數(shù)字化實(shí)驗(yàn)“宏、微、符、曲”四重表征在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的重要性

魯銀芳

2018年9月，筆者有幸參加了重慶市高中化學(xué)市級(jí)骨干教師培養(yǎng)對(duì)象的培訓(xùn)，并聆聽到了專家的兩個(gè)講座——數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用和基于核心素養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué).第一次系統(tǒng)、全面地了解了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中的重要應(yīng)用，以及數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的宏、微、符、曲四重表征在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的重要呈現(xiàn)，這對(duì)于教育比較薄弱的西南地區(qū)的老師來講真是大開眼界，受益匪淺.在高中化學(xué)教學(xué)過程中，要重視實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué).新課程改革的其中一個(gè)目標(biāo)就是教育信息化.教育信息化從本質(zhì)上講是使教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式、教學(xué)模式、信息的獲取方式以及教學(xué)內(nèi)容體系和學(xué)校管理模式等發(fā)生本質(zhì)的改變，從而達(dá)到在信息化環(huán)境中的新平衡.在新課改、新高考的背景下，知識(shí)只是解題的工具，核心素養(yǎng)才是終極目標(biāo)，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的工具之一，顯得尤為重要.

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)曾經(jīng)被稱為手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)、傳感器實(shí)驗(yàn)、DIS實(shí)驗(yàn)等，主要指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)（含配套軟件）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并能采集和處理各種數(shù)據(jù)，并以圖、表、數(shù)字等顯示的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng).這種系統(tǒng)可以將實(shí)驗(yàn)手段數(shù)字化，現(xiàn)象規(guī)律可視化，測(cè)量呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化，操作測(cè)量簡(jiǎn)單化.

二、化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)再解讀

1.五個(gè)核心素養(yǎng)內(nèi)涵.

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包含了五個(gè)方面：宏觀辨識(shí)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)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任，綜合體現(xiàn)了化學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度等內(nèi)容，目的是培養(yǎng)出有人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神、能學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)、能健康生活、有責(zé)任擔(dān)當(dāng)、能實(shí)踐創(chuàng)新的新一代學(xué)生.

2.化學(xué)觀念之宏觀辨識(shí)與微觀探析.

新課標(biāo)明確提出，學(xué)生能從不同層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)的多樣性并進(jìn)行分類，能從原子、分子等水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念，能從宏微結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題.

3.科學(xué)思維之證據(jù)推理與模型認(rèn)知.

讓學(xué)生具有證據(jù)意識(shí)，能夠提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立它們之間的邏輯關(guān)系;知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的特征、要素及其內(nèi)部聯(lián)系，建立認(rèn)知模型，并能加以運(yùn)用，解釋各種化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律.

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)四重表征在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

教學(xué)中的實(shí)例

筆者參加重慶市高中化學(xué)市級(jí)骨干教師培養(yǎng)對(duì)象的培訓(xùn)時(shí)，恰恰聽到了北培區(qū)一名教師的關(guān)于“弱電解質(zhì)的電離”的優(yōu)質(zhì)課，授課教師將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入到了自己的教學(xué)當(dāng)中，完美地詮釋了化學(xué)學(xué)科核心素中宏觀、微觀、符號(hào)、曲線多重表征在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.部分主體教學(xué)設(shè)計(jì)如下.

1.活動(dòng)一：探究相同濃度鹽酸和醋酸酸性的強(qiáng)弱.

【教材40頁】鹽酸與醋酸電離有差別.

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)】證明二者在水中電離的差別.

【溫馨提示】控制變量法對(duì)比實(shí)驗(yàn).

【用事實(shí)證明之一】比較二者與Mg反應(yīng)的劇烈程度：

醋酸為弱電解質(zhì)，部分電離

分析醋酸溶液中的微粒種類

CH3COOHH++CHCOO-

【用事實(shí)證明之二】比較二者的pH.

請(qǐng)從電解質(zhì)電離角度分析為何會(huì)造成這種差異.

【結(jié)論】電解質(zhì)有強(qiáng)弱之分.

評(píng)析：授課教師在“事實(shí)證明之二”中用到了pH傳感器，將pH值轉(zhuǎn)化為宏觀可以量化的數(shù)據(jù).作為證據(jù)，讓學(xué)生對(duì)于相同濃度的鹽酸和醋酸酸性的強(qiáng)弱有一個(gè)直觀地感受和認(rèn)識(shí).

2.活動(dòng)二：探究鹽酸和醋酸的電離過程是否可逆.

【猜測(cè)1】醋酸的電離可能是可逆過程.

【猜測(cè)2】鹽酸的電離可能也是可逆過程.

前面兩個(gè)實(shí)驗(yàn)我們有證明HCl完全電離嗎？

僅證明電離程度：HCl>CH3COOH，并未證明HCl電離是否為完全電離

HCl和CH3COOH除電離程度不同外，電離過程又有什么不同？

【驗(yàn)證】尋找證據(jù)

【猜想1】CH3COOHH++CH3COO-

【猜想2】HClH++Cl-

【溫馨提示】化學(xué)平衡受外界條件（壓強(qiáng)、溫度、濃度）的影響.

【設(shè)計(jì)方案】改變什么→理論→現(xiàn)象如何→證明猜想

【用事實(shí)證明之三】驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：

①應(yīng)用pH傳感器測(cè)定鹽酸中加入固體NaCl后的pH變化曲線.

②應(yīng)用pH傳感器測(cè)定醋酸中加入固體CH3COONH4后的pH變化曲線.

通過曲線對(duì)比，結(jié)合平衡移動(dòng)原理知識(shí)，從宏觀（pH的變化）到微觀（H+濃度變化）的本質(zhì)原因進(jìn)行分析，得出猜想結(jié)論.

評(píng)析：授課教師在“用事實(shí)證明之三”中同樣用到了pH傳感器對(duì)兩個(gè)猜想進(jìn)行了驗(yàn)證，將微觀不可見的電離過程轉(zhuǎn)化為宏觀可見的曲線，這樣更能讓學(xué)生理解到鹽酸是強(qiáng)酸，電離過程是不可逆的，而醋酸是弱酸，其電離過程是可逆的.

3.活動(dòng)三：小結(jié).

【小結(jié)】

評(píng)析：本堂課的所有實(shí)驗(yàn)幾乎都是用pH傳感器來完成的，宏觀、微觀、符號(hào)、曲線的多重表征很好地詮釋了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的理念.

在新課改、新高考的背景下，核心素養(yǎng)是老師和學(xué)生的終極目標(biāo)，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則能將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的宏觀、微觀、符號(hào)、曲線的多重表征完美地體現(xiàn)出來，此外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)還能更新學(xué)生的化學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，優(yōu)化學(xué)生認(rèn)知方式，創(chuàng)新教師教學(xué)模式.因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)“宏、微、符、曲”在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的重要性是不言而喻的.