基于變化觀念與平衡思想核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

呂旭東

摘要：以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為手段，溫度為變量，在敞開體系與封閉體系中，探究碳酸氫鈉溶液pH的變化規(guī)律。從“變化觀念與平衡思想”的視角，幫助學(xué)生深度學(xué)習(xí)電離、水解等知識(shí)，以提升學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：變化觀念與平衡思想;數(shù)字化實(shí)驗(yàn);碳酸氫鈉溶液;實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1008-0546（2021）02-0089-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.022

近年來，隨著課程改革的力度不斷加大和認(rèn)知水平的逐步提高，學(xué)生核心素養(yǎng)的培育成為教育工作者研究的熱點(diǎn)。“變化觀念與平衡思想”作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的五個(gè)維度之一，具有典型的學(xué)科特征和思維特征，在培育的過程中教師不僅應(yīng)立足于知識(shí)性的教學(xué)，更應(yīng)注重學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的能力培養(yǎng)、觀念建構(gòu)和思維提升。同時(shí)要求學(xué)生能在微觀角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)，動(dòng)態(tài)方式分析變化和理論層面揭示本質(zhì)，逐步形成化學(xué)學(xué)科的思想和方法。

以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為本，筆者設(shè)計(jì)了“探究溫度對(duì)碳酸氫鈉溶液pH的影響”一節(jié)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究課，參加了2019年11月7日在蕪湖舉行的安徽省高中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課評(píng)選活動(dòng)，并獲一等獎(jiǎng)。對(duì)課堂中如何培育學(xué)生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)進(jìn)行了探索和反思。

一、教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情分析

1.教學(xué)內(nèi)容分析

人教版選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章介紹了“水溶液中的離子平衡”，其主要內(nèi)容包括弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類的水解平衡和難溶電解質(zhì)的溶解平衡。從內(nèi)容特點(diǎn)來看，該章知識(shí)比較抽象、理論性強(qiáng)，難度較大;從功能地位來看，它承接了第二章化學(xué)平衡的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)又為下一章的電化學(xué)學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，更是學(xué)生形成微粒觀、平衡觀和變化觀的核心章節(jié)?；诖?，本課例將利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的手段，重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究式學(xué)習(xí)，旨在鞏固和提升第三章的內(nèi)容，落實(shí)“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)。

2.學(xué)情分析

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了水溶液中的離子平衡相關(guān)知識(shí)，對(duì)電離平衡、水解平衡、溶解平衡的建立和平衡移動(dòng)有了一定的認(rèn)識(shí)，學(xué)生也能熟練地掌握化學(xué)平衡常數(shù)相關(guān)的定量計(jì)算，但在處理實(shí)際問題時(shí)，對(duì)微觀粒子在水溶液中的變化規(guī)律還缺乏較為全面的理解。特別在深度學(xué)習(xí)水溶液中的離子平衡方面，學(xué)生由于缺乏綜合分析問題的能力，處理復(fù)雜問題時(shí)，常常舉手無措，不知如何應(yīng)對(duì)。

二、教學(xué)流程

基于以上學(xué)情，教師精心設(shè)置情境，鼓勵(lì)學(xué)生提出問題，師生共同設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并開展探究，在活動(dòng)中形成知識(shí)，達(dá)成學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)流程如圖1所示。

三、教學(xué)過程分析

1.復(fù)習(xí)舊知，導(dǎo)入新課

[教師]回顧必修一教材中有關(guān)碳酸氫鈉固體的相關(guān)性質(zhì)，投放到大屏幕（見表1）。

[學(xué)生]觀看投影，回憶知識(shí)

設(shè)計(jì)意圖：通過回憶碳酸氫鈉固體的性質(zhì)，創(chuàng)設(shè)情境，明確思維方向，為探究碳酸氫鈉溶液是否分解做好鋪墊。

[教師]設(shè)問：碳酸氫鈉溶液會(huì)分解嗎？如果分解，在什么溫度下分解呢？

2.查閱資料，提出質(zhì)疑

[教師]查閱資料：碳酸氫鈉水溶液呈極弱堿性，在50℃開始分解放出CO2。常溫下，NaHCO3溶液會(huì)分解嗎？如果分解，有哪些方法可以證明呢？

[學(xué)生]小組討論，設(shè)計(jì)方案（見表2）。

設(shè)計(jì)意圖：激勵(lì)學(xué)生敢于質(zhì)疑，勇于探索的科學(xué)態(tài)度。引導(dǎo)學(xué)生從基于物質(zhì)特性的角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)證據(jù)意識(shí)和宏觀辨識(shí)的能力。

3.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，合作探究

探究1：常溫下，飽和NaHCO3溶液是否分解

[學(xué)生]根據(jù)表2設(shè)計(jì)的方案，組裝實(shí)驗(yàn)裝置，分組同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

[實(shí)驗(yàn)一]氣球套在盛有飽和NaHCO3溶液的錐形瓶口，用磁力攪拌器不斷攪拌，如圖2所示。

[實(shí)驗(yàn)二]用二氧化碳傳感器測(cè)封閉體系中飽和NaHCO3溶液上方CO2的含量，如圖3所示。

[實(shí)驗(yàn)三]常溫下，利用pH傳感器測(cè)敞開體系飽和NaHC03溶液的pH變化，如圖4所示。

[學(xué)生]各組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)一：短時(shí)間無明顯現(xiàn)象，一段時(shí)間后氣球鼓脹，如圖2;

實(shí)驗(yàn)二：CO2的含量不斷增大，一段時(shí)間后保持不變，如圖5;

實(shí)驗(yàn)三：溶液的pH不斷增大，如圖6。

實(shí)驗(yàn)收獲：常溫下，飽和NaHCO3溶液就可以發(fā)生分解，打破了部分老師和學(xué)生原有的認(rèn)知一NaHCO3溶液不易分解。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)探究，激發(fā)了學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，在實(shí)踐的過程中獲取了最直接的經(jīng)驗(yàn)，學(xué)會(huì)合作、交流和表達(dá)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，充分體現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究微觀變化方面的優(yōu)勢(shì)。

探究2：常溫下，封閉體系中飽和NaHCO3溶液的pH變化

[教師]設(shè)問：常溫下，在封閉體系中飽和NaHCO3溶液的pH將如何變化？

[學(xué)生]根據(jù)探究1中的圖5和圖6實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行預(yù)測(cè)。

[實(shí)驗(yàn)四]常溫下，用磁力加熱攪拌器不斷攪拌飽和NaHCO3溶液，利用傳感器測(cè)封閉體系中溶液的pH變化，實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：常溫下，敞開體系中飽和NaHCO3溶液的pH不斷緩慢增大;封閉體系中溶液pH先增大，一段時(shí)間后保持不變。

[學(xué)生]主動(dòng)提出問題：溶液pH的變化是否和液面上方CO2的含量存在關(guān)系呢？

[實(shí)驗(yàn)五]常溫下，用磁力加熱攪拌器對(duì)盛有飽和NaHCO3溶液的三口燒瓶進(jìn)行攪拌，同時(shí)用傳感器測(cè)封閉條件下溶面上方CO2的含量和溶液pH的變化，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)收獲：NaHCO3溶液分解為可逆反應(yīng)，隨著液面上方CO2含量的增大，會(huì)抑制NaHCO3溶液的分解。建議碳酸氫鈉溶液最好密封保存。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)從學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平出發(fā)，精心設(shè)置問題，并鼓勵(lì)學(xué)生自己提出問題，由淺入深，層層遞進(jìn)。學(xué)生先預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，最后通過對(duì)比數(shù)字化實(shí)驗(yàn)曲線，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提升了實(shí)驗(yàn)求證，推理論證的能力。

探究3：升溫下，敞開體系飽和NaHCO3溶液的pH變化情況

[教師]以上研究了常溫下飽和NaHCO3溶液的pH變化情況，如果升溫，溶液pH將如何變化呢？

[學(xué)生]各小組討論后猜想：溶液pH增大，或減小，或不變。

[實(shí)驗(yàn)六]用磁力加熱攪拌器加熱并攪拌燒杯中的飽和NaHCO3溶液，同時(shí)利用傳感器測(cè)溶液的溫度和pH的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

注：受pH傳感器適用條件的限制，溫度升高到約80℃開始降溫。

[學(xué)生]分析圖9得出pH變化特點(diǎn)：升溫過程中，溶液的pH先基本不變（略有降低），后增大明顯;降溫過程中，pH仍緩慢增大。

[師生]把曲線分成a、b、c三段進(jìn)行分析（見表3）。

分析原因：a段溫度升高，NaHCO3溶液分解導(dǎo)致溶液堿性增強(qiáng)，即c（OH-）增大，但同時(shí)溶劑水的電離程度也增大，Kw增大，由于兩者增大的幅度相近，故pH基本不變.b段因?yàn)樵谠摐囟确秶鷥?nèi)，NaHCO3溶液分解產(chǎn)生的CO2迅速逸出，加速了分解反應(yīng)的平衡正向移動(dòng);c段在降溫的過程中，NaHCO3溶液持續(xù)的分解，所以pH仍緩慢增大。

實(shí)驗(yàn)收獲：升溫過程中，體系中不僅僅是HCO3-簡(jiǎn)單的發(fā)生電離和水解變化，同時(shí)溶劑水以及液相和氣相之間都出現(xiàn)了平衡的移動(dòng)，溶液pH的變化是綜合作用的結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：分析加熱飽和碳酸氫鈉溶液pH的變化情況，增強(qiáng)了學(xué)生歸納整理數(shù)據(jù)的能力，有助于提升學(xué)生思維的有序性、系統(tǒng)性。由于體系中存在多種平衡相互影響，增加了問題的復(fù)雜性，學(xué)生需要從微觀粒子的相互作用視角分析物質(zhì)的電離、水解和分解，從而增強(qiáng)了變化的觀念。

4.微觀分析，深度思考

[教師]反應(yīng)①產(chǎn)生的H+和反應(yīng)②產(chǎn)生的OH-相結(jié)合生成水，從而進(jìn)一步促進(jìn)了HCO3-的電離和水解。因此，反應(yīng)⑤實(shí)質(zhì)上是HCO3-的電離和水解共同作用的結(jié)果。反應(yīng)⑤的平衡常數(shù)遠(yuǎn)大于HCO3-的電離和水解常數(shù)，當(dāng)外界條件（如壓強(qiáng)、溫度）發(fā)生變化時(shí)，用反應(yīng)⑤解釋溶液pH的變化更令人信服。

設(shè)計(jì)意圖：要求學(xué)生寫出體系中存在的平衡反應(yīng)式，以符號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行表征，由定性到定量，提升了學(xué)生分析問題，解決問題的能力，實(shí)現(xiàn)了高階思維的發(fā)展。

四、課后反思

1.在探究碳酸氫鈉溶液pH的變化時(shí)，采用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出來的實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的、可視化的曲線充分激發(fā)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣和學(xué)習(xí)的熱情，課堂上，教師只是引導(dǎo)者和組織者，讓學(xué)生真正成為了探究活動(dòng)中的踐行者和體驗(yàn)者。另外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)由于操作簡(jiǎn)便、快速，并可精確測(cè)查數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，所以提高了實(shí)驗(yàn)探究的效率，保證了課堂內(nèi)容的完整性及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)提出了“注重發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)的作用，積極探索現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)的深度融合”。隨著課程改革的不斷深入，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中學(xué)化學(xué)日常教學(xué)中將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

2.本節(jié)課的教學(xué)以碳酸氫鈉溶液為載體，以實(shí)驗(yàn)探究為手段，深度學(xué)習(xí)水溶液中的離子平衡，以提升學(xué)生“變化觀念與平衡思想”核心素養(yǎng)（具體見圖10）。在整個(gè)教學(xué)過程中，融合了符號(hào)表征、曲線表征和數(shù)據(jù)表征等多重表征，引導(dǎo)學(xué)生由宏觀到微觀、由定性到定量、由變化到平衡的認(rèn)識(shí)過程，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)、能力和素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展。

3.基于核心素養(yǎng)培育為目標(biāo)的課堂教學(xué)，應(yīng)是一個(gè)主動(dòng)協(xié)作的課堂、一個(gè)高效運(yùn)轉(zhuǎn)的課堂、一個(gè)具有探究精神的課堂，在活動(dòng)中不斷實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化和觀念的形成。當(dāng)然，學(xué)生核心素養(yǎng)的培育并非一朝一夕就能實(shí)現(xiàn)的，需要教師緊跟教育改革的步伐，及時(shí)更新教育教學(xué)理念，認(rèn)真研讀教材甚至創(chuàng)造性地使用教材，在日常教學(xué)中不斷促進(jìn)和強(qiáng)化。