解質和非電解質溶液的電導率

1）實驗器材及試劑：朗威?數據采集器（LW-D801）、電導率傳感器（LW-C802）、計算機、支架、磁力攪拌器、洗瓶、蒸餾水、1% 蔗糖溶液、1% NaCl溶液和1% CH3COOH溶液。

2）實驗裝置及過程：使用電導率傳感器依次測量1%蔗糖溶液、1%NaCl溶液和1%CH3COOH溶液的電導率，并通過軟件記錄數據，如圖1所示。

3）實驗結果：電解質和非電解質的區別在于其在熔融狀態或水溶液中能否導電，電導率傳感器可以測量溶液的導電率，因此通過數據可知，在相同濃度下幾種溶液電導率的比較：蔗糖＜醋酸＜氯化鈉，蔗糖為非電解質，醋酸和氯化鈉是電解質，其中，醋酸為弱電解質，氯化鈉是強電解質。

4.1.2" 關于電解質和非電解質數字化實驗設計：熔融硝酸鉀導電

1）實驗器材及試劑：朗威?數據采集器（LW-D801）、電流傳感器（LW-E801）、高溫傳感器（LW-T802）、多功能學生電源（LW-Q808）、計算機、坩堝、酒精燈、石墨電極、硝酸鉀（固體）、支架、導線、鐵架臺。

2）實驗裝置及過程：根據實驗裝置圖（圖2）進行搭建，在通用軟件的組合圖線中添加電流隨時間變化的曲線，建立溫度隨時間變化的表格。打開電源后，點燃酒精燈，對坩堝底部加熱。隨著溫度的升高，硝酸鉀粉末逐漸呈熔融狀，電流曲線逐步上升。待坩堝內的硝酸鉀全部熔融后，熄滅酒精燈，隨著硝酸鉀的凝固，電流曲線逐步下降（見圖3）。

3）實驗結果：通過電流—時間曲線可以發現，初始時電流為0 A，此時固體硝酸鉀沒有導電性；隨著酒精燈加熱，硝酸鉀達到熔融狀態，電路中的電流突然增大，說明熔融硝酸鉀導電。產生本現象的原因是硝酸鉀為離子晶體，加熱至熔融狀態，破壞離子鍵，產生自由移動的離子，因此可以導電。

4.2" 離子反應及其本質

關于“離子反應及其本質”內容的學習，三種版本的教材提供三個實驗方案具體如下。

人教版教材提供的實驗方法是向盛有2 ml Na2SO4稀溶液中加入2 ml BaCl2稀溶液，觀察實驗現象并分析，得出離子反應實質的定義。

魯科版教材提供的實驗方法是向0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中滴加0.2 mol/L H2SO4溶液，觀察溶液中的現象和電導率的變化。

蘇教版教材提供的實驗方法是讓碳酸鈉溶液分別與澄清石灰水、氯化鈣溶液反應，觀察溶液中的現象。

4.2.1" 關于離子反應及其實質的數字化實驗設計：稀硫酸與Ba（OH）2反應的實質

1）實驗器材及試劑：朗威?數據采集器（LW-D801）、電導率傳感器（LW-C802）、計算機、磁力攪拌器、燒杯、滴定管、0.01 mol/L Ba（OH）2溶液、0.2 mol/L H2SO4溶液、酚酞試劑。

2）實驗裝置及過程：使用電導率傳感器測量并記錄0.01 mol/L Ba（OH）2與0.2 mol/L稀硫酸溶液反應過程中電導率的變化，重點探究離子反應發生的本質。實驗前，向燒杯內的Ba（OH）2溶液中滴加幾滴酚酞試劑，此時燒杯內溶液顏色為紅色。向滴定管內加入適量稀硫酸溶液，并打開滴定管的雙通閥。使稀硫酸溶液逐滴滴入燒杯內且與氫氧化鋇溶液發生反應，燒杯內溶液顏色逐漸變淺，直至無色，溶液中有白色渾濁物產生，通過軟件可以描繪出電導率隨反應時間變化的曲線（圖4）。

3）實驗結果：由實驗圖像可知，隨著稀硫酸加入Ba（OH）2溶液中，混合溶液的電導率逐漸降低，當溶液顏色變為無色后，溶液的電導率又會升高。電導率降低的原因是SO42-和Ba2+生成BaSO4沉淀，同時H+與OH-生成H2O，使得溶液中的離子減少，當電導率達到最低點時，恰好完全反應。隨后再滴加稀硫酸，使溶液中的離子逐漸增多，電導率隨之增大。

郝升華[8]、黃毓展等[9]、杜愛萍[10]等教師均利用電導率傳感器探究溶液中離子變化實驗。這種現象、數據與曲線的結合，可使學生在觀察實驗現象的同時加深對化學反應過程的理解和掌握。

5" 結束語

本文借助電導率傳感器研究離子反應相關概念，提供一種數字化實驗教學方法，學生能根據實驗現象和曲線變化分析原因、理解和概括出離子反應的實質。這樣的方法還可以應用到其他實驗教學過程中，如酸堿中和反應過程中離子變化。實驗現象非常重要，但是定量分析和思考現象背后的原因更加重要。所以教師需要更加關注實驗教學環節，通過多種表征方法反映實驗過程中的變化，幫助學生更加深刻和準確地理解相應的知識[11]。

6" 參考文獻

[1] 黃可龍.無機化學[M].北京：科學出版社，2007：1-2.

[2] 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].人民教育出版社，2018．

[3] 郝秋菊.高一學生學習“離子反應”存在的問題及對策[J].中學生數理化（教與學），2017（7）：77.

[4] 李鼎，艾倫.高中數字化實驗實施影響因素研究[J].課程·教材 ·教法，2020，40（11）：116-122.

[5] 王晶，鄭長龍.普通高中教科書化學必修第一冊[M].北京：人民教育出版社，2019：16.

[6] 王磊.普通高中教科書化學必修第一冊[M].濟南：山東科學技術出版社，2019：55.

[7] 王祖浩.普通高中教科書化學必修第一冊[M].南京：江蘇鳳凰教育出版社，2019：19.

[8] 郝升華.基于數字化實驗與傳統實驗相結合的化學概念教學：以“離子反應及其發生條件”為例[J].安徽教育科研，2021（20）：71-72，3.

[9] 黃毓展，蔡立媚，錢揚義.基于數字化實驗，落實“證據推理與模型認知”學科核心素養：以拓展探究復分解型離子反應發生條件的教學應用為例[J].化學教育（中英文），2021，42（15）：51-57.

[10] 杜愛萍.離子移動可視化電解裝置的實驗創新：以“電"解硫酸鈉溶液”為例[J].中學化學教學參考，2021（11）："44-46.

[11] 季剛.合理運用對比實驗幫助學生理解“離子反應”"[J].現代交際，2013（6）：159-160.