構建知識體系培養(yǎng)學科思維

徐珂 陳建剛 王海燕

摘要：教學體系包含知識、能力與思維三大要素，化學學科思維培養(yǎng)對學生綜合素養(yǎng)具有重要意義。通過現(xiàn)代數(shù)字化實驗設備兼創(chuàng)新實驗，教師重在引導，學生自主探究，構建嚴謹?shù)腘a2O2與H20及CO2反應實質知識體系并培養(yǎng)學生學科思維。巧用數(shù)字化實驗設備，以直觀結果呈現(xiàn)：Na2O2與H2O反應實質歷經(jīng)中間產(chǎn)物H2O2，H2O2分解生成O2和H2O。干燥的CO2不與Na2O2反應，含水蒸氣體系CO2與Na2O2反應生成碳酸鹽和氧氣。通過實驗過程體會科學探究方法，培養(yǎng)化學學科探究思維。

關鍵詞：過氧化鈉;水;二氧化碳;數(shù)字化探究;學科思維

文章編號：1008-0546（ 2021）01-0078-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.021

教學中知識的傳授與思維的培養(yǎng)密不可分。著名的化學家戴安邦先生曾經(jīng)指出“只傳授化學知識和技術的化學教育是片面的，全面的化學教學要求既傳授化學知識和技能，又訓練科學方法和思維”。思維是認知的核心與關鍵[1]。對于Na2O2與H22及CO2的反應多數(shù)學生僅停留在思維記憶式方程式書寫及簡單應用，對于反應過程及微觀實質未做深入思考，根據(jù)所倡導的素質化教育，設計思維衍生式，包含知識推理過程實驗，從實驗探究角度認知過氧化鈉并培養(yǎng)化學學科思維模式，對學科素養(yǎng)的形成具有一定的積極意義。Na2O2與H2O反應的實驗教學設計教材采用向裝有Na2O2的試管中滴入水并用帶火星的木條進行產(chǎn)物驗證。Na2O2與CO2的反應教材未設置實驗。在實際教學中，有采用滴水生火以及吹氣生火實驗，即用脫脂棉包裹Na2O2進行滴水或吹氣，引發(fā)脫脂棉燃燒，從燃燒三要素推測反應放熱并生成氧氣[2-4]。數(shù)字化實驗是當今數(shù)字化時代重要科技產(chǎn)物[5]，以計算機為平臺，在教學中引進傳感技術[6]，實驗過程可視化，以曲線和數(shù)據(jù)科學直觀呈現(xiàn)實驗結果[7]。本探究結合數(shù)字化實驗設備以及組裝創(chuàng)新實驗對Na2O2與H2O及CO2反應實質設計創(chuàng)新實驗，反應過程直觀呈現(xiàn)，并根據(jù)結果及現(xiàn)象進一步探究推理反應實質。創(chuàng)新實驗探究水蒸氣對Na2O2與CO2實驗的影響。符合新課改提倡引導學生主動參與探索和學習，全面提升科學素養(yǎng)[8]，發(fā)揮數(shù)字化實驗在教學中的積極作用。本文實驗設計，順應學生認知思維過程，引導通過實驗由表及里全面認知Na2O2與水及CO2的反應，同時培養(yǎng)學科探究思維與方法。

一、Na2O2與H2O的反應

1.實驗設計思路

利用溫度傳感器及氧氣傳感器對反應體系溫度及氧氣濃度變化進行全過程在線監(jiān)測。實驗載體選用有機合成中常用儀器三口燒瓶，一是多頸有利于連接不同傳感器探頭，同時玻璃儀器可視實驗發(fā)生現(xiàn)象。通過觀察燒瓶內(nèi)部Na2O2與水反應實驗現(xiàn)象，為下一步反應實質探究設疑（向Na2O2固體中加入含有酚酞的水，出現(xiàn)先變紅再褪色的實驗現(xiàn)象）。采用恒壓滴液漏斗向實驗裝置內(nèi)加入一定體積的水，整個體系保持在一個相對密封的環(huán)境中。因實驗數(shù)據(jù)采集時間較短，從實驗數(shù)據(jù)上可明顯觀察到溫度的急速上升，因此忽略短時間內(nèi)體系向環(huán)境散熱的熱量損失。實驗裝置圖附圖1。

2.實驗過程及結果

如圖1組裝實驗裝置，向裝有2.0gNa2O2固體的三口燒瓶中注入15mL含有酚酞的水。點擊電腦軟件“開始”記錄過程采集數(shù)據(jù)。變化包括兩方面，一是電腦軟件上數(shù)據(jù)（氧氣濃度及溫度）變化趨勢，二是燒瓶內(nèi)反應現(xiàn)象（變紅再褪色）。變化一，可以看到實驗數(shù)據(jù)走向（圖2），反應引發(fā)后，反應產(chǎn)生氧氣，隨著氧氣在三口燒瓶內(nèi)的擴散，氧氣傳感器檢測結果表明氧氣濃度逐漸增大。溫度傳感器檢測體系溫度迅速上升，且器壁發(fā)熱。溫度傳感器探頭與反應物相接觸，反應引發(fā)溫度迅速上升，隨著采集時間的增長，Na2O2反應完，體系向環(huán)境散熱，因此溫度開始下降。實驗以數(shù)據(jù)說明Na2O2與水反應生成氧氣同時放出大量熱量。

變化二，三口燒瓶內(nèi)出現(xiàn)先變紅再褪色的實驗現(xiàn)象。做出實驗猜想并驗證表1。

經(jīng)驗證高濃度氫氧化鈉及過氧化氫溶液會使得含有酚酞的水溶液出現(xiàn)先變紅后褪色的實驗現(xiàn)象。那么Na2O2與水反應過程中是否有過氧化氫產(chǎn)生呢？根據(jù)過氧化氫的性質，受熱促進分解以及典型的加人催化劑二氧化錳促進分解設計實驗表2，實驗數(shù)據(jù)圖3。得出結論反應過程中有過氧化氫生成，加熱和加入催化劑二氧化錳促進過氧化氫的分解，并且體系氧氣濃度進一步增大。

3.實驗結論

Na2O2是一種淡黃色固體，與水發(fā)生反應生成堿和氧氣，同時伴隨有大量熱量放出。反應過程中有中間產(chǎn)物過氧化氫生成，過氧化氫進一步分解生成氧氣。

二、Na2O2與CO2的反應

1.實驗設計思路

水可與Na2O2發(fā)生反應，同樣具有滅火性質的CO2是否可以和Na2O2發(fā)生反應？向包裹有Na2O2的脫脂棉吹氣引發(fā)生火實驗，并進一步驗證是呼出的水蒸氣與Na2O2發(fā)生了反應還是CO2與Na2O2發(fā)生反應或者是CO2和水的協(xié)同作用。

設計實驗裝置包括：CO2發(fā)生裝置，除雜干燥裝置，三組對照檢驗裝置（1：CO2氣體流經(jīng)Na2O2固體，2：CO2氣體流經(jīng)干燥劑及Na2O2固體，3：CO2通路），三組尾管均導入盛有石灰水的試管或置有燃燒蠟燭的集氣瓶進行最終產(chǎn)生氣體檢驗?？紤]實驗裝置較多，為提高實驗效率與直觀性，以物理電路圖設計為靈感，設計微型化實驗線路圖。裝置圖如圖4。實驗器材包括細玻璃管，連接用乳膠管，膠帶紙及一定厚度硬紙板做支撐載體。CO2發(fā)生裝置上口T形管口放有浸有氯化鈉的脫脂棉吸收CO2氣流帶出的氯化氫氣體。本實驗裝置可一次性完成Na2O2與CO2反應的實質及現(xiàn)象探究。實驗微型化藥品用量少，實驗現(xiàn)象明顯，直觀可視Na2O2反應前后由淡黃色到白色顏色的變化。通過觸摸或者上貼的感溫紙體會反應發(fā)生則放熱。對于碳酸鹽的檢驗可以從乳膠管連接處取下小段玻璃管直接滴人鹽酸并檢驗所生成氣體。

2.實驗過程及結果

在自制下口具支大試管中加入塊狀碳酸鈣，從注射器中注入鹽酸引發(fā)反應。反應結束通過下支口放走多余的酸終止CO2氣體的產(chǎn)生。生成的CO2氣體通過T形管分3路流向。三路尾管可通人飽和澄清石灰水或置有燃燒蠟燭的集氣瓶中進行產(chǎn)物的檢驗（圖4連接為導人澄清石灰水中，若用燃燒蠟燭檢驗只需將玻璃尾管導人置有燃燒蠟燭的集氣瓶）。

實驗結果如表3。

3.實驗結論

實驗3作空白對照實驗，CO2可使澄清石灰水變渾濁，且不支持燃燒，可作為滅火性物質。從實驗1可觀察到，當碳酸鈣固體與鹽酸反應制得的CO2氣體直接通過Na2O2固體，發(fā)生反應且生成支持燃燒性氣體氧氣及碳酸鹽，反應放出大量熱量。從實驗2觀察到，經(jīng)氯化鈣干燥的CO2氣體流經(jīng)同樣Na2O2藥品（路線1和2使用相同兩份Na2O2固體，密封干燥保存）時并未發(fā)生反應?？梢?，干燥的CO2不與Na2O2發(fā)生反應，含有水蒸氣的CO2與Na2O2反應生成碳酸鹽和氧氣。因此，推理微觀過程：

第一步Na2O2與水反應生成H2O2：Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2

第二步H2O2不穩(wěn)定發(fā)生分解：2H2O2=2H2O+O2↑

第三步CO2與第一步反應中生成的NaOH反應：2NaOH +CO2=Na2CO3+H2O

上述各式相加得總反應式：2Na2O2+ 2CO2=2Na2CO3+O2，反應放熱。

三、總結分析

Na2O2是學生認知的一部分重要內(nèi)容，利用實驗探究Na2O2的相關性質及反應本質對學生學科素養(yǎng)的形成有重要意義。數(shù)字化實驗是數(shù)字化信息時代下科技與常規(guī)實驗相結合的產(chǎn)物，數(shù)字化實驗過程全程可視，實驗結果數(shù)字化呈現(xiàn)，實驗設計更為科學客觀。本探究利用數(shù)字化實驗設備，探究結果科學呈現(xiàn)及反應現(xiàn)象可視，有利于根據(jù)實驗做科學推理并設計合理的進一步探究，知識學習從發(fā)現(xiàn)問題到解決問題，從表及里，體現(xiàn)知識的衍生過程與探究過程。在學習相關知識的同時培養(yǎng)化學思維，提升學科素養(yǎng)。從數(shù)字化監(jiān)測數(shù)據(jù)中看到Na2O2與水反應生成氧氣并且放出大量熱，同時觀測到體系溶液出現(xiàn)先變紅后褪色的實驗現(xiàn)象，因此為變紅再褪色的實質設計下一步探究內(nèi)容，從而得到Na2O2與水反應的本質，認識中間產(chǎn)物過氧化氫的存在。對于Na2O2與CO2的反應，設計實驗路線圖，將復雜裝置程序化，實驗藥品微量化，實驗現(xiàn)象更加明了直觀的呈現(xiàn)。通過三組對照得到一定濕度的CO2與Na2O2反應生成氧氣并且放熱，認識反應實質。實驗探究式教學不僅有利于對知識的掌握，更有利于培養(yǎng)學生科學探究精神及專業(yè)學科素養(yǎng)。

參考文獻

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