基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提升的數(shù)字化實驗課堂教學(xué)

白靜珠 胡天保

摘要：結(jié)合教學(xué)實例，對數(shù)字化實驗在發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)方面的優(yōu)勢作了詳細(xì)分析，給出了運用數(shù)字化實驗技術(shù)培育學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的方法和途徑，并指出今后化學(xué)課堂開展數(shù)字化實驗需要努力的方向。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);數(shù)字化實驗;課堂教學(xué)

文章編號：1008-0546（2020）04-0079-05

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2020.04.020

新課程改革和高考綜合改革緊鑼密鼓地進(jìn)行著，作為一名高中化學(xué)教師一項緊迫的任務(wù)就是學(xué)習(xí)和研究《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》。該課標(biāo)提出一個重要的觀點就是培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是指學(xué)生通過化學(xué)學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價值觀念，它是學(xué)生用其所學(xué)知識、方法、思想、觀念，解決真實復(fù)雜的問題情境而表現(xiàn)出來的關(guān)鍵能力和必備品格，是學(xué)生綜合素質(zhì)的體現(xiàn)?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括5大維度，即“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)探究和創(chuàng)新意識”及“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”[1]。本文以蘇教版《化學(xué)反應(yīng)原理》選修模塊專題3第一單元“弱電解質(zhì)的電離平衡”的第3課時——“常見的弱電解質(zhì)”為例，從化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)為基本出發(fā)點，談?wù)勗趯嶋H教學(xué)中筆者的具體做法。

一、教學(xué)過程設(shè)計

1.設(shè)計思路

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，對“弱電解質(zhì)的電離平衡”的內(nèi)容要求為：認(rèn)識弱電解質(zhì)在水溶液中存在電離平衡，了解電離平衡常數(shù)的含義。認(rèn)識水的電離，了解水的離子積常數(shù)。具體的學(xué)業(yè)要求為：（l）能用化學(xué)用語正確表示水溶液中的離子反應(yīng)與平衡，能通過實驗證明水溶液中存在的離子平衡，能舉例說明離子反應(yīng)與平衡在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。（2）能從電離、離子反應(yīng)、化學(xué)平衡的角度分析溶液的性質(zhì)，如酸堿性、導(dǎo)電性等。

筆者在設(shè)計“常見的弱電解質(zhì)”這一節(jié)課時安排兩條線，一條線主講醋酸這種一般代表性的弱電解質(zhì)，另一條線講水這一種特殊的弱電解質(zhì)。學(xué)生在學(xué)習(xí)醋酸電離平衡的基礎(chǔ)上，建構(gòu)了一般弱電解質(zhì)電離平衡}人知模型，運用模型類比方法學(xué)習(xí)特殊的弱電解質(zhì)水。將一般弱電解質(zhì)電離平衡的核心概念和本質(zhì)特征遷移到水，加深對核心知識點內(nèi)涵的理解，發(fā)展學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的關(guān)鍵能力，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

上一節(jié)課的主要內(nèi)容是以醋酸為例介紹了弱電解質(zhì)中存在電離平衡，引出了電離平衡常數(shù)這個概念，緊接之前，本節(jié)課主要來探究影響弱電解質(zhì)電離平衡的因素。傳統(tǒng)教學(xué)中注重理論對影響因素的分析，比較枯燥，學(xué)生也較難理解。本節(jié)課設(shè)計的一個亮點就是借助數(shù)字化實驗技術(shù)探究影響電離平衡的外界因素，將實驗和理論相結(jié)合，將化學(xué)探究轉(zhuǎn)化為直觀的、可監(jiān)測的符號，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得出所需結(jié)論。數(shù)字化實驗有利于學(xué)生將有限的時間投入到高階段思維的學(xué)習(xí)活動中，有效發(fā)展化學(xué)學(xué)科思維，提高科學(xué)探究能力。

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，特別強(qiáng)調(diào)課程設(shè)計要增加創(chuàng)設(shè)真實的情境素材，突出核心知識的應(yīng)用價值。因此筆者精心設(shè)計幾個生活問題情境，比如“被蜜蜂或黃蜂叮咬后，處理的方法卻不同，應(yīng)如何用家庭常用的物質(zhì)加以處理？”再如“自然界的水中含有一些電解質(zhì)，那么在使用電器過程中應(yīng)注意哪些事項？”增加這些真實情境，促使學(xué)生對學(xué)習(xí)化學(xué)產(chǎn)生濃厚的興趣，教會學(xué)生學(xué)以致用，利用化學(xué)核心知識解決生活實際問題。

2.學(xué)情分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，已經(jīng)學(xué)過化學(xué)平衡以及影響因素，而且對影響化學(xué)平衡的外界條件（濃度、壓強(qiáng)、溫度等）是非常清楚的，但水溶液中的平衡體系與化學(xué)平衡還是有所區(qū)別。從問卷前測的結(jié)果看，學(xué)生在“濃度對化學(xué)平衡的影響”知識點的理解上存在障礙，獨立設(shè)計實驗探究化學(xué)平衡移動的能力不強(qiáng)，個別同學(xué)甚至對影響化學(xué)平衡常數(shù)的因素模糊不清。從前測的結(jié)果能反映出學(xué)生的認(rèn)知現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為，只有從學(xué)生的認(rèn)知現(xiàn)狀作為出發(fā)點，認(rèn)真設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)突破知識難點，才能有助于教學(xué)目標(biāo)的高效落實。本節(jié)課教學(xué)過程中特別需要突破兩點認(rèn)知障礙，第一：溫度對電離平衡的影響和溫度與Kw的關(guān)系;第二：濃度對弱電解質(zhì)電離平衡移動的影響和濃度對電離程度的影響兩者的區(qū)別?；谝陨蟽牲c，筆者通過一系列基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的活動，達(dá)到較好的學(xué)習(xí)效果。

3.學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）運用數(shù)字化實驗技術(shù)對比探究非電解質(zhì)（乙醇）、弱電解質(zhì)（O.lmol/L醋酸）、水、強(qiáng)電解質(zhì)（氯化鈉溶液）的電導(dǎo)率。通過弱電解質(zhì)（O.lmol/L醋酸）的電離平衡，理解水是一種極弱的電解質(zhì)，并能用化學(xué)用語正確表示水的電離方程式。（宏觀辨識與微觀探析、符號表征、證據(jù)推理）

（2）借助醋酸的電離平衡認(rèn)知模型，形成分析思路，推導(dǎo)出水的離子積常數(shù)。（證據(jù)推理和模型認(rèn)知）

（3）運用數(shù)字化實驗技術(shù)探究溫度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響，特別是常溫時（25℃），水的離子積常數(shù)是Kw=10_-14。（變化觀念和平衡思想）

（4）設(shè)計實驗探究濃度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。（科學(xué)探究和創(chuàng)新意識、變化觀念和平衡思想）

（5）探究同離子效應(yīng)對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。（科學(xué)探究和創(chuàng)新意識、證據(jù)推理和模型認(rèn)知、變化觀念和平衡思想）

（6）應(yīng)用化學(xué)核心知識解決真實情境問題。（科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任）

4.學(xué)習(xí)重難點

（1）理解水是一種極弱的電解質(zhì)，借助醋酸的電離平衡認(rèn)知模型，形成分析思路，推導(dǎo)出水的離子積常數(shù)。

（2）運用數(shù)字化實驗技術(shù)探究外界條件對弱電解質(zhì)電離平衡的影響，并會用平衡思想解釋原因。

5.藥品和儀器

藥品：O.lmol/L醋酸、無水乙醇、蒸餾水、氯化鈉固體

儀器：電導(dǎo)率傳感器、pH傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、磁力攪拌棒、pH計等

6.教學(xué)環(huán)節(jié)

【教學(xué)環(huán)節(jié)一】設(shè)計數(shù)字化實驗證明水是一種極弱的電解質(zhì)。與醋酸相似，水分子相互作用發(fā)生電離，存在電離平衡。

活動1：展示實驗所需儀器（圖1）及有關(guān)電導(dǎo)率的信息卡片。信息卡：電導(dǎo)率能表示物質(zhì)的導(dǎo)電性能。電導(dǎo)率越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng)，自由移動的離子濃度越大。

觀察并比較乙醇（圖2）、O.lmol/L醋酸（圖3）及水（圖4）三者的電導(dǎo)率數(shù)值，并向水中加入少量氯化鈉固體（圖5），觀察電導(dǎo)率的變化曲線。

活動2：寫出醋酸和水的電離方程式。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)無水乙醇的電導(dǎo)率為OμS/cm，O.lmol/L醋酸的電導(dǎo)率約為100.0μS/cm，水的導(dǎo)電率約為6.OμS/cm，水中加入少量氯化鈉固體后電導(dǎo)率升值4700μS/cm，從而得出水是一種極弱的電解質(zhì)。借助數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)微觀世界可視化，加深對知識點的理解，學(xué)生對醋酸和水的電離用方程式表征出來，促進(jìn)形成宏觀、微觀、符號三重表征的化學(xué)科學(xué)思維方式。

【教學(xué)環(huán)節(jié)二】借助醋酸的電離平衡認(rèn)知模型，形成分析思路，推導(dǎo)出水的離子積常數(shù)。

活動：在一般弱電解質(zhì)電離平衡認(rèn)知基礎(chǔ)上，寫出水的電離平衡常數(shù)表達(dá)式。

K=c（H₊）c（OH_-）/C（H²0）

分析表達(dá)式，因為水的電離程度很小，所以當(dāng)水作為研究對象時，濃度視為定值。c（H₊）xc（OH_-）是一個新的常數(shù)，用K^w表示，稱為水的離子積常數(shù)。

設(shè)計意圖：模型認(rèn)知是課程標(biāo)準(zhǔn)中的學(xué)科核心素養(yǎng)之一。借助弱電解質(zhì)電離平衡模型，理解水的電離平衡，用符號表征水的電離平衡常數(shù)。經(jīng)過師生共同分析推理，最終得出水的離子積常數(shù)。在此環(huán)節(jié)中采用一般到特殊，普遍到個別的辯證思想，符合學(xué)生的認(rèn)識規(guī)律，能夠幫助學(xué)生發(fā)展邏輯推理能力。

【教學(xué)環(huán)節(jié)三】運用數(shù)字化技術(shù)探究溫度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。

活動1：將溫度傳感器和pH傳感器的電極同時放入O.lmol/L醋酸，打開磁力攪拌器加熱功能，待一段時間后停止加熱，系統(tǒng)呈現(xiàn)變化曲線（圖6）;將兩電極洗凈擦干后放入純水中采取相同操作，溫度加熱至IOOoC停止加熱，系統(tǒng)呈現(xiàn)變化曲線（圖7）。

觀察O.lmol/L醋酸、純水的pH值隨溫度變化的趨勢。

活動2：以醋酸為例，運用平衡移動原理解釋說明溫度升高對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。

學(xué)生分析：醋酸溶液的pH值隨著溫度的升高呈現(xiàn)減小的趨勢，其酸性增強(qiáng)。說明醋酸的電離平衡受溫度的影響，溫度升高促進(jìn)了醋酸的電離。由此推知弱電解質(zhì)的電離是吸熱過程。

活動3：關(guān)注25℃以及10O℃時純水的pH值，總結(jié)水的離子積K^w與溫度的關(guān)系。

學(xué)生分析：25℃時，純水的pH為7;1OO℃時，純水的pH約為6。根據(jù)K^w=c（HK₊）×c（OH_-）可知，溫度升高，促進(jìn)水的電離，pH減小，Kw增大，純水仍呈中性。25C，水的離子積常數(shù)是K^w=10_-14（此結(jié)論也適用于任何稀的水溶液）。

設(shè)計意圖：在原理教學(xué)時采用醋酸電離實例得到弱電解質(zhì)電離一般規(guī)律性結(jié)論，再經(jīng)過演繹法進(jìn)行推理分析，得出水的電離平衡的特點。緊接著驗證性完成純水的pH值隨溫度變化實驗，關(guān)注25℃和100℃時純水的pH值這兩個特殊點。學(xué)生水到渠成得出純水溫度升高，pH減小，K^w增大。由于水電離時H₊和OH_-是等量電離出來，所以純水仍呈中性。本環(huán)節(jié)設(shè)計實驗得出結(jié)論更直觀，更具有說服力，從而加深對過程本質(zhì)的認(rèn)識。

【教學(xué)環(huán)節(jié)四】設(shè)計實驗探究濃度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。

活動1：將pH傳感器的電極放入O.lmol/L醋酸，加水稀釋，系統(tǒng)呈現(xiàn)曲線（圖8）。

觀察O.lmol/L醋酸加水稀釋過程pH值隨時間變化的曲線，解釋溶液中各離子濃度的變化。

學(xué)生分析：O.lmol/L醋酸溶液隨著蒸餾水不斷加入，其pH值越來越大，酸性變?nèi)酰琧（H₊）變小，c（CH³COO_-）變小，因為K^w不變，所以c（OH_-）變大。

活動2：提供O.lmol/L醋酸、O.lmol/L鹽酸、蒸餾水及pH計，探究濃度對醋酸電離平衡的影響（圖9，表1）。

學(xué)生實驗：用pH計分別測定O.lmol/L醋酸和O.lmol/L鹽酸的pH值，然后用移液管各取lO.OOmLO.lmol/L醋酸和O.lmol/L鹽酸，轉(zhuǎn)移至lOOmL容量瓶中，加水稀釋至刻度線，取出適量再測定它們的pH值。

學(xué)生分析：通過鹽酸和醋酸溶液分別稀釋10倍其pH變化，可看出鹽酸pH變化增加了1，若醋酸電離平衡不移動，稀釋10倍其pH應(yīng)該增加到3.85，而測出值為3.24，pH的變化相比鹽酸較小，可以說明隨著醋酸的稀釋，促進(jìn)了醋酸的電離[2]。

結(jié)論：弱電解質(zhì)濃度越小，電離程度越大。

設(shè)計意圖：濃度對弱電解質(zhì)電離平衡的影響是本節(jié)教學(xué)的一個難點，傳統(tǒng)教學(xué)中一般利用理論來解釋分析，因為是微觀粒子比較抽象，解釋起來費時費力。其中學(xué)生很難理解的是：為什么濃度越小，醋酸的pH越大，酸性減弱，其電離程度卻是增大的。本活動環(huán)節(jié)提供合適的藥品和試劑，讓學(xué)生小組討論設(shè)計出實驗方案，通過數(shù)字化實驗技術(shù)實時得出客觀數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了宏觀體驗，并引導(dǎo)學(xué)生通過鹽酸和醋酸稀釋過程中pH數(shù)據(jù)的分析，逐步構(gòu)建濃度對醋酸電離平衡的影響，從而促進(jìn)學(xué)生宏觀辨識和微觀探析、科學(xué)探究和創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)的發(fā)展。

【教學(xué)環(huán)節(jié)五】探究同離子效應(yīng)對弱電解質(zhì)電離平衡的影響。

活動1：設(shè)計實驗，探究同離子效應(yīng)對醋酸電離平衡的影響。

學(xué)生分析：根據(jù)電離方程式CH³COOH CH³COO_-+H₊，可以采用增加醋酸根離子濃度，測溶液pH的方法探究同離子效應(yīng)對醋酸電離平衡的影響。

老師提供藥品是醋酸銨固體，告知醋酸銨固體溶于水呈中性。

學(xué)生實驗：用pH計測定O.lmol/L醋酸的pH值，向其中加入少量醋酸銨固體，充分?jǐn)嚢?，再用pH計測定pH值。

實驗數(shù)據(jù)：第一次所測得pH值為2.85，加入少量醋酸銨固體后所測得pH值為2.96。

學(xué)生分析：由于醋酸銨溶液呈中性，排除了自身

c（H₊）=10_-13mol/L.

由水電離出的H+濃度=10_-13mol/L，

由水電離出的OH_-濃度=10_-13mol/L。

綜上可知，相同濃度的酸或堿溶液對水的電離具有同等程度的抑制作用。

設(shè)計意圖：此環(huán)節(jié)巧妙地使用醋酸銨這種固體銨鹽，通過信息告知學(xué)生它的水溶液呈中性，啟迪學(xué)生設(shè)計實驗時，需發(fā)散思維，從多角度思考所用藥品是否對平衡產(chǎn)生其他影響。從上探究實驗中得出同離子效應(yīng)對弱電解質(zhì)電離平衡的影響，接著用水替換醋酸，進(jìn)一步檢測學(xué)生對同離子效應(yīng)的理解和掌握程度。然而課堂并沒有停留在知識的直接使用上，再次設(shè)計深度問題，請同學(xué)們思考相同濃度的酸和堿溶液對水的電離平衡的影響程度，深化對水的電離過程的認(rèn)識。學(xué)生需綜合運用水的離子積常數(shù)，通過分析比較、知識遷移等高級思維活動，主動參與到知識建構(gòu)中，從本質(zhì)上促進(jìn)了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

【教學(xué)環(huán)節(jié)六】應(yīng)用化學(xué)核心知識解決真實情境問題。

活動1：交流討論：被蜜蜂或黃蜂叮咬后，都會感覺非常疼痛，但處理的方法卻不同，這是因為蜜蜂分泌物中含有的是一種弱酸性物質(zhì)，而黃蜂分泌物中含有的是一種弱堿性物質(zhì)，請思考當(dāng)被蜜蜂或黃蜂叮咬后應(yīng)如何用家庭常用的物質(zhì)加以處理？

活動2：交流討論：自然界的水中含有一些電解質(zhì)，不是真正的純水，它的導(dǎo)電能力比較強(qiáng)，那么在使用電器過程中當(dāng)注意哪些事項？

設(shè)計意圖：化學(xué)反應(yīng)原理理論性強(qiáng)，在教學(xué)中容易陷入理論到理論的教學(xué)誤區(qū)，導(dǎo)致學(xué)生喪失學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。所以，在本節(jié)課的最后環(huán)節(jié)精心設(shè)計生活問題情境，通過學(xué)生交流討論，小組代表發(fā)言，與生活實際聯(lián)系起來，體現(xiàn)出核心素養(yǎng)教學(xué)中重視真實任務(wù)情境、強(qiáng)調(diào)知識應(yīng)用的特點。

二、教學(xué)反思

本節(jié)課是一個借助數(shù)字化實驗技術(shù)，以學(xué)習(xí)活動連接核心知識點與具體知識點，通過精心設(shè)計的教學(xué)課程。使學(xué)生在觀察比較、模型建構(gòu)、探究合作、討論分析的過程中建構(gòu)化學(xué)基本觀念，發(fā)展了學(xué)生“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”等方面的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。事實上，單單一堂課是不可能承載化學(xué)核心素養(yǎng)方方面面的培養(yǎng)。但至少啟迪教師在課堂設(shè)計上要以幫助學(xué)生形成未來發(fā)展需要的關(guān)鍵能力和必備品格為出發(fā)點，追求能更多的體現(xiàn)化學(xué)核心價值觀。

隨著信息技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字化實驗技術(shù)被越來越廣泛地使用到教學(xué)活動中。數(shù)字化實驗以其直觀、精準(zhǔn)、多樣的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，彌補了傳統(tǒng)實驗在化學(xué)平衡這一塊的短板。特別是數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)了定性走向定量，感性認(rèn)識到理性認(rèn)識的飛躍，它已經(jīng)在高中化學(xué)實驗中占據(jù)了不可或缺的地位[4]。我們的學(xué)生，作為新時代的主力軍，必須盡早掌握數(shù)字化實驗技能才能適應(yīng)時代的浪潮。因此，我?；瘜W(xué)組也正將把數(shù)學(xué)化實驗分階段、有計劃地納入教材體系，以此推動該項實驗技術(shù)的成熟發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018

[2] 肖宏偉.“素養(yǎng)為本”的化學(xué)教學(xué)設(shè)計與實施初探——以“鹽類的水解”為例[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（5）：19-22

[3]楊伏勇.數(shù)字化實驗技術(shù)應(yīng)用于《弱電解質(zhì)電離平衡的影響因素》的教學(xué)研究[J].考試周報，2015（72）：139，122

[4] 陸大勇.在化學(xué)教學(xué)中優(yōu)化整合傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗[J].化學(xué)教與學(xué)，2018（12）：3-5