虛實結合：在質疑與創新中解決真實化學問題

在信息爆炸的今天，辨別信息真偽尤為關鍵。教師虛實結合開展教學，不僅能夠培養促進學生質疑、批判和創新能力，而且有助于深化學生對學科知識的理解。筆者選取了兩個“無明顯現象化學反應”的實驗案例，探討了傳統實驗方法在評價和育人方面的局限性，并設計實施了虛實結合的化學實驗，在解決真實的化學問題的過程不斷質疑和創新，以增強學生的創新意識，促進其科學思維能力發展。

一、以虛補實：發展科學思維，培養科學態度

以虛補實，即利用虛擬技術彌補傳統實驗的不足，這一方法在現代教學中日益受到重視。隨著科技的進步，數字化實驗已成為教育領域的新趨勢。融合虛擬仿真技術、網絡技術和數據庫技術開展數字化實驗，有利于學生對宏觀、微觀、符號和圖像進行綜合認知，提升學生的證據推理能力。盡管許多化學反應伴隨著明顯的現象，如發光、放熱、變色、氣體產生和沉淀生成，但有些反應缺乏明顯現象，難以獲得科學認知。教師虛實結合利用現代化實驗手段，可以使實驗現象“從無到有”，這不僅有助于學生構建和重組知識體系，而且能有效提升學生的思維廣度和深度。以下是“CO2與NaOH溶液反應”的教學案例。

（一）教學案例

教師將CO2通入盛有NaOH溶液的試管中。

學生觀察發現試管內無明顯變化。

教師讓學生分組設計實驗，以判斷“CO2與NaOH溶液”是否發生反應。（教師引導學生從“反應物減少”“生成物增加”等方面思考。）

……

學生提出方案，向盛有NaOH溶液的試管中滴加1滴酚酞溶液，然后通入CO2，觀察現象。

教師將CO2通入含有NaOH溶液的試管中（通入前已滴入1滴酚酞溶液）一段時間。

師生根據實驗現象，否定了該方案。

（二）酚酞溶液變色機理

酚酞溶液是常見的酸堿指示劑之一。學生閱讀化學教材[1]可知，酚酞溶液遇堿溶液變紅，在酸性溶液中不顯色，還知道變色反應的pH范圍。由于缺乏定量、直觀的信息，學生通常不能全面理解，采用機械記憶的方式學習[2]。酚酞結構如圖1所示。pH＜8.2時為無色，其結構為（如圖1a），稱為內酯式結構，縮寫為H2P。8.2＜pH＜10.0時，酚酞分子的2個酚羥基上的質子離解，內酯環打開，生成２個相似的醌式結構（如圖1b、1b'），呈粉紅色，縮寫為P2-。當pH＞12.0時，生成無色的甲醇式結構（如圖1c），粉紅色逐漸消退，縮寫為POH3-。三者之間的顏色變化都是可逆的，當pH=11時，H2P快速、完全地轉化為 P2-。當pH＞12.0時，P2-緩慢地轉化為POH3-。這表明酚酞溶液在強堿性溶液中褪色，突破了“酸無堿紅”的傳統變色范圍[3]。

（三）實驗探究

1.實驗用品

藥品：固態CO2（干冰）、NaOH、蒸餾水、酚酞溶液、BaCl2溶液、稀鹽酸。

儀器：250 mL燒杯、玻璃棒、鑷子、量筒、鐵架臺（帶鐵夾）、pH傳感器、溫度傳感器。

2.實驗步驟

（1）配制溶液：配制150 mL不同濃度的NaOH溶液。

（2）滴加酚酞溶液：將配制好的NaOH溶液倒入5個潔凈的250 mL燒杯中，分別滴加2滴酚酞溶液，觀察現象。

（3）放入干冰：將足量的干冰分別放入5個燒杯中，觀察現象。

3.實驗現象

（1）滴加酚酞溶液后，立即由無色變為紅色，但很快褪色。

（2）剛加入干冰時，燒杯中酚酞為無色，經過一段時間后，酚酞逐漸變為紅色（見表1）。

4.解釋

（1）酚酞溶液在NaOH溶液中褪色的原因：為了防止學生認為酚酞溶液褪色是因為敞口，NaOH與空氣中CO2反應造成的，實驗中，wON2Fykw2WotQXl4aAisiA==還配制了1%的NaOH溶液，同樣進行實驗，發現酚酞溶液變紅色后很長時間沒有褪色。進一步證實：紅色酚酞自然褪色的時間與 NaOH溶液的濃度有關，濃度愈大褪色愈快；而與試管是否敞口無關，即酚酞溶液逐漸褪色與空氣中的CO2無關。

（2）化學變化的典型標志是新物質的產生，這通常伴隨著顏色變化、氣體釋放、沉淀形成等現象，同時也會伴隨著能量的轉換。根據觀察到酚酞溶液顏色變化，說明CO2與NaOH發生了反應。此外，實驗中還發現，燒杯底部逐漸有白色晶體析出。師生用pH傳感器測定反應過程中pH變化以及NaOH、Na2CO3和NaHCO3在常溫下溶解度，分析燒杯底部的白色晶體為NaHCO3，加入稀鹽酸，有大量氣泡產生。一夜后，燒杯中酚酞溶液顏色由淺紅色逐漸變深。可能與NaHCO3常溫下能緩慢分解得到Na2CO3和CO2有關[5]。

案例中，教師改變反應條件，既能清晰地看到酚酞溶液顏色的變化，又能結合實時的曲線、數據變化（如圖2），讓學生知道酚酞溶液變色的原因并對反應過程中產物的變化進行科學判斷。在教育數字化轉型的背景下，以虛補實，探索虛擬現實結合的教學之路，讓學生養成注重實證、嚴謹求實的科學態度，學會批判性思考，具有敢于提出并堅持自己的見解、勇于修正的科學精神，助力課堂教學變革。

二、以虛拓實：經歷科學探究，強化創新意識

以虛拓實指利用現代實驗技術等手段來拓展和增強現實世界的實踐活動。在教學中，教師根據學生認知水平，精心設計探究活動，將數字化實驗與傳統實驗深度融合。學生進行交互式動態體驗，沉浸式學習，有利于提高對知識內容的認知水平，核心素養也得以進階性發展。以下是“NaOH溶液與稀鹽酸”中和反應的教學案例。

（一）教學案例

教師將稀鹽酸滴加到盛有NaOH溶液的試管中。

學生發現，試管中無明顯現象發生。

教師讓各小組設計實驗，驗證NaOH溶液與稀鹽酸發生了反應。

……

學生向盛有NaOH溶液的試管中滴加1滴酚酞溶液，然后滴加稀鹽酸，觀察現象。

師生根據實驗現象，確定二者發生了反應。

接下來師生從微觀角度認識了中和反應的實質，了解了中和反應在生產、生活中運用。

（二）現有研究

筆者查閱知網近些年的文獻，發現對“酸和堿中和反應”的研究頗為豐富。楊香濤通過傳統實驗手段，從宏觀角度觀察中和反應的表面特征；利用模型和動畫，從微觀角度探究中和反應的詳細過程；借助數字化實驗，結合宏觀和微觀視角，深入理解中和反應的本質[6]。楊林全通過遞進式的探究實驗，設計了一系列層次分明的問題，引導學生利用已有的知識和實驗數據，通過微觀模型及其應用，進行邏輯推理，構建對中和反應的認知框架[7]。王永臻對比了不同教材中的實驗內容，采用固態堿、無水酸和新型裝置進行酸堿混合實驗，并使用藍色硅膠和簡易導電性測量儀器對實驗方法進行了創新和改進[8]。林建芬依據SOLO分類理論，對中和反應概念的學習階段、提升路徑和目標進行了劃分，構建了中和反應概念的認知發展模型，并在初高中階段的教學中應用了這一模型，以實現教學內容的連貫性[9]。在教學中，許多教師圍繞教材內容，設計實驗方案實現從“無明顯現象”到“有明顯現象”，驗證NaOH溶液與稀鹽酸發生了反應；接著，從微觀視角分析反應發生的原因，揭示中和反應發生的本質，指導學生書寫中和反應的化學方程式；最后，講解中和反應的應用。

（三）改進實踐

1.實驗用品

藥品：飽和石灰水、1%的NaOH溶液、石灰乳、酚酞溶液、稀鹽酸。

儀器：試管、pH傳感器。

2.實驗步驟

（1）分別取2 mL飽和石灰水和1%的NaOH溶液倒入小試管中，各滴加1滴酚酞溶液，用相同的膠頭滴管逐滴滴加稀鹽酸并計數，直至酚酞溶液變成無色。

（2）用試管取3 mL飽和石灰水，滴加1滴酚酞溶液，逐滴滴加稀鹽酸，觀察現象，待酚酞無色后，振蕩試管，觀察現象。

3.實驗現象

（1）兩支試管中酚酞溶液一開始均變紅色。向盛有石灰水的試管中，滴加3滴稀鹽酸后，酚酞變成無色；而盛有NaOH溶液的試管中，滴加稀鹽酸18滴后，酚酞變成無色。

（2）試管中酚酞變紅色，逐滴滴加稀鹽酸，可以看到上層的紅色液體由下而上逐漸變成無色。待完全變成無色后，充分振蕩試管，發現試管中液體先變渾濁，接著酚酞由無色又變成紅色。實驗反復多次，直到試管底部白色固體消失。

3.解釋

（1）20 ℃時，Ca（OH）2溶解度為0.165 g，則飽和溶液的溶質質量分數為0.16%。分析數據可知，飽和石灰水中OH-遠少于實驗中配制的1%的NaOH溶液。從實驗中可知，酚酞溶液在試管中，先變紅色，說明溶液中都有OH-。滴加稀鹽酸后，逐漸變成無色，根據滴加稀鹽酸的滴數，從微觀角度說明，飽和石灰水中OH-比1%的NaOH溶液濃度小很多，這也能說明CO2被NaOH溶液吸收的原因。利用pH傳感器測定（如圖3），會發現飽和石灰水中滴加稀鹽酸達到突變的時間遠短于NaOH溶液中滴加稀鹽酸達到突變的時間（如圖4），說明1%的NaOH溶液堿性強于飽和石灰水。學生經過對比，從視覺上認識了中和反應的本質，也從思想上理解了氫氧化鈣微溶、NaOH易溶的道理。

（2）向滴有酚酞溶液的石灰乳［含有未溶解Ca（OH）2的懸濁液］中滴加稀鹽酸，紅色由下而上逐漸變成無色。原因是受重力影響，滴加進來的稀鹽酸大部分進入上層液體的底部，下面OH-先與H+反應，附近的酚酞由紅色變成無色，然后逐漸往上顏色發生變化。之后，全部無色，說明上層清液中OH-濃度已經很小（甚至鹽酸過量）。此時，充分振蕩試管，底部未溶解的Ca（OH）2固體溶解，但仍呈懸濁液狀態。很快，溶液中酚酞變成紅色，說明溶解后OH-濃度又增大。繼續滴加稀鹽酸，又會出現上述實驗現象。反復數次后，發現試管底部白色晶體變少到消失，溶液中酚酞最終變成無色。

案例中，筆者改變反應物，復現傳統實驗的現象，引導學生思考實際生產中用“石灰乳”的原因；對比數字化實驗系統生成的曲線，讓學生認識到酸堿中和反應的本質及用NaOH溶液吸收CO2的原因。在虛實結合的教學中，開展數字化實驗，讓學生學會從微觀角度認識堿的性質、溶解性，加深了學生對生活、生產中應用中和反應的認識。

三、虛實交融：深化科學探究，培育創新精神

（一）在質疑中摒棄依賴的思維習慣，讓科學探究走向深處

對于酚酞溶液的變色，一些教師在教學中只是讓學生識記“遇到酸性、中性溶液不變色，遇到堿性溶液變紅色”，實驗演示時呈現統一的現象，即使遇到“異常現象”也“輕描淡寫”快速掠過。數智時代，化學教師應該對酚酞溶液變色的認識具有一定的“廣度和深度”，這樣才能引導學生“質疑”，科學解釋學生的“質疑”，而不是“照本宣科”。另外，有的還存在將驗證“二者是否發生反應”和“NaOH是否變質”混淆的情況。

對于“無明顯現象”中和反應的驗證，傳統做法是用“NaOH溶液、稀鹽酸和酚酞溶液”組合開展探究，從溶液的配制，到反應進行的程度，到反應原理的認識及微觀解釋，都具有典型性。但是基于學生對Ca（OH）2在生產、生活中運用的熟悉程度，以及兩種堿的性質比較，他們會質疑“為什么不用NaOH溶液處理酸性土壤”“工業生產上，為什么常用石灰乳中和酸性物質，而不用石灰水”。其實，用“Ca（OH）2與稀鹽酸”反應開展探究活動，能作出科學的解釋。化學是實驗的科學，化學實驗教學的捷徑實際上就是完成從辦公室到實驗室之間的距離，需要教師走穩當、走扎實，摒棄平時思維習慣。在“質疑”思維驅動下，學生會提出更多問題。教師將數字化實驗和傳統實驗融合，能將學生的科學探究引向深處，點亮化學課堂。

（二）在創新中凸顯學生的主體地位，讓育人藍圖變為現實

上述兩個教學片段折射出教學中還存在“實驗習慣”的依賴性，如配制藥品統一性、藥品用量統一性、實驗現象一致性等，學生的科學思維未能充分發展；折射出部分教師機械地按照教材教學的問題，影響學生化學科學能力發展。

教學中，筆者為學生提供酚酞溶液變色、褪色相關資料，改進NaOH溶液配制方法，將傳統的“稀”NaOH溶液，換成“濃”NaOH溶液，滴加酚酞溶液后產生不同的現象，引導學生尋找解決問題的新方案。學生在解釋Ca（OH）2應用時遇到困難，筆者增加“飽和石灰水與稀鹽酸反應”“石灰乳與稀鹽酸反應”等實驗幫助學生探究，這樣學生既可以深入認識中和反應，又可以科學認識物質在實際生產中的應用。

在創新思維驅動下，學生會對不同信息、觀點和結論進行質疑與批判。教師虛實融合，科學設計實驗，使學生創造性見解的能力得以提升，凸顯他們的主體地位。

質疑是創新的源泉。質疑是創新的起點，一切科學發現都是從疑問開始的。在教學中，筆者努力讓學生養成質疑的習慣，像科學家一樣思考問題，保持好奇心與求知欲，樂于提問，敢于質疑，學會在真實情境中發現問題。學生具有探究能力和創新精神，才會養成追求真理、反對偽科學的科學精神及勇于克服困難的堅毅品質，對不同觀點和方案提出自己的見解，發展創新思維能力。

“學貴知疑，小疑則小進，大疑則大進”。質疑和創新相互依存，缺一不可，只有這樣，才能發展科學思維，養成科學態度。虛實結合為化學教學帶來了新的可能性，它不僅能提高學生的學習效率和興趣，而且能為教師提供更加多元化的教學手段。隨著技術的進一步發展，期待虛實結合在化學教學中扮演越來越重要的角色。

參考文獻

[1] 王晶，鄭長龍.義務教育教科書 化學 九年級 下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[2] 賈智慧，邢惠萍，李玉虎.酚酞指示劑變色原理的計算化學實驗研究[J].大學化學，2023（12）：235-241.

[3] 劉慶文，崔樹寶.堿性溶液中酚酞褪色的動力學研究[J].化學教育，2014（24）：26-27.

[4] 熊言林，崔洪珊，周利軍，等.紅色酚酞溶液逐漸褪色的原因探究[J].化學教育， 2006（11）：56-57.

[5] 陳志偉，吳文中. NaHCO3溶液和固體熱分解的差異性分析[J].中學化學教學參考，2017（7）：50-52.

[6]楊香濤，石明亮.“宏觀辨識與微觀探析”視域下的初中化學教學：中和反應[J].化學教育，2022（21）：56-60.

[7] 楊林全.初中化學教學中“證據推理”素養的培育：以“酸和堿的中和反應”為例[J].化學教學，2021（6）：49-54.

[8] 王永臻，丁玲杰，李德前.對初中化學“中和反應”實驗的分析與創新[J].化學教學，2020（4）：54-57.

[9] 林建芬，陳博殷，黃碧蕓，等.基于SOLO分類理論探討化學核心概念的學習進階與教學銜接 ：以人教版“中和反應”為例[J].化學教學，2016（11）：24-30.

（作者魏明貴系江蘇省昆山開發區青陽港學校特級教師；王芹系江蘇省昆山張浦中學教師）

責任編輯：祝元志