基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的化學(xué)概念教學(xué)

郝升華

摘要：以人教版高中化學(xué)“離子反應(yīng)及其發(fā)生條件”教學(xué)為例，闡述了基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的課例研究思路和教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。圍繞離子反應(yīng)概念、離子反應(yīng)發(fā)生條件等知識內(nèi)容，宏微結(jié)合，幫助學(xué)生形成對“離子反應(yīng)”概念的整體認(rèn)識。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)? 宏微結(jié)合? 離子反應(yīng)

新課改的基本理念要求重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，提倡在課堂上開展以學(xué)生實(shí)驗(yàn)為主的多種探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，能從宏微結(jié)合的視角分析解決實(shí)際問題。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏寣W(xué)生獲得充分體驗(yàn)及不可替代的技能訓(xùn)練。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)處理和直觀表現(xiàn)，并可獲得準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)，從而幫助人們更深入地研究化學(xué)現(xiàn)象和反應(yīng)的本質(zhì)規(guī)律。二者相結(jié)合運(yùn)用在課堂上可以充分開發(fā)學(xué)生的高階思維，幫助學(xué)生掌握反應(yīng)的本質(zhì)。

一、學(xué)生學(xué)情分析

在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，高中生在離子反應(yīng)這一章節(jié)中很難形成“離子觀”，不能真正理解物質(zhì)在溶液中以離子的形式存在這一知識，導(dǎo)致學(xué)習(xí)后續(xù)很多知識時(shí)只能靠死記硬背。本節(jié)課將書本上的實(shí)驗(yàn)編排稍作改動(dòng)，利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)探究法教學(xué)，強(qiáng)調(diào)溶液中離子的行為，重點(diǎn)探究離子反應(yīng)發(fā)生的本質(zhì)。

二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

試劑：0.01 mol·L-1 Na2SO4（aq），0.1 mol·L-1 BaCl2（aq），0.1 mol·L-1 KCl（aq），稀NaOH（aq），0.2 mol·L-1 ?HCl（aq），0.05 mol·L-1 ?CuSO4（aq），鋁片， 鋅粒

實(shí)驗(yàn)儀器：電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦、磁力攪拌器、鐵架臺(tái)、50 mL燒杯等。

三、教學(xué)過程

（一）環(huán)節(jié)一 情景導(dǎo)入：“結(jié)石中的化學(xué)”

結(jié)石的形成屬于生物異常礦化，飲食和環(huán)境等都可能導(dǎo)致各種結(jié)石病。從事高溫作業(yè)、飲水少，出汗多者體內(nèi)容易形成結(jié)石，食用菠菜較多，或長期飲用鈣含量較高的水可能導(dǎo)致結(jié)石病，比如H2C2O4與鈣結(jié)合形成CaC2O4沉淀在泌尿系統(tǒng)中累積就會(huì)形成尿路結(jié)石，實(shí)質(zhì)就是草酸根離子與鈣離子發(fā)生了離子反應(yīng)生成沉淀。

【設(shè)疑一】什么是離子反應(yīng)呢？我們中學(xué)階段只研究水溶液中的離子反應(yīng)，下面請同學(xué)們完成幾組實(shí)驗(yàn)，并思考哪些實(shí)驗(yàn)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

（二）環(huán)節(jié)二 探究離子反應(yīng)發(fā)生的本質(zhì)

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)】

實(shí)驗(yàn)1：向10 mL 0.01 mol·L-1 ?Na2SO4（aq）中滴加0.1 mol·L-1 ?BaCl2（aq）。

實(shí)驗(yàn)2：向10 mL 0.01 mol·L-1 ?Na2SO4（aq）中滴加0.1 mol·L-1 KCl（aq）。

實(shí)驗(yàn)3：向15 mL 0.2 mol·L-1 HCl（aq）中滴加稀NaOH（aq）。

實(shí)驗(yàn)4：向15 mL 0.2 mol·L-1 HCl（aq）中加入少量鋁片。

實(shí)驗(yàn)5：向20 mL 0.05 mol·L-1 CuSO4（aq）中加入少量鋅粒。

【學(xué)生】實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3中無明顯現(xiàn)象，但實(shí)驗(yàn)3可以通過滴加酸堿指示劑確定發(fā)生了化學(xué)變化。實(shí)驗(yàn)1中生成白色沉淀，實(shí)驗(yàn)4中生成氣體，實(shí)驗(yàn)5中藍(lán)色溶液顏色變淺，實(shí)驗(yàn)1、4和5發(fā)生了化學(xué)變化。

【教師】實(shí)驗(yàn)1、3和4確實(shí)都發(fā)生了離子反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)2中沒有發(fā)生離子反應(yīng)，只是離子的簡單混合。

【設(shè)疑二】那發(fā)生離子反應(yīng)的條件是什么呢？

【教師演示實(shí)驗(yàn)一】電導(dǎo)率隨溶液體積變化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：向10 mL 0.01 mol·L-1 Na2SO4溶液中逐滴加入0.1 mol·L-1 BaCl2溶液。學(xué)生觀看教師操作及大屏幕顯示的數(shù)據(jù)變化如圖1所示。

【教師】起始反應(yīng)液中離子種類有哪些？

【學(xué)生】Na+，SO42-，Ba2+，Cl-

【教師】隨著白色沉淀生成，同學(xué)們看到了電導(dǎo)率一直下降直至最低點(diǎn)卻沒有到零，原因是什么？隨后電導(dǎo)率為什么又升高？

【學(xué)生1】離子濃度減小，導(dǎo)電能力減弱，導(dǎo)電率降低

【教師】離子濃度為什么減?。?/p>

【學(xué)生2】SO2-4和Ba2+生成白色沉淀，離子濃度減小，但溶液中仍然存在鈉離子和氯離子，所以并沒有降到零。

【學(xué)生3】當(dāng)Na2SO4被反應(yīng)完全時(shí)再加入BaCl2時(shí)，氯化鋇過量，溶液中離子濃度開始增大，所以電導(dǎo)率增大。

【教師】硫酸鈉溶液和氯化鋇溶液充分混合后SO2-4和Ba2+結(jié)合發(fā)生了離子之間的反應(yīng)，生成了白色沉淀BaSO4，離子種類和數(shù)目減小。

【教師演示實(shí)驗(yàn)二】向15 mL 0.2 mol·L-1 HCl溶液中滴加稀NaOH溶液，播放視頻，演示溶液中pH隨溶液體積變化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們觀看教師操作，大屏幕顯示的數(shù)據(jù)變化如圖2所示。

學(xué)生們分析出pH發(fā)生變化的原因是隨著NaOH溶液加入中和了H+，H+濃度減小，OH-濃度增大，pH增大。溶液中離子數(shù)目減少。

【教師演示實(shí)驗(yàn)三】向10 mL 0.2 mol·L-1 HCl溶液中加入少量鋁片，播放視頻，演示溶液中溫度和壓強(qiáng)隨時(shí)間變化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3所示，同學(xué)們觀看教師操作及顯示的數(shù)據(jù)變化。

通過觀察實(shí)驗(yàn)三及已有知識經(jīng)驗(yàn)，同學(xué)們分析出產(chǎn)生了氫氣，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)學(xué)生清楚看出該反應(yīng)溫度升高，產(chǎn)生氣體氣壓增大，分析反應(yīng)前后離子種類，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)前后離子種類和數(shù)目發(fā)生變化，原來溶液中H+數(shù)目減少生成了Al3+，發(fā)生了離子反應(yīng)。

【教師演示實(shí)驗(yàn)四】向20 mL 0.05 mol·L-1 CuSO4溶液中加鋅粒，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示電導(dǎo)率隨時(shí)間推移基本無變化。

通過電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)四可知離子濃度基本沒有發(fā)生變化，但根據(jù)宏觀現(xiàn)象同學(xué)們知道CuSO4溶液中加鋅粒確實(shí)發(fā)生了化學(xué)變化，離子種類發(fā)生了變化，溶液中Cu2+變成了Zn2+，同樣也發(fā)生了離子反應(yīng)。

【教師】最后給同學(xué)們展示向Na2SO4溶液中加稀的KCl溶液電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，無宏觀現(xiàn)象，電導(dǎo)率一直增大，說明溶液中離子濃度逐漸增大，溶液混合僅是Na+，SO2-4，Cl-，K+的簡單混合，沒有生成沉淀、氣體和水，沒有發(fā)生離子種類和數(shù)目的變化，沒有發(fā)生離子反應(yīng)。

通過以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)離子反應(yīng)發(fā)生時(shí)宏觀上通常能看到有沉淀、氣體、水生成，離子的種類或數(shù)目發(fā)生了變化。

（三）運(yùn)用符號表征，深化離子反應(yīng)及其發(fā)生條件在學(xué)生腦海中的印象

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，層層遞進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)離子反應(yīng)發(fā)生時(shí)通常伴有沉淀、氣體和水生成，并總結(jié)出發(fā)生離子反應(yīng)的本質(zhì)原因是溶液中離子種類和數(shù)目發(fā)生了變化，并以硫酸鈉和氯化鋇反應(yīng)為例講解如何正確使用化學(xué)符號來表示離子反應(yīng)的過程;并做課本相應(yīng)的練習(xí)鞏固，提問學(xué)生CuSO4和NaOH反應(yīng)、NaCO3和HCl反應(yīng)本質(zhì)原因是什么并寫出離子方程式。

四、回顧反思

本節(jié)課例對接宏觀辨識與微觀探析化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，開發(fā)學(xué)生的高階思維，將離子反應(yīng)發(fā)生的常見宏觀現(xiàn)象和本質(zhì)原因深化入學(xué)生的腦海中。離子反應(yīng)的本質(zhì)不是所有的離子都參與反應(yīng)，而是某些離子的濃度和種類發(fā)生了變化。目前的學(xué)習(xí)中，在宏觀上我們可以通過判斷是否有沉淀、氣體和水生成來判斷是否發(fā)生了離子反應(yīng)。為今后學(xué)生理解離子共存等問題打下基礎(chǔ)。

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