數(shù)字化實驗與化學(xué)教學(xué)的融合
——以探究乙醇與鈉反應(yīng)的定量實驗為例

楊曉潔 程 萍

（1南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇南京 210097；2安徽蚌埠第九中學(xué) 安徽蚌埠 233000）

數(shù)字化實驗與化學(xué)教學(xué)的融合
——以探究乙醇與鈉反應(yīng)的定量實驗為例

楊曉潔1.2程 萍1

（1南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院 江蘇南京 210097；2安徽蚌埠第九中學(xué) 安徽蚌埠 233000）

隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化實驗已經(jīng)成為化學(xué)課堂有力的教學(xué)助手。文章以乙醇與鈉的反應(yīng)為例，將定性實驗與數(shù)字化定量探究實驗結(jié)合，采用轉(zhuǎn)化率處理數(shù)據(jù)，讓學(xué)生在心理上形成學(xué)習(xí)化學(xué)獨特的四重表征，并培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和推理能力。

乙醇；鈉；數(shù)字化；轉(zhuǎn)化率；表征

隨著課程改革的不斷深入，轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，改變教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)，適應(yīng)現(xiàn)代化教學(xué)的需求是高中化學(xué)課堂教學(xué)一直關(guān)注的問題?；瘜W(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，因此在高中化學(xué)課堂教學(xué)中，不僅要重視實驗教學(xué)，更要重視實驗的課堂教學(xué)。教學(xué)實驗與技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步是密切相關(guān)的，隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化手持技術(shù)已經(jīng)成為化學(xué)課堂有力的教學(xué)助手。如何充分發(fā)揮數(shù)字化實驗的技術(shù)優(yōu)勢，將其成為提高學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)有利的工具，是一個值得深思與探討的問題。本文主要闡述在課堂教學(xué)中從乙醇與鈉反應(yīng)的定性實驗，乙醇的球棍模型引發(fā)疑問探究乙醇的真實結(jié)構(gòu)，進(jìn)而合理使用數(shù)字化手持技術(shù)“探究乙醇與鈉反應(yīng)的定量實驗”，并采用轉(zhuǎn)化率處理數(shù)據(jù)。

一、乙醇與鈉反應(yīng)的數(shù)字化實驗

1.實驗儀器和藥品

依據(jù)任紅艷等人［1］（2010）所設(shè)計的“利用手持技術(shù)改進(jìn)測定乙醇分子結(jié)構(gòu)實驗”，結(jié)合本校的實際情況，此次教學(xué)實驗，所使用到的儀器和藥品有鐵架臺（帶鐵圈）、石棉網(wǎng)、1 mL注射器、250 mL圓底燒瓶、酒精燈、無水乙醇（已蒸餾）、金屬鈉、氣壓傳感器、采集器、電腦。

圖1 實驗儀器和藥品

圖2 實驗裝置圖

2.實驗步驟

（1）在注射器中充入0.2mL無水乙醇，按圖中所示組好裝置，在潔凈干燥的圓底燒瓶中加入約0.3g金屬鈉，塞上裝有注射器和氣壓傳感器的塞子。

（2）點擊“開始”采集數(shù)據(jù)，通過注射器向250 mL圓底燒瓶中一次性注入0.2mL無水乙醇。

（3）當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行緩慢時（反應(yīng)產(chǎn)生的蠟狀乙醇鈉會包裹在鈉塊表面，阻止反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行），用酒精燈加熱大約15s，以溶解包裹在鈉塊表面的乙醇鈉，反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

（4）待反應(yīng)停止，燒瓶完全冷卻以后，點擊“停止”，結(jié)束數(shù)據(jù)的采集。

（5）重復(fù)實驗若干次，取三次或四次曲線求氫氣產(chǎn)生的氣壓平均值。

（6）已知乙醇的密度為ρ=0.7894 g/mL，用水測法測燒瓶的體積，通過理想氣體狀態(tài)方程式：PV=nRT（式中P是壓力；V是體積；n是氣體物質(zhì)的量；T是熱力學(xué)溫度，它和攝氏溫度t的關(guān)系為T=t+273，R=8.31J·mol-1·K-1），計算得到反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的物質(zhì)的量，再求得乙醇與鈉之間的物質(zhì)的量之比，進(jìn)而確定乙醇的結(jié)構(gòu)。

二、基于數(shù)字化實驗的乙醇與鈉反應(yīng)的課堂教學(xué)設(shè)計

1.教學(xué)內(nèi)容分析

乙醇是魯科版必修二第三章第三節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，在教材中對于這部分內(nèi)容是這樣呈現(xiàn)的：

【實驗一】向試管里注入約2mL無水乙醇，再放入一小塊金屬鈉，觀察發(fā)生的現(xiàn)象，檢驗生成的氣體。

乙醇能與金屬鈉反應(yīng)生成乙醇鈉并放出氫氣。

可以看出，在魯科版的教材中對于這部分內(nèi)容描述是比較粗略的，相關(guān)知識點也是直接呈現(xiàn)的方式。但筆者認(rèn)為乙醇是學(xué)生在學(xué)習(xí)有機(jī)化合物階段所接觸到的第一種含氧衍生物，在課堂中針對乙醇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的探究，將對學(xué)生學(xué)習(xí)有機(jī)化合物“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”這一學(xué)科核心思想產(chǎn)生深刻的影響。

2.學(xué)情分析

高中階段學(xué)生的思維主要表現(xiàn)為從形式邏輯思維逐步向辯證邏輯思維發(fā)展過渡，已經(jīng)能夠進(jìn)行理論思維。隨著理論思維的發(fā)展，高中生對化學(xué)實驗中的各種現(xiàn)象的因果關(guān)系解釋越來越感興趣。高中階段的化學(xué)實驗，多以定性實驗為主，定量實驗不多，因此學(xué)生定量的觀念和意識較為缺乏。而數(shù)字化實驗突破了感性觀察和只注重定性分析的局限性，直觀地呈現(xiàn)化學(xué)實驗數(shù)據(jù)的變化，從而幫助學(xué)生更深入地理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。本校配備了中學(xué)教學(xué)能使用到的各種傳感器，在以前的化學(xué)課堂和課外活動的教學(xué)過程中，學(xué)生使用過二氧化碳傳感器、pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器等，因此學(xué)生對數(shù)字化實驗并不陌生。學(xué)生的心理現(xiàn)狀和學(xué)習(xí)經(jīng)驗為本節(jié)課的推進(jìn)起了支撐作用。

3.教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：

（2）加深理解有機(jī)化合物“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的核心思想。

過程與方法：

（1）學(xué)生親自進(jìn)行實驗的設(shè)計，認(rèn)識數(shù)字化實驗的特點。

（2）通過數(shù)字化實驗結(jié)果的分析，在“宏觀—微觀—符號—曲線”之間建立聯(lián)系。

情感態(tài)度與價值觀：

（1）在實驗設(shè)計和數(shù)據(jù)處理中，體會化學(xué)實驗的科學(xué)性，激發(fā)探究熱情。

（2）在探究過程中培養(yǎng)一絲不茍、實事求是的科學(xué)態(tài)度。

4.教學(xué)過程

賽努奇人物畫收藏趣味傾向的形成與賽努奇本人以及整個歐洲所具有的西方文化基因與背景密切相關(guān)，他們對中國繪畫所體現(xiàn)的中國文化、歷史內(nèi)容更感興趣，收藏的趣味正是以“他者”的眼光來觀照中國文化的結(jié)果。繪畫在西方漢學(xué)家與收藏家的眼中更多的是歷史文化的窗口，滿足他們對異域異質(zhì)文化的向往與探求之心。就賽努奇所藏人物畫所反映的趣味來看，其所體現(xiàn)的情節(jié)性和東方文化的內(nèi)涵，正是西方以同構(gòu)的方式來了解和認(rèn)識中國文化的表現(xiàn)。

（1）教學(xué)流程圖

圖3 教學(xué)流程圖

依據(jù)實驗一的宏觀描述，引發(fā)問題探究乙醇的真實結(jié)構(gòu)，依據(jù)實驗二的曲線表征處理數(shù)據(jù)得到乙醇和氫氣之間的比例，推理得到乙醇的微觀結(jié)構(gòu)及反應(yīng)機(jī)理，進(jìn)而使用化學(xué)語言表征反應(yīng)過程，從而在學(xué)生心理上形成學(xué)習(xí)化學(xué)獨特的四重表征。

（2）教學(xué)的具體過程如下：

圖4 教學(xué)過程中四重表征形成過程

（1）情景引入，分組實驗

從試劑瓶中取出一試管的無色透明液體，讓學(xué)生猜測是什么，通過觀察有同學(xué)說是水，有的同學(xué)猜測是乙醇。教師說：“乙醇似水，是否與水性質(zhì)相似？”。而學(xué)生對于水的化學(xué)性質(zhì)中，印象最深的要數(shù)水與鈉的反應(yīng)。學(xué)生分組親自動手對這個實驗進(jìn)行操作。具體過程如下：向青霉素瓶中加入少量無水乙醇。再取一小塊鈉放入青霉素瓶中，將尖嘴玻璃管的大頭朝下插入乙醇中，并使之罩住鈉塊。鈉塊與乙醇反應(yīng)產(chǎn)生的氣體從玻璃管上口排出。不用驗純（尖嘴管內(nèi)的少量空氣可很快被生成的氫氣排出），直接在尖嘴玻璃管的上口點燃?xì)怏w。此時可用干燥潔凈的小燒杯罩在火焰上方，結(jié)合使用澄清石灰水，以檢驗燃燒產(chǎn)物為水，從而確定生成的氣體是氫氣。

圖5 乙醇與鈉反應(yīng)的定性實驗

（2）拼裝模型，引發(fā)質(zhì)疑

通過此定性實驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)乙醇和水都能與鈉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，但乙醇的反應(yīng)比水的反應(yīng)明顯要緩慢得多，這是什么原因呢？同學(xué)們知道結(jié)構(gòu)是決定性質(zhì)的，通過乙醇的分子式，利用老師事先給準(zhǔn)備好的球棍模型，小組內(nèi)的同學(xué)們拼裝起乙醇可能的結(jié)構(gòu)，并按照所拼裝的結(jié)構(gòu)推測反應(yīng)過程，書寫相應(yīng)的化學(xué)方程式。

在進(jìn)行匯報的時候，小組間的同學(xué)們起了很大的爭執(zhí)，不同的小組拼裝出來的結(jié)構(gòu)不同，所得到方程式也不同。

猜想一：乙醇是兩個甲基通過氧原子連接的結(jié)構(gòu)，在反應(yīng)的過程中斷裂的是C-H鍵，1分子的乙醇可以產(chǎn)生3分子的氫氣，乙醇與氫氣之間的物質(zhì)的量之比為1：3?；瘜W(xué)方程式如下：

圖A

猜想二：乙醇是一個乙基和一個羥基所組成，在反應(yīng)的過程中斷裂的是O-H鍵，2分子的乙醇可以產(chǎn)生1分子的氫氣，乙醇與氫氣之間的物質(zhì)的量之比為2：1?；瘜W(xué)方程式如下：

圖B

猜想三：乙醇是一個乙基和一個羥基所組成，與猜想二不同的是在反應(yīng)的過程中斷裂的是C-H鍵，2分子的乙醇可以產(chǎn)生5分子的氫氣，乙醇與氫氣之間的物質(zhì)的量之比為2∶5。化學(xué)方程式如下：

那么，乙醇的結(jié)構(gòu)究竟是怎樣的，在反應(yīng)的過程中斷裂的是哪些化學(xué)鍵，而乙醇與鈉的反應(yīng)為什么比水的緩慢？

為了解決這些問題，讓學(xué)生設(shè)計實驗方案。同學(xué)們認(rèn)為可以利用傳統(tǒng)儀器通過排水法測定乙醇與鈉反應(yīng)所產(chǎn)生氫氣體積來確定乙醇的結(jié)構(gòu)。學(xué)生展示小組內(nèi)的實驗設(shè)計圖。教師給予評價。

展示在以前的課本和習(xí)題中利用傳統(tǒng)儀器設(shè)計的實驗裝置（詳見圖甲、圖乙）。

圖乙

在對其原理進(jìn)行了簡單的說明后，同學(xué)們感覺到，排水法裝置操作復(fù)雜，實驗誤差大。那么，可否使用手持技術(shù)來解決這個問題呢？

（3）討論實驗方案，選擇實驗儀器

展示學(xué)校所配備的手持技術(shù)實驗傳感器，同學(xué)們一致選擇了氣壓傳感器，認(rèn)為氣壓傳感器可以測定在密閉容器中反應(yīng)所產(chǎn)生氫氣的壓強(qiáng)，此時再給學(xué)生提供理想氣體狀態(tài)方程，明確氫氣的壓強(qiáng)和其物質(zhì)的量之間的關(guān)系。

（4）進(jìn)行實驗操作，得到曲線，計算結(jié)果得出乙醇與氫氣的物質(zhì)的量之比。

圖6 測定乙醇分子結(jié)構(gòu)實驗壓強(qiáng)變化曲線

表1 測定乙醇分子結(jié)構(gòu)實驗數(shù)據(jù)處理表

乙醇定量0.2mL，密度為ρ=0.7894 g/mL，室內(nèi)溫度為15℃，學(xué)生用水測法測燒瓶的體積V=360mL，取四次合理的實驗數(shù)據(jù)計算出氫氣產(chǎn)生壓強(qiáng)的平均值為9.385kPa，在課堂中，依據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算出來乙醇與氫氣之間的物質(zhì)的量之比約為2.43。在任紅艷老師等［1］所做的實驗中，計算出來的數(shù)據(jù)是2.05，本人做了多次實驗，發(fā)現(xiàn)利用本校所使用的手持技術(shù)傳感器，很難達(dá)到這個精確度。對于上述實驗數(shù)據(jù)，很多學(xué)生出現(xiàn)錯誤判斷，無法把結(jié)論和乙醇的真實結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，但是采用以下計算損失率的方式很好地解決了這個問題，學(xué)生輕松地得出了乙醇的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)原理。

乙醇用量是0.00343mol，學(xué)生通過實驗數(shù)據(jù)得到氫氣物質(zhì)的量為0.00141mol，如果反應(yīng)按照第一個化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行理論數(shù)據(jù)為n（H2）=0.01029mol，損失率為86.3%；如果按照第二個反應(yīng)過程進(jìn)行理論數(shù)據(jù)為n（H2）=0.001715mol，損失率為17.78%；如果按照第三個反應(yīng)過程進(jìn)行理論數(shù)據(jù)為n（H2）=0.008575mol，損失率為83.56%。學(xué)生親眼看到了這個反應(yīng)的進(jìn)行，大部分乙醇被鈉消耗，就算是因為加熱和放熱，乙醇易揮發(fā)等因素，損失率也不可能達(dá)到83%以上，因此很容易得出損失率在17.78%是合理的，進(jìn)而判斷出乙醇的構(gòu)型和反應(yīng)過程所斷裂的化學(xué)鍵。

（5）交流實驗結(jié)果，從宏觀描述到微觀辨析

此時所有的問題都迎刃而解，同學(xué)們爭先恐后地回答小組討論的結(jié)果。

學(xué)生1：依據(jù)實驗數(shù)據(jù)可以推出1 mol乙醇分子里有1 mol氫原子可以被取代，因此可以確定乙醇與鈉反應(yīng)斷裂的是O—H，而不是C—H鍵，乙醇的結(jié)構(gòu)為（Ⅰ）,而不是（Ⅱ），而乙醇之所以能像水一樣和鈉反應(yīng)是因為它和水的結(jié)構(gòu)類似都存在羥基。

學(xué)生2：乙醇與鈉的反應(yīng)比水緩慢是由結(jié)構(gòu)所決定的，乙醇的羥基直接連接的是烷基，正因為烷基的存在，導(dǎo)致氫氧鍵活性減弱。

最后讓學(xué)生分析，我們使用數(shù)字化儀器，為什么還會產(chǎn)生實驗誤差？

學(xué)生3：由于乙醇與鈉的反應(yīng)是一個放熱反應(yīng)，而乙醇容易揮發(fā)，因此誤差不可避免。為了減少誤差，我們必須等到反應(yīng)結(jié)束，燒瓶完全冷卻以后再分析數(shù)據(jù)。

三、本教學(xué)設(shè)計的特點與教學(xué)反思

1.對本數(shù)字化實驗的反思

本節(jié)課在課堂中使用數(shù)字化儀器仍然出現(xiàn)了誤差較大的問題，其主要原因是因為本來反應(yīng)使用的乙醇量就很少（只有0.2mL），而此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，且在反應(yīng)的過程中有加熱操作，反應(yīng)所得到的乙醇鈉會消耗附著一定的乙醇（互溶），所以乙醇的損失是不可忽略的，因此，雖然傳感器的靈敏度高，最后得到的數(shù)據(jù)也是有誤差的。由此，給予我們的啟示是，真實的定量實驗對反應(yīng)條件的控制要求極高，而且一定會出現(xiàn)誤差，如何合理減小誤差本身就是實驗探究的一個重要部分。

利用壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行乙醇和鈉反應(yīng)的定量實驗對學(xué)生來說是一個很好的體驗，明顯提高了學(xué)生的積極性，由于氣壓傳感器能實時準(zhǔn)確地展現(xiàn)壓強(qiáng)的變化，給學(xué)生一種感受現(xiàn)代化技術(shù)的強(qiáng)烈沖擊，而且通過實驗定量分析有機(jī)物的教學(xué)過程，顛覆了一向填鴨式的教學(xué)方式，因此學(xué)生也表現(xiàn)出了極大的興趣，并思考相應(yīng)的問題。比如在課堂中我們只做了一組實驗，其它數(shù)據(jù)都是老師課前做實驗所得的數(shù)據(jù)，在沒有計算出合理的結(jié)果時，就有學(xué)生有這樣的疑問，是不是因為老師做實驗時和本節(jié)課上課時的溫度是不同的，導(dǎo)致實驗誤差，這說明此實驗的進(jìn)行觸發(fā)了學(xué)生新的思考。學(xué)生通過整個教學(xué)課堂初步體驗科學(xué)家探索物質(zhì)世界的過程，通過操作、思考、討論、分析誤差等活動拓展學(xué)生的視野，增強(qiáng)學(xué)生分析問題的能力，特別有利于學(xué)生進(jìn)行探索式學(xué)習(xí)。

2.利用數(shù)字化實驗幫助學(xué)生形成四重表征

數(shù)字化實驗通過先進(jìn)的實驗設(shè)備實時、直觀性地展現(xiàn)在化學(xué)變化的過程中有關(guān)數(shù)據(jù)的變化，可以完成從定性到定量雙重的實驗指標(biāo)。在實驗探究過程中，學(xué)生通過對一系列宏觀現(xiàn)象以及數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的分析，在“宏觀—微觀—符號—曲線”之間建立聯(lián)系，在心理上形成了化學(xué)學(xué)習(xí)的獨特的四重表征。

3.將定性實驗與定量實驗結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識和推理能力

化學(xué)的定性實驗是研究物質(zhì)包含哪些成分和性質(zhì)，化學(xué)的定量實驗是測定物質(zhì)所含各種成分的數(shù)量，從定性到定量，反映的是從現(xiàn)象到本質(zhì)的規(guī)律，是科學(xué)發(fā)展的必然?？梢哉f，沒有對化學(xué)實驗的定量研究就沒有化學(xué)科學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展，因此重視和加強(qiáng)定量意識的教學(xué)很有必要。本節(jié)課從定性實驗到定量實驗的探究，不僅能提高學(xué)生的定量意識，而且能加強(qiáng)學(xué)生獲取證據(jù)、基于證據(jù)推理的意識和能力。在探究過程中，鼓勵學(xué)生從問題和假設(shè)出發(fā)，確定探究目的、設(shè)計探究方案，通過觀察、實驗收集證據(jù)，并基于事實和證據(jù)來推測、確定乙醇的結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生充分認(rèn)識證據(jù)在探究中的重要性。

4.實驗教學(xué)的設(shè)計與創(chuàng)新，促進(jìn)教師自身的專業(yè)化成長

實驗是化學(xué)的靈魂，而實驗的核心是設(shè)計最合理的實驗方案。不僅學(xué)生需要在探究中成長，教師更要促進(jìn)自身的專業(yè)化成長。教師應(yīng)充分利用身邊的教學(xué)資源，從傳統(tǒng)實驗儀器、微型實驗儀器、手持技術(shù)儀器中尋找合適的儀器和操作，讓化學(xué)實驗教學(xué)更簡約、更易操作、現(xiàn)象更明顯、課堂教學(xué)更高效。而在設(shè)計、改進(jìn)實驗教學(xué)的過程中，如何引導(dǎo)學(xué)生利用實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)得出正確結(jié)論，引導(dǎo)學(xué)生采用不同的方式去解決問題，老師也經(jīng)歷了深思熟慮的過程，提升了自身探究科學(xué)本質(zhì)的能力。

［1］ 任紅艷，洪湘瓊.利用手持技術(shù)改進(jìn)測定乙醇分子結(jié)構(gòu)實驗［J］.化學(xué)教育，2010（4）：71

［2］ 凌崇忠，劉觀贊.乙醇與鈉反應(yīng)實驗的簡易安全設(shè)計［J］.化學(xué)教育,2010（7）:66

［3］ 馬宏佳，汪學(xué)英主編.化學(xué)教學(xué)論［M］，南京：南京大學(xué)出版社，2014（7）：168

1008-0546（2017）10-0080-05

G633.8

B

10.3969/j.issn.1008-0546.2017.10.026