基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中創(chuàng)新應(yīng)用的案例分析

周祖保

摘要：本文主要論述了基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的數(shù)字實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中創(chuàng)新應(yīng)用案例。應(yīng)用氧化還原反應(yīng)電位傳感器探究FeCl3溶液與不同金屬單質(zhì)反應(yīng)，應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)演示實(shí)驗(yàn)具有直觀、量化、快速呈現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過程等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)核心素養(yǎng)??數(shù)字化實(shí)驗(yàn)??FeCl3溶液??金屬單質(zhì)??甲酸

核心素養(yǎng)是目前基礎(chǔ)教育理論研究和實(shí)踐關(guān)注的一大熱點(diǎn)。核心素養(yǎng)是學(xué)生應(yīng)具備的、能適應(yīng)終身發(fā)展所需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是關(guān)于學(xué)生知識、技能、情感、態(tài)度、價(jià)值觀等多方面要求的綜合表現(xiàn)?；瘜W(xué)學(xué)科依據(jù)自身學(xué)科的特點(diǎn)提出了“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)精神與社會責(zé)任”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識”五個維度的學(xué)科核心素養(yǎng)。這就要求化學(xué)課堂教學(xué)中要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，改變以往“知識本位”教學(xué)理念，教學(xué)過程注重培養(yǎng)學(xué)生能力，特別是學(xué)生終身發(fā)展所必需的能力;教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程要更加關(guān)注以生為本，以能力培養(yǎng)為本?；瘜W(xué)學(xué)科是一門實(shí)驗(yàn)性學(xué)科，主要依托化學(xué)實(shí)驗(yàn)作為載體對學(xué)生能力進(jìn)行培養(yǎng)和提升。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)在不斷地更新，例如數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)外都被廣泛應(yīng)用于化學(xué)領(lǐng)域，依據(jù)這些新技術(shù)可以更好地培養(yǎng)學(xué)生能力，更好地落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文具體分享我課題組所開展的關(guān)于數(shù)字化技術(shù)在高中化學(xué)課堂教學(xué)創(chuàng)新應(yīng)用方面的一些工作。

高中化學(xué)教學(xué)需要演示或?qū)W生動手實(shí)驗(yàn)較多，絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)都是定性實(shí)驗(yàn)。這無法從微觀和定量角度呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，也不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)習(xí)慣。實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象和結(jié)論以數(shù)形結(jié)合的形式定量呈現(xiàn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)獲得信息的能力，加深學(xué)生對知識的理解。例如人教版高中化學(xué)必修一第三章《鐵的化合物基本性質(zhì)》教學(xué)中涉及化學(xué)實(shí)驗(yàn)較多，這些實(shí)驗(yàn)主要目的是探究Fe3+和Fe2+的氧化性和還原性等方面的知識，且這些實(shí)驗(yàn)都是定性實(shí)驗(yàn)，主要通過觀察顏色變化或是否有沉淀生成，而實(shí)驗(yàn)的溶液中成分多，觀察顏色變化及沉淀生成受到干擾較大，常達(dá)不到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。我課題組應(yīng)用氧化還原電位傳感器探究FeCl3溶液與不同金屬反應(yīng)，有助于學(xué)生更好地理解Fe3+的氧化性。我們在實(shí)際教學(xué)中用氧化還原反應(yīng)電位傳感器測定鐵釘與 FeCl3溶液反應(yīng)溶液電勢變化，實(shí)驗(yàn)步驟如下：取一個250 mL三頸燒瓶向其中加入100 mL的1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化還原反應(yīng)電位傳感器開始測定數(shù)值，然后加入一根鐵釘并用磁力攪拌器帶動鐵釘轉(zhuǎn)動，用氧化還原反應(yīng)傳感器記錄的實(shí)驗(yàn)過程相關(guān)數(shù)據(jù)如圖一所示：（提示：縱坐標(biāo)數(shù)值越大，溶液氧化性越強(qiáng)，數(shù)值越小，溶液的還原性越強(qiáng)）

依據(jù)開始測定的縱坐標(biāo)數(shù)值較大可以推斷FeCl3溶液具有強(qiáng)氧化性，而通過定性實(shí)驗(yàn)學(xué)生是無法直觀感受FeCl3溶液具有強(qiáng)氧化性;鐵釘一加入，氧化還原反應(yīng)電位傳感器的數(shù)據(jù)就開始減小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象立即直觀地展示在學(xué)生面前，學(xué)生很快就能從圖中看出，溶液氧化性在不斷地減弱，說明溶液中生成了具有還原性的物質(zhì)，然后再根據(jù)氧化還原反應(yīng)的知識推斷Fe與FeCl3溶液反應(yīng)的離子方程式為Fe+2Fe3+3Fe2+。

在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上我們還借助氧化還原反應(yīng)電位傳感器進(jìn)一步探究Cu、Zn和Al等活潑性不同的金屬與FeCl3溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：取一個250 mL三頸燒瓶向其中加入100 mL 1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化還原反應(yīng)電位傳感器開始測定數(shù)值，然后加入大小形狀相同的鐵、銅、鋅和鋁（四種金屬都用鹽酸浸泡一段時間除去表面的氧化物膜）并用磁力攪拌器攪拌，用氧化還原反應(yīng)傳感器記錄實(shí)驗(yàn)前60 s內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如圖二所示。從數(shù)據(jù)分析圖象可以看出，金屬越活潑，與等濃度的FeCl3溶液反應(yīng)越快，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖象中很快且直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，這是傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)不能達(dá)到的實(shí)驗(yàn)效果。

在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上我們進(jìn)一步探究了鋅、鐵、銅和鋁與FeCl3溶液反應(yīng)過程是否相同，實(shí)驗(yàn)步驟如下：取一個250 mL三頸燒瓶向其中加入100 mL的1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化還原反應(yīng)電位傳感器開始測定數(shù)值，然后加入過量的鋅粒、鐵、銅和鋁并用磁力攪拌器攪拌，用氧化還原反應(yīng)傳感器記錄的實(shí)驗(yàn)過程相關(guān)數(shù)據(jù)如圖三和圖四所示：從傳感器記錄的數(shù)據(jù)可以看出，過量的Zn和Al與FeCl3溶液反應(yīng)初期過程與Cu、Fe與FeCl3溶液反應(yīng)過程相似;反應(yīng)一段時間過后反應(yīng)曲線出現(xiàn)突變且后期曲線又上升，原因是初期反應(yīng)是Zn+2Fe3+2Fe2++Zn2+、Al+3Fe3+3Fe2++Al3+;曲線突變時該反應(yīng)基本完成，后期曲線上升原因是Zn+Fe2+Fe+Zn2+、2Al+3Fe2+3Fe+2Al3+。所以通過該實(shí)驗(yàn)?zāi)苓^定量地證明過量Zn或Al與FeCl3溶液反應(yīng)過程是分兩步進(jìn)行的。傳統(tǒng)定性實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到這樣的實(shí)驗(yàn)效果。

總結(jié)上述實(shí)驗(yàn)我們可以得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

1.定量的顯示Fe3+具有強(qiáng)氧化性。

2.對比三者與FeCl3溶液反應(yīng)的曲線，觀察曲線斜率大小可以直觀地比較出Fe、Cu和Al與Fe3+溶液反應(yīng)快慢，反應(yīng)速率：Al>Fe>Cu。

3.通過實(shí)驗(yàn)可以直觀地顯示過量的Zn和Al與FeCl3溶液反應(yīng)分兩步進(jìn)行。

運(yùn)用氧化還原反應(yīng)電位傳感器使在課堂有限時間內(nèi)無法完成的定性實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟诙虝r間內(nèi)直觀且定量地展示給學(xué)生，大大地提高了化學(xué)課堂教學(xué)的效率。使定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)，有助于學(xué)生對知識的接受和加深理解，更有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)精神，真正落實(shí)微觀探析和實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)科核心素養(yǎng)。