數字化實驗促進高階思維發展的實踐研究

摘要：化學教師發揮數字化實驗獨特優勢能有效提升學生的高階思維能力，促進學生思維方式轉變，實現思維進階，即從基礎的描述性及記憶性向高階的邏輯性、策略性、遞進性、實踐性和創新性等轉變。教師利用數字技術，以碳酸鈉和碳酸氫鈉為載體，創新大單元設計，分課時遞進式開展系列化的實驗活動，實施教學評一體化，證實了科學開展數字化實驗對培養學生高階思維能力有促進作用。

關鍵詞：數字化實驗；高階思維；單元設計；教學評一體化

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調：重視開展“素養為本”的教學，倡導創設真實情境，開展以化學實驗為主的多種探究活動，促進學生學習方式的轉變，加強探究活動中的科學思維進階。教師采用有利于促進學生高階思維發展的模式和策略教學，可以更好地培養學生的思維能力。學生學習化學，從簡單的知識記憶和理解逐步過渡到運用所學原理解決復雜問題、深度探究和創新思考，是認知進階發展的過程。學生思維層次從基礎的描述性、記憶性向邏輯性、策略性、遞進性、實踐性和創新性轉變[1]。這種轉變使得學生不僅能夠熟練掌握和應用化學基礎知識，而且能結合真實情境靈活應對復雜的化學問題，具備獨立研究與解決問題的能力。在開展數字化實驗過程中，教師可以引導學生進行實驗設計和操作，運用邏輯思維、創新思維和批判性思維來解決實際問題，增強他們的實踐能力和創新意識，促進學生高階思維發展[2]。如何有效開展數字化實驗，在教學中促進學生高階思維發展，值得教師深入思考與研究。

一、科學開展數字化實驗可促進學生高階思維發展

數字化實驗是時代進步的產物，教師用其教學可將不易觀察的實驗現象以圖像和數字等形式顯示出來，能夠清晰地觀察微觀的“量”的變化帶來的宏觀實驗現象的變化，更加直觀地揭示化學反應原理。教師對傳統實驗進行數字化改進，讓學生獲得更好的體驗，理解和應用化學知識。

筆者以碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質比較為例，將傳統實驗進行數字化改進，以激發學生“思維”為核心，探索采用“思維建模、創設情境、問題引導、循序漸進、信息剖析”等指向高階思維發展的教學策略[3]，實現從簡單到復雜、從理論思考到實踐應用、從部分到整體、從要素提取到邏輯分析的思維進階，切實提高課堂教學實效，提高學生的思維能力和科學素養。

二、基于數字化實驗的碳酸鈉和碳酸氫鈉大單元設計

碳酸鈉和碳酸氫鈉是中學無機化學兩種重要的化合物。在人教版化學教材中，相關內容逐步深入。從義務階段到高中必修，再到高中選擇性必修跨年級呈現。教材九年級下冊介紹“鹽”，高中必修上冊介紹“物質的分類與轉化”“離子反應”“鈉的重要化合物”，高中選擇性必修1介紹“鹽類的水解”。教材內容的編排既遵循知識的邏輯順序，又遵循學生認知規律，由淺入深，從生活情境出發，逐步對二者用途及其性質進行剖析。首先從物質類別、復分解反應原理角度，宏觀視角認識二者鹽類及其反應特征；然后提升到從電解質的電離與鹽的水解角度，微觀視角認識二者參與離子反應的本質。

筆者面向高中學生，以碳酸鈉和碳酸氫鈉為載體，借助數字化儀器，以教學評一體化的理念組織大單元教學，有利于教學內容的結構化，有助于學生在跨越年級的學習中將新知學習和高三復習內容自主銜接起來，促進學生認知水平的進階和高階思維的發展。大單元設計必備核心知識包含碳酸鈉和碳酸氫鈉固體溶解熱、固體受熱分解、鹽溶液的pH及水解原理分析、與酸反應快慢及反應機理的探究。大單元教學評涉及4個性質、6個探究活動。筆者借助8個數字化實驗，讓學生親身體驗數智饕餮盛宴，促進高階思維發展?；跀底只瘜嶒灥奶妓徕c和碳酸氫鈉的大單元教學設計框架如圖1所示。

三、碳酸鈉和碳酸氫鈉大單元教學評一體化促進學生高階思維發展

筆者按照大單元設計框架，分三個課時開展主題活動，逐步進階。

（一）碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質數字化實驗探究

1.思維建模，整體構建，促進主題引領下的系統性高階思維發展

在教學過程中，教師促進學生思維的進階不僅僅要傳授知識，更要教給學生學習方法和認知策略?？茖W思維強調的是邏輯性、實證性和創新性。學生在對實驗進行設計、實施和分析過程中，以系統化、邏輯化的思維方式，對核心物質性質展開預測、假設、分析、驗證和創新等活動[4]?？茖W思維是建立系統性思維的重要途徑，具體過程如圖2所示。

2.問題引導，啟發教學，促進發現問題、提出假設的邏輯性高階思維發展

學生在研究和思考的過程中，思維會發生碰撞，產生認知沖突。他們以現有的認知水平和思維方式及解決問題的能力很難在短時間內厘清思路、解決問題。筆者遵循學生的認知規律，針對學生的認知沖突，將認知沖突和具體問題緊密結合，確定情境問題和具體主題，通過設計活動使學生產生具有邏輯相關“問題鏈”“思維鏈”[5]。這個鏈條是深化學生思維，引導學生開展拓展探究的最佳載體[6]。例如，筆者組織學生參與蒸饅頭的活動，引導他們探究膨松劑的應用價值，預測碳酸鈉、碳酸氫鈉的化學性質。學生在蒸饅頭的活動中不僅體驗到快樂，而且產生一系列思考。這為教師提供了很好的教學素材，也提高了學生學習起點。

3.設計實驗，確定方案，促進分析問題、解決問題的策略性高階思維發展

學生在預測性質、實驗方案設計、分組交流、確定方案的探究過程中深刻認識到單一物質的性質不同于兩種物質性質對比，需要利用控制變量法進行分析，而靈活運用知識解決問題的本質在于區分兩種物質相似性和區別。筆者以此激發學生深度思考，建立研究物質的一般思維模型，發展證據推理與模型認知素養。

學生經過討論預測如下：（1）碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液呈堿性（比較堿性強弱）；（2）碳酸鈉比碳酸氫鈉熱穩定性強；（3）碳酸鈉與酸反應不如碳酸氫鈉快。

筆者考慮到學生學習必修課程階段其探究實驗能力尚處于較低水平，提供了傳統的實驗裝置，并控制實驗的開放度，讓學生依據反應原理，自主選擇反應物及適合的實驗裝置，設計實驗方案，并親自實驗、觀察現象、對比分析進而得出結論。然而，實際上學生無法定量感知碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液堿性強弱，選擇的裝置較為復雜，操作失誤未能得出正確一致的結果。于是，在教師的引導下，學生嘗試利用數字化儀器改進傳統實驗。

4.借助數字化裝置，改進實驗，促進深度解決問題的創新性高階思維發展

學生在了解數字化實驗儀器各傳感器的性能及其數據外顯基本原理后，轉換思路，對實驗方案進行再設計，嘗試親身實踐，分析實驗數據，感受數字化實驗的獨特魅力，實現學生深度解決問題的創新思維進階。筆者提供給學生數字化實驗儀器包括智能數字實驗盤、pH傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器和壓強傳感器等（如圖3a）。

活動一：探究碳酸鈉和碳酸氫鈉溶于水的熱效應。

為提高實驗的安全性和溫度測量的靈敏性，師生將溫度計改為溫度傳感器。學生向分別盛有1 g碳酸鈉和碳酸氫鈉的兩個燒杯中各加入1 mL水，用玻璃棒攪拌，將溫度傳感器分別插入其中，觀察溫度示數變化。觀察溫度－時間圖（如圖4）可知：溶質從開始溶解到完全溶解的動態全過程可視，碳酸鈉溶于水后溫度升高，說明其過程是放熱過程；碳酸氫鈉溶于水溫度降低，說明其過程是吸熱過程。

活動二：比較碳酸鈉和碳酸氫鈉兩種物質的熱穩定性。

數字化實驗意圖：傳統實驗雖能對比兩種物質熱穩定性，但裝置較為復雜，裝置氣密性難以保證。學生改用二氧化碳傳感器和高溫傳感器開展數字化實驗，并配合利用較為簡單的裝置（如圖5），可測定二氧化碳百分含量隨溫度升高的變化量和分解時的溫度數值。

實驗步驟：向硬質玻璃管中裝入3 g碳酸氫鈉或3 g碳酸鈉，打開數字實驗盤，將高溫傳感器探頭插入大試管底部，將二氧化碳傳感器置于試管口，點燃酒精燈，觀察二氧化碳百分含量隨溫度升高變化情況。

實驗數據與結果分析如下。學生分析溫度-二氧化碳含量（0.0001%）數據得知：未加熱前，兩種物質（固體狀態）周圍環境中二氧化碳含量相差不大，分別為0.058%、0.0544%；當加熱到80 ℃左右，碳酸氫鈉周圍環境中二氧化碳含量開始升高，83.2 ℃時，達到0.152%；碳酸鈉周圍環境中二氧化碳含量幾乎不變。隨著溫度升高，當加熱到118 ℃時，碳酸氫鈉周圍環境中二氧化碳含量達5.6904%；而當加熱到174.2 ℃時，碳酸鈉周圍環境中二氧化碳含量變化不大，數值為0.0556%。由此得出結論：隨著溫度升高，碳酸氫鈉受熱易分解產生二氧化碳；相同條件下碳酸鈉熱的穩定性比碳酸氫鈉的高。

活動三：使碳酸鈉和碳酸氫鈉與酸反應并比較反應快慢。

數字化實驗意圖：氣球趣味性實驗雖能用氣球的膨脹情況比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與酸反應速率大小，但是在課堂教學中，學生可能因操作失誤、藥品部分黏附在氣球或試管內壁上而導致不具有可比性，或反應過快造成氣球膨脹迅速導致漏氣等。對于各組實驗得出的“實驗異?，F象”，教師要善于抓住契機加以引導，不能簡單地將現象歸結于操作不當，把結論“硬生生”地引到“正確軌道”上來。筆者引導學生借助壓強傳感器開展數字化實驗進行定量測定，幫助實驗失敗的小組分析原因。

實驗步驟：按圖6a所示實驗裝置進行安裝。為保證液體順利流下，采用恒壓分液漏斗，將吸濾瓶側管與壓強傳感器相連，檢查裝置氣密性；將3 mL、0.05 mol/L的鹽酸分別裝入兩個恒壓分液漏斗中，向兩支相同的吸濾瓶中分別加入10 mL、0.01 mol/L的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液，觀察壓強隨時間變化的曲線，同時旋轉恒壓漏斗旋塞，在鹽酸完全流出后立即關閉旋塞。

實驗數據與結果分析：觀察壓強-時間圖（如圖6b）可知，隨著鹽酸的加入，碳酸氫鈉比碳酸鈉在單位時間內產生的氣體更多，即前者反應速率大；最終碳酸氫鈉與鹽酸反應產生氣體比碳酸鈉與鹽酸反應產生氣體的量多。

（二）碳酸鈉和碳酸氫鈉在水溶液中水解原理數字化實驗探究

1.應用原理，分析數據，促進實證與理論結合的推理性高階思維發展

實驗步驟：借助pH傳感器測定常溫下0.01 mol/L碳酸氫鈉溶液、0.01 mol/L碳酸鈉溶液、0.1 mol/L 碳酸鈉溶液的pH，引導學生近似計算兩物質的水解平衡常數，進而歸納出影響水解的因素（如鹽的類型、濃度）。

（3）實驗結果：①0.01 mol/L 碳酸氫鈉溶液pH為8.72；②0.01 mol/L 碳酸鈉溶液pH為10.73；③0.1 mol/L 碳酸鈉溶液pH為11.45。

筆者引導學生先測量溶液①、②的pH，計算兩者的水解平衡常數。學生得出碳酸鈉水解程度遠大于碳酸氫鈉的結論，即Kh1>>Kh2。教師再利用水的離子積和水解平衡常數進一步推出碳酸的兩步電離平衡常數Ka1>>Ka2。學生由此得出結論：生成鹽的酸越弱，其鹽中弱酸根離子水解程度越大。學生計算得知：碳酸氫根離子的水解平衡常數（Kh2）大于碳酸的第二步電離平衡常數（Ka2），即HCO3-的水解能力強于其電離能力。學生比較溶液②、③的pH，分析得出稀釋溶液促進鹽類水解的結論。

實驗效果評價：該實驗使用pH傳感器定量測定溶液的pH，相較于傳統實驗中使用酚酞溶液或pH試紙觀察現象，數字化實驗可以定量地測定兩種溶液的pH，精確地反映微小的pH變化。這不僅可以增強實驗的精確性和科學性，而且有利于學生利用已有知識深度剖析溶液中的離子和水解程度，助力學生提高實驗技能和科學素養。

（三）碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應機理系列數字化實驗探究

1.創設情境，聯系生活，促進理論應用的實踐性高階思維發展

學生思維進階關鍵在于將學科理論知識應用于實際問題的解決過程中。在教學中，教師可以聯系生活實際創設情境，引導學生深度探究。筆者創設如下情境：播放“神舟”十三號載人飛船上的宇航員在中國空間站“天宮課堂”演示泡騰片與水球融合的過程，引發學生思考“泡騰片為何遇水會產生氣泡”，并提供有關泡騰片成分的資料，為他們學習碳酸鈉、碳酸氫鈉與酸反應埋下伏筆。

2.由淺入深，循序漸進，促進深度加工知識的遞進性高階思維發展

高效學習離不開積極思考和主動探索。教師在教學過程中不僅要幫助學生理解知識，而且要引導學生思考其背后的原因、邏輯。學生在比較碳酸鈉和碳酸氫鈉與酸反應速率大小后，對碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應機理、碳酸鈉溶液與稀鹽酸互滴反應機理及碳酸根離子、碳酸氫根離子與氫離子反應先后順序進行深入思考與討論。筆者設計了酸堿中和滴定的數字化實驗，引導學生利用pH傳感器和滴數傳感器對不同溶液之間的反應機理進行探究。

活動一：探究碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應機理。

實驗操作：按照圖3b安裝儀器，打開磁力攪拌器，啟動傳感器，將0.05 mol/L鹽酸逐滴加入0.05 mol/L 碳酸氫鈉溶液中，觀察溶液pH隨鹽酸體積變化的圖像。隨后，將碳酸氫鈉溶液改為0.05 mol/L 碳酸鈉溶液再次進行滴定。

實驗結果如下。

①將稀鹽酸滴入等濃度碳酸氫鈉溶液，隨著鹽酸滴入量增多，pH逐漸減小，并出現一次突變（如圖7），這表明碳酸氫根離子與氫離子生成二氧化碳和水，反應原理為NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

②將稀鹽酸滴入等濃度碳酸鈉溶液，隨著鹽酸滴入量增大，pH逐漸減小，并出現兩次突變，且兩次突變前消耗鹽酸的體積比約為1∶1（如圖8）。這說明在第一次突變之前主要發生氫離子與碳酸根離子的生成碳酸氫根離子的反應，隨即出現第二次突變，即證明反應分兩步進行，第一步Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl，第二步NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

活動二：進階實驗——驗證碳酸鈉與稀鹽酸互滴反應機理。

實驗步驟與數據分析：與本課時的活動一實驗步驟相似，但與活動一②實驗滴加溶液順序相反，將0.05 mol/L 碳酸鈉溶液滴入等濃度鹽酸中，得到的pH-滴數圖（如圖9）中僅出現一次突變。當碳酸鈉溶液滴入鹽酸這一大環境，碳酸根離子遇到局部濃度過高的氫離子，就會在短時間內捕獲兩個氫離子，迅速生成碳酸，因此，pH曲線只出現一次突變。這證明發生了如下反應：Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑。

活動三：碳酸根離子、碳酸氫根離子與氫離子反應先后順序的測定。

實驗步驟與數據分析：活動三實驗步驟與活動一相似，僅將燒杯中溶液換為等濃度等體積的碳酸鈉、碳酸氫鈉混合溶液，與活動一中的第二個實驗的結果相似：隨著鹽酸的滴入，混合溶液的pH也逐漸降低，且出現兩次突變，不同的是兩次突變前消耗鹽酸體積比約為1∶2（如圖10）。說明在碳酸根離子、碳酸氫根離子同時存在的溶液中，氫離子優先與碳酸根離子反應，再與碳酸氫根離子反應。學生由此排除了因濃度小的原因，得出碳酸根離子結合氫離子的能力比碳酸氫根離子強的結論。

實驗效果評價：學生將pH傳感器和滴數傳感器結合使用，將傳統的定性實驗定量化，不僅展示靜態的實驗結果，而且展示了動態的滴定過程，使學生對由量決定的離子反應形成科學的認識，促進思維進階發展。

綜上所述，筆者以碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質探究為例，借助數字化實驗獨特優勢，進行大單元設計，引領學生參與教學評一體化的過程，從定性到定量、從抽象到形象，再到數字化感知、對比分析、計算、應用，實現學生思維水平從低階向高階的躍升，以及核心素養的發展。

參考文獻

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（作者馮雯系天津市第二中學高級教師；英華系天津市河西區教師發展中心正高級教師；邱陽系天津市第二中學高級教師）

責任編輯：祝元志