手持技術輔助高中化學創新實踐

當今，高中化學實驗手段在不斷演進和創新。手持技術在高中化學實驗中的應用能夠提高實驗操作的便捷性、準確性，增強實驗結果的可視化和可靠性，拓展實驗內容，提高定量探究學習興趣，增強實驗的直觀性，進而提升教與學效率，促進學科核心素養的發展。本探究實驗利用酸堿度傳感器、色度計等手持儀器，進行定量實驗測定，使現象對比更加直觀、科學，為漂白劑中漂白性粒子的探究提供量化證據。

一、認知沖突：傳統實驗的局限與定量探究的需求

近年來，隨著信息技術的發展，在課堂上融入先進信息技術手段已成為普遍現象。手持技術因其便攜性、互動性、實時數據收集分析等特點，在教學領域的應用不斷受到重視，為教育教學帶來了許多創新和便利。在高中化學課堂教學中，教師以化學實驗探究內容為載體，以手持技術為輔助手段，開展有效的實驗課堂教學，可以激發學生的學習興趣，幫助學生消除畏難情緒，培養學生的科學探究精神、創新思維等學科核心素養，同時也有利于教師專業發展。酸堿度傳感器、壓強傳感器、色度計等手持技術在高中化學課堂上的教學應用案例屢見不鮮。筆者受此啟發，針對教學過程中的突出問題，將色度計應用于漂白性實驗探究中。

本次實驗探究活動發端于一次社會實踐活動中產生的認知沖突。學生到造紙廠研學參觀，當了解到造紙工業中使用亞硫酸鈉作脫色增白劑[1]時，學生產生疑惑：對紙起漂白作用的粒子難道不是教材實驗中提到的 SO₂ 分子嗎，怎么使用亞硫酸鈉呢？聯想、類比氯水漂白實驗[2]，進行實驗探究，可以證明二氧化硫與水反應產生的新物質具有漂白性。二氧化硫溶液中有多種含硫粒子（ H₂SO₃ 、 HSO₃^- 、 SO₃^2- ），到底是哪種粒子主要起漂白作用呢？為此，筆者設計方案對上述問題進行深入探究。設計思路如下（如圖1）。

圖1實驗教學構思

二、技術賦能：手持技術方案設計與關鍵變量控制

本次實驗，教師從學科知識、實驗能力、價值觀念三個層次，深化化學學科核心素養的培養。筆者確定了以下教學目標：探尋漂白性粒子的證據，建立模型、應用模型，提高解決問題能力；參與數字化實驗，提供直觀、量化的證據，增強創新實踐意識；參與科學實踐體驗活動，體會科學思維的魅力，感悟嚴謹務實的科學精神。為此，設計并開展了如下任務。

1.探究二氧化硫溶液中具有漂白性粒子（任務一）① 設計實驗方案（活動1）。

【實驗1】選出二氧化硫溶液與品紅溶液混合時的合適體積比。將不同體積比的兩溶液混合，用色度計檢測透射率的變化，測量漂白溶液所需時間和漂白效果。由于品紅溶液為紅色，因此檢測綠光和黃光的透射率，在反應前后變化較大。實驗結果表明： 1mL 二氧化硫溶液與 2mL 品紅溶液混合時，漂白速率適中，漂白效果適當。

【實驗2】制備不同pH的二氧化硫溶液。

向 50mL 二氧化硫溶液中逐漸加人固體氫氧化鈉，用酸堿度傳感器實時、精準監測溶液的pH變化。分別取出不同pH的二氧化硫溶液備用。使用固體氫氧化鈉是為了盡量不改變溶液中含硫微粒的總濃度。

【實驗3】測量不同pH條件下二氧化硫溶液的漂白性。

打開色度計程序，準確量取 2mL 品紅溶液放入檢測室，測量透射率，開始時較低，加入pH=1.5 的二氧化硫溶液，透射率逐漸增大，溶液顏色變淺，記錄漂白時間和最終透射率大小。接著與不同pH的二氧化硫溶液對比，觀察漂白效果。每組數據進行平行實驗兩次，取平均值。

此活動通過啟發學生設計實驗方案并親自進行實驗，培養其獨立思考和解決問題的能力，提高實踐動手能力和實驗探究技能。

② 實驗數據采集（活動2）。在此活動中，學生學會采用新技術新方法，培養創新能力。

③ 數據分析及結論（活動3）。

將數據擬合成圖表，可以清晰地發現：pH=1.5 的溶液與品紅溶液作用時，漂白所需時間較長；當 pHgt;5 時，漂白時間驟降。隨著pH繼續增大，透射率呈增大趨勢（如圖2）。

此活動旨在培養學生學會用化學語言描述實驗現象，發展數據推理能力，養成嚴謹求實的科學態度，提升科學的宏微觀思維，以及用理論知識解釋實際問題的能力。

“實驗結果反映了溶液中的什么微粒影響呢？”根據不同pH下二氧化硫溶液中含硫微粒的分布曲線（如圖3）可知：當 pH=1.5 時，溶液中以亞硫酸分子為主；當 pH=5 時，以亞硫酸氫根離子為主；當 pHgt;10 時，溶液中以亞硫酸根離子為主。

圖2不同pH的二氧化硫溶液與品紅溶液混合所需漂白時間與透射率變化圖

圖3不同pH下二氧化硫溶液中含硫微粒分布曲線

結合實驗數據得出結論：當亞硫酸分子含量較高時，漂白所需時間較長；當亞硫酸氫根離子和亞硫酸根離子含量為主時，漂白所需時間大大減少，且隨亞硫酸根離子含量增加，漂白效果呈增強趨勢。

學生觀察上述現象，結合對微觀粒子分布的定量分析，可以深人理解并得出結論。此舉旨在培養學生對宏觀現象的辨識能力與對微觀結構的探索分析能力。學生以這種方式學習，不僅可以從表面現象中獲得信息，還能夠深人挖掘背后的微觀本質，從而提升思維邏輯和科學分析能力。這種宏觀與微觀結合的學習模式有助于學生全面發展，為他們未來的學習和探究奠定基礎。

④ 揭秘漂白原理（活動4）。

實驗結論證實了造紙廠使用亞硫酸鈉漂白的事實。但還沒有揭開其中的反應機理。接下來，筆者引導學生查閱資料，學會用“結構決定性質”這一觀念來解釋宏觀現象。

二氧化硫溶液使品紅溶液褪色的機理是亞硫酸氫根離子與品紅發生親核加成反應，破壞了生色團的共軛結構。微粒進攻品紅的能力強弱順序為：亞硫酸根離子 gt; 亞硫酸氫根離子 gt; 亞硫酸分子，與實驗結果吻合。反應生成的磺酸基（ -SO₃H ）是良好的離去基團，加熱可使品紅恢復共軛結構。因此，二氧化硫的漂白作用具有暫時性。

學生參與實驗探究，發自內心地感悟科學思維獨特魅力，像科學家一樣思考、實驗、獲取證據，分析解釋，發展了證據推理能力。在實驗過程中，學生扮演科學家的角色，思考問題、設計實驗、收集數據、分析結果并得出結論。實驗探究不僅能夠加深學生對科學知識和方法的理解，還能夠培養他們批判性思維和創新能力。這種全方位的實踐教學方法，旨在激發學生對科學的興趣，提高他們的學習動力和自主探索的能力。

2.氯水中具有漂白性粒子的探究（任務二）

經過對二氧化硫溶液中漂白性粒子的探究，建立了實驗模型，接著教師引導學生自主探究氯水中漂白性的粒子，使學生自主體驗科學探究的一般過程。教師應用模型解決相似問題，培養學生自主探究、分析問題和解決問題的能力。教師以分組合作方式，提升學生的團隊合作精神。經過實驗探究和數據分析，繪制不同pH的氯水與品紅溶液混合后的漂白時間與透射率變化圖，結合氯水中含氯微粒分布曲線可知：次氯酸含量越高，漂白效果越好；反之，漂白效果越差。

究其原因，次氯酸的漂白為氧化漂白，酸性越強，氧化性越強。當 pH=12 時，溶液中以次氯酸根為主，次氯酸根的氧化性較弱，只能氧化氨基，沒有破壞整體共軛結構，因此溶液只是變黃。次氯酸氧化品紅結構的機理有多種說法，常見的解釋為次氯酸將品紅分子中的一個碳碳雙鍵氧化為環氧化合物，再與水反應生成兩個羥基。新生成的羥基和氯原子不是好的離去基團，加熱不會恢復共軛結構，所以次氯酸的漂白具有永久性。教師提供資料參考，鼓勵學生了解反應實質。

聯想到生活生產中使用的漂白液為次氯酸鹽，解釋原因：次氯酸鹽相對于次氯酸更穩定，易于保存。但在漂洗衣物時，需浸泡一段時間，使次氯酸鹽與空氣中的二氧化碳作用轉化為次氯酸，以增強漂白效果。將化學理論與實際生活結合起來，可以激發學生對化學的興趣，同時也增強他們將所學知識應用到實際情境中的能力。這樣的教學方法有助于培養學生的綜合素質和實踐能力，為他們未來的學習和生活奠定堅實的基礎。

3.遷移應用（任務三）

① 對比兩溶液的性質，提出新問題（活動1）。“為什么二氧化硫溶液不能漂白石蕊溶液而氯水可以呢？請課后探究，揭秘漂白原理。”

學生課后探尋證據：對比不同有機色素的分子結構特點，解釋二氧化硫漂白的選擇性和氯水漂白的廣泛性，進一步遷移應用認知模型，實現從知識到能力的結構化提升。某種結構類型的石蕊溶液與二氧化硫溶液作用時，不能破壞共軛體系，只與亞氨基成鹽使溶液變紅。因此二氧化硫的漂白具有選擇性，不能使所有有機色素褪色。

次氯酸是利用強氧化性漂白，石蕊分子中的酚羥基、六元環結構中的雙鍵都可以被氧化，破壞生色團結構。有機色素之所以顯色，正是雙鍵形成的共軛結構導致，因此都能被次氯酸氧化，其漂白具有廣泛性。教師引導學生聯系有機化學中官能團的性質，去解釋相關現象，讓他們對比歸納兩種漂白劑漂白原理的不同，提升了主動思考、提出問題的能力。

② 走進生活，感悟化學魅力（活動2）。

無論是二氧化硫溶液還是氯水作漂白劑都有它們的局限性：二氧化硫的漂白具有暫時性和選擇性，而次氯酸的強氧化漂白容易破壞物質整體結構，且會生成有毒氯化物。為此，學生走進超市，發現很多新型漂白劑正在服務生活。整個實驗探究活動從社會中來到生活中去，使學生感受到化學使生活更美好。探究過程中，學生領悟到不同漂白劑的普遍性和局限性，學會用辯證思維方式去看待問題。將學科知識應用于生活實踐，不僅能夠激發學生對化學的興趣，而且能讓學生意識到科學技術的進步對社會和生活的重要性。

三、定量探究：數據采集、處理與漂白效果分析

制作實驗效果評價量表（見表1），從過程性評價和結果性評價兩個維度設置評價標準：

表1“探究二氧化硫溶液和氯水中漂白性粒子”實驗效果評價體系

完全能做到得2分，部分能做到得1分，完全做不到0分；自評占 30% 權重，互評占 30% 權重，師評占 40% 權重。按此標準對學生的實驗探究過程進行全方位、多維度、可視化評價，既關注實驗結果，又注重實驗過程。促使學生通過自我反思，明確實驗收獲以及完善方向。教師對評價數據進行整合分析，及時發現學生在探究中的共性問題和認知待發展區域，便于后續教學。

四、實踐反思

本實驗探究從發現認知沖突開始，接著提出問題、設計實驗方案，引人酸堿度傳感器和色度計做實驗，使控制變量更加精準，實驗結果有了定量化描述。教師針對實驗結果進行證據推理，將模型進行遷移應用，根據評價量表進行評測，促使學生反思過程，明確方向。整個實驗過程中，教師適時點撥，充分發揮學生的自主能動性。學生通過實驗探究，不斷發現問題，再探索方法，解決問題，完善知識和能力體系，進而形成宏微觀、定量觀、模型認知、證據推理等核心觀念，在類比遷移應用過程中感悟嚴謹務實的科學精神。在探究實驗中，教師引導學生利用手持技術設備進行漂白劑中漂白性粒子的定量探究，為學生提供了深入了解化學反應原理的機會，使觀察實驗現象更加直觀科學，有助于促進學生對化學實驗的認識和興趣的進一步深化。

今后，我們將進一步促進信息技術與化學實驗教學深度融合，更好地激發學生的學習興趣，提升實驗操作能力和科學素養，從而推動學生學科核心素養的全面發展。讓我們繼續借助科技的力量，為實驗教學帶來更多創新和進步。

參考文獻

[1]黃舉．工業木素的脫色技術研究[D].大連：大連工業大學，2018.

[2]王晶，鄭長龍.普通高中教科書化學必修第二冊[M]北京：人民教育出版社，2019.

（作者李妍系天津市實驗中學教師；姜國慶系天津市實驗中學特級教師、正高級教師；滕湘文系天津市實驗中學副高級教師；畢婧系天津市實驗中學教師）

責任編輯：祝元志