基于數(shù)字化實驗發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的教學設(shè)計

宋蕊

摘要：學生“證據(jù)推理與模型認知”學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，需要創(chuàng)設(shè)真實的探究情境，讓學生從各種途徑收集大量的信息、數(shù)據(jù)、圖表等，進行證據(jù)的推理與模型的構(gòu)建。數(shù)字化實驗可彌補傳統(tǒng)定性實驗的某些不足，提供豐富的信息與數(shù)據(jù)。本文以“氫氧化鋁的兩性”教學為例，進行了基于數(shù)字化實驗發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的教學設(shè)計。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理與模型認知；數(shù)字化實驗；氫氧化鋁的兩性

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0029-05

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.007

一、設(shè)計思想

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的要求，化學學科核心素養(yǎng)之一“證據(jù)推理與模型認知”是一種高級思維活動，證據(jù)推理要求學生具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。模型認知是證據(jù)推理基礎(chǔ)上的進階模式，學生通過建立認知模型，運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。[1]

發(fā)展證據(jù)推理與模型認知需要為學生創(chuàng)設(shè)真實的探究情境，通過讓學生從各種途徑收集大量的信息、數(shù)據(jù)、圖表等，將信息和學科知識有效整合在一起，并運用已有的知識進行基于證據(jù)的推理。在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上，學生構(gòu)建認知模型，或優(yōu)化已有的認知模型，最后運用模型解決實際問題、或利用模型解釋化學現(xiàn)象。故發(fā)展證據(jù)推理與模型認知的教學模式有五個重要模塊：提出合理的假設(shè)／猜想、收集信息與證據(jù)、基于證據(jù)推理、構(gòu)建／優(yōu)化模型、應(yīng)用模型。五個模塊并非孤立存在，而是互相聯(lián)系、不斷循環(huán)、螺旋上升式的關(guān)系。[2]

如圖1所示，教學通過循環(huán)上升的五個模塊，不斷提出更高階的問題與假設(shè)，在過程中不斷發(fā)展學生證據(jù)推理能力，并在螺旋上升的過程中不斷優(yōu)化學生認知模型。在“氫氧化鋁的兩性”教學中，學生的氫氧化鋁溶解模型從“氫氧化鋁與強酸、強堿反應(yīng)的定性認識”到“氫氧化鋁是否完全溶解取決于pH的范圍”，再到“重新從定量角度認識為何氫氧化鋁與強酸、強堿反應(yīng)”，學生關(guān)于氫氧化鋁溶解的模型構(gòu)建經(jīng)歷了若干階段。

數(shù)字化實驗是由數(shù)據(jù)采集器和傳感器組成的定量采集數(shù)據(jù)的實驗系統(tǒng)，數(shù)字化實驗可以將不易觀察到的實驗現(xiàn)象用數(shù)據(jù)、圖表等方式呈現(xiàn)，通過數(shù)字化實驗進行定量實驗探究，可進一步發(fā)展學生閱讀圖表信息，分析定量數(shù)據(jù)，理解實驗現(xiàn)象的能力；還可以幫助學生基于數(shù)據(jù)進行證據(jù)推理，構(gòu)建新的認知模型，促進對化學反應(yīng)定性到定量的認識。[3]

二、“氫氧化鋁的兩性”教學設(shè)計

1．教學內(nèi)容與學情分析

該教學內(nèi)容為滬科版《化學高二》8.2“鋁和鋁合金的崛起”的重要組分。此前，學生已學習了氫氧化鋁溶于強酸與強堿，對氫氧化鋁的溶解性有定性的認識，還學習了強弱電解質(zhì)、影響電離平衡移動的因素、水的電離與pH等相關(guān)知識。學生對氫氧化鋁與酸和堿的定性反應(yīng)已經(jīng)掌握，但是僅停留在簡單記憶，對于“氫氧化鋁在酸和堿中的溶解受什么影響？”“為何氫氧化鋁不溶于弱酸、弱堿？”等問題不能從本質(zhì)上理解。故本節(jié)課從定量實驗的角度幫助學生建立對氫氧化鋁兩性更加準確的認識，構(gòu)建氫氧化鋁在酸和堿中溶解的模型、氫氧化鋁在不同酸堿條件下的存在形式模型；并通過本節(jié)課深化對電離平衡移動影響因素的認識，感受化學反應(yīng)從量變到質(zhì)變的過程，也重新認識強酸弱酸、強堿弱堿的本質(zhì)差異。[4-6]

2．教學目標

（1）通過實驗探究，基于實驗事實進行分析推理，結(jié)合電離平衡移動原理解釋Al（OH）3在不同酸中溶解性差異的本質(zhì)原因；

（2）通過實驗探究，了解Al（OH）3在酸中的溶解存在量變到質(zhì)變的變化過程，并初步建立Al（OH）3在酸中的溶解模型；

（3）通過對定量實驗的數(shù)據(jù)分析，完善Al（OH）3溶解與pH的關(guān)系模型；

（4）應(yīng)用Al（OH），溶解與pH的關(guān)系模型解決問題。

3．教學環(huán)節(jié)

本節(jié)課的教學內(nèi)容共三大部分：從定性與定量的角度再認識氫氧化鋁和酸、堿的反應(yīng)；通過數(shù)字化實驗從宏微結(jié)合的角度了解氫氧化鋁和酸、堿反應(yīng)的實質(zhì)；深化對氫氧化鋁化學性質(zhì)反應(yīng)原理的模型構(gòu)建與認知。如圖2所示，本節(jié)課以Al（OH）3在酸和堿中溶解性為骨架，設(shè)計真實情境，產(chǎn)生認知沖突。學生在體驗定性實驗探究和肉眼觀察的局限性后，基于證據(jù)分析推理進行數(shù)字化定量實驗設(shè)計，通過實驗數(shù)據(jù)認識Al（OH）3在酸和堿中溶解的本質(zhì)，實現(xiàn)從對物質(zhì)間化學反應(yīng)的宏觀認知到微觀原理的探析。

在理解Al（OH）3的溶解本質(zhì)基礎(chǔ)上探究Al（ OH）3在哪些pH范圍內(nèi)才能完全溶解，學生通過數(shù)字化定量實驗設(shè)計、分析實驗數(shù)據(jù)，認識氫氧化鋁在不同pH環(huán)境中的存在形式，并發(fā)掘?qū)嶒灁?shù)據(jù)，運用氫氧化鋁的溶解本質(zhì)解釋該實驗數(shù)據(jù)圖與高中階段常見沉淀質(zhì)量與NaOH體積關(guān)系圖的偏差。最后結(jié)合實驗結(jié)果與不同酸堿的pH數(shù)據(jù)，重新認識教材中Al（OH），溶于強酸、強堿，從對化學反應(yīng)的定性認識與機械記憶，轉(zhuǎn)變?yōu)閷瘜W反應(yīng)變化的本質(zhì)與平衡對化學反應(yīng)量變到質(zhì)變的影響；體會對強酸弱酸、強堿弱堿對體系pH的影響程度，重新認識強弱電解質(zhì)。

三、“氫氧化鋁的兩性”數(shù)字化實驗設(shè)計

1．數(shù)字化實驗一：Al（OH），在弱酸、弱堿中的溶解程度

（1）數(shù)字化實驗設(shè)計思路

由于AI（OH）3在弱酸弱堿中不能完全溶解，肉眼無法判斷反應(yīng)是否有發(fā)生，本實驗引入數(shù)字化實驗，利用溶液中離子濃度增大電導率增大的原理，使用電導率傳感器進行數(shù)字化實驗，用數(shù)字與曲線表征實驗事實，促進學生對Al（OH）3溶解本質(zhì)的理解。設(shè)計Al（OH）3固體和醋酸、氨水反應(yīng)的數(shù)字化實驗，探究影響Al（ OH）3溶解程度的本質(zhì)原因。用等初始電導率的氯化鈉溶液和Al（OH）3固體作為對照組，排除Al（OH）3自身溶解對電導率的影響。

（2）數(shù)字化實驗儀器與藥品

實驗儀器：50mL燒杯、磁力攪拌器、Vernier電導率傳感器、Vernier數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺。

藥品：pH=4醋酸溶液、Al（OH）3固體、與pH=4的醋酸電導率相同的NaCl溶液。

儀器設(shè)計如圖3所示。

2．數(shù)字化實驗二：Al（OH），溶解度與pH的關(guān)系模型探究

（1）數(shù)字化實驗設(shè)計思路

利用數(shù)字化實驗，通過pH探頭測定向硫酸酸化的硫酸鋁溶液中逐步滴加NaOH溶液的pH變化，觀測Al（OH）3開始沉淀、沉淀最大與完全溶解的pH。

學生通過觀察發(fā)現(xiàn)，利用肉眼無法準確觀察沉淀開始、沉淀最大與沉淀消失的準確節(jié)點。故對實驗裝置進行優(yōu)化，利用感光度大小特征沉淀的量，從而得到Al（OH）3開始產(chǎn)生沉淀、沉淀完全、沉淀開始溶解和沉淀完全溶解對應(yīng)的pH，根據(jù)數(shù)據(jù)得到Al（OH）3在不同pH下的存在狀態(tài)，建立Al（OH），溶解模型。培養(yǎng)學生利用數(shù)字化實驗進行實驗探究、優(yōu)化實驗設(shè)計的能力。

通過挖掘本實驗的數(shù)據(jù)，引導學生利用本節(jié)課所學知識，從Al（OH）3在不同酸堿性環(huán)境中的反應(yīng)實質(zhì)，解釋該實驗數(shù)據(jù)圖與高中階段常見沉淀質(zhì)量與氫氧化鈉體積關(guān)系圖的偏差：①恰好完全沉淀到完全溶解需要繼續(xù)滴加NaOH溶液提高溶液環(huán)境pH;②產(chǎn)生沉淀與沉淀溶解所需的NaOH溶液體積比并非3：1，有部分NaOH溶液用于提高體系的環(huán)境pH。學生利用直觀的數(shù)據(jù)，解釋為何通常認為“Al（OH）3不溶于弱酸、弱堿”，重新從定量角度認識Al（OH）3不溶于弱酸、弱堿，感受強酸強堿對體系pH的影響。

（2）數(shù)字化實驗儀器與藥品

實驗儀器：50 mL燒杯、磁力攪拌器、Vernier pH傳感器、Vernier滴數(shù)傳感器、Vernier光傳感器、臺燈、Vernier數(shù)據(jù)采集器、鐵架臺。

藥品：0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液、1.0 mol/L NaOH溶液、稀H2S04溶液。

儀器設(shè)計如圖4所示。

四、“氫氧化鋁的兩性”教學片段

1．創(chuàng)設(shè)情境產(chǎn)生疑問

[引入]老王最近胃疼和牙齦疼，吃了藥沒好，就醫(yī)后知道胃舒平和維生素C不能同時服用，藥效會抵消的。請同學們根據(jù)信息猜測在這個過程中可能發(fā)生什么，理由是什么？

[學生]維生素有酸性，有可能發(fā)生了酸堿中和反應(yīng)。

[教師]但是維生素C是弱酸，Al（OH）3能溶于哪種酸呢？

[學生]強酸。

[教師lAl（OH）3能溶于弱酸嗎？我們可以進行實驗探究。請同學們探究Al（OH），在pH=4的稀鹽酸、pH=4的醋酸、pH=2.4的醋酸中的溶解程度。

[學生]Al（OH），在pH=2.4的醋酸中完全溶解了，在pH=4的鹽酸和醋酸中有一點溶解。

2．定量實驗探究-Al（OH）3能否溶于弱酸和弱堿

[教師]肉眼觀察沉淀的變化有局限性，但通過實驗，同學們認為影響Al（OH）3在不同酸中的溶解程度的因素是什么？

[學生]pH越小，溶液中氫離子濃度越大，促進Al（OH）3的堿式電離平衡向正向移動。

[教師]在pH=4的酸中是否有溶解用肉眼無法準確判斷，可以利用數(shù)字化實驗，常見的數(shù)字化實驗傳感器有電導率、濁度計、感光度計等等，同學們認為哪種傳感器用來測量Al（OH）3是否有溶解更好呢？

[學生]電導率也可以，因為溶解后離子濃度會變大；濁度計也可以；感光度計也可以。

[教師]老師這里使用了電導率傳感器進行實驗，將Al（OH）3固體加入pH=4的醋酸溶液中，請同學們觀察數(shù)據(jù)變化。

[學生仔細觀察]起始是26.3 μS/cm，加入Al（OH），固體后逐漸增大，然后逐漸平穩(wěn)，最終電導率達到286.5 μS/cm，電導率增大了，說明溶液中離子濃度增大了。

[教師]哪些行為會使得離子濃度增大呢？是Al（ OH）3溶解的電離，還是電離平衡移動呢？

[學生]都有可能，需要設(shè)計對照試驗，把Al（OH），固體溶解在水中，測量電導率。

[教師]電導率雖然會隨著離子濃度的增大而增大，但隨著濃度的增加，電導率增加的幅度變小。如果初始電導率不同，電導率增大的幅度也是不同的，怎么辦？

[學生]使用電導率相同的溶液，但是這個溶液不可以和Al（OH）3反應(yīng)，比如氯化鈉溶液。

[教師]非常好，那我們來觀察Al（OH），固體加入相同電導率的氯化鈉溶液中的電導率變化。

[學生仔細觀察]起始是26.3μS/cm，加入Al（OH），固體后逐漸增大，然后逐漸平穩(wěn)，最終電導率達到244.4 μS/cm，電導率也增大了，但是沒有在醋酸中多。所以Al（OH）。在pH=4的醋酸中是可以部分溶解的。

[教師]Al（OH）3在酸中的溶解程度由pH的大小決定，Al（OH）3還存在酸式電離，可以溶于堿，Al（OH），真的只能溶于強堿嗎？

[學生]也許弱堿的pH夠大，Al（OH）3就可以溶解，因為氫氧根離子濃度越大，越能夠促進Al（OH）3的酸式電離正向移動。可以用濃氨水進行剛才的數(shù)字化實驗。

[教師]進行Al（OH）3與氨水的導電率實驗演示，證明Al（OH）3也可部分溶解在氨水中。

3．構(gòu)建Al（OH）3的溶解模型

[教師]Al（OH）3究竟在多大pH的酸堿中才能夠溶解呢？在探究前，請同學們思考下列問題，向含有少量硫酸的Al2（SO4）3溶液中逐滴滴加NaOH溶液，隨著NaOH溶液體積的增加，溶液中的沉淀如何變化？請繪制在如下坐標系中。

[學生思考并繪制]如圖5所示。

[教師]如果想測定Al（OH）3恰好在酸中和堿中完全溶解的pH，應(yīng)該測量哪個節(jié)點的pH。

[學生]沉淀剛好產(chǎn)生的pH是在酸中完全溶解的pH，剛好完全溶解pH是在堿中完全溶解的pH。

[教師]老師利用數(shù)字化實驗，向含有少量硫酸的Al2（SO4）3溶液中逐滴滴加NaOH溶液，同時測定pH，請同學們仔細觀察，并記錄你需要的數(shù)據(jù)。同時老師也想知道沉淀最大時的pH，請同學們觀察。

[學生]在pH大概為3時開始產(chǎn)生沉淀，到pH大概為13時沉淀消失，但是沉淀最大點很難看清楚。

[教師]無法用肉眼觀察清楚，怎么辦呢？

[學生]借助數(shù)字化實驗儀器。

[教師]在剛剛給同學們介紹的傳感器中有一個感光度的傳感器，可以測量光的強度，透光率越高，則溶液越澄清，反之越渾濁，請同學們仔細觀察實驗現(xiàn)象，并根據(jù)感光度曲線判斷各節(jié)點的pH。

[學生]開始沉淀大約為3，沉淀完全溶解大約為13，pH大約為5沉淀完全，pH大約為9沉淀開始溶解。

[教師]感光度的圖像實際反應(yīng)了沉淀的量，請同學們觀察圖像與我們之前繪制的m 沉淀／V NaOH圖有何不同？

[學生]實際的圖最高點并不是折線，有一段時間沉淀不變化。因為恰好完全沉淀到完全溶解需要繼續(xù)滴加NaOH溶液提高溶液環(huán)境pH。產(chǎn)生沉淀與沉淀溶解所需的氫氧化鈉體積比并非3：1，有一部分NaOH溶液用于提高溶液環(huán)境pH。

4．Al（OH）3的溶解模型應(yīng)用

[教師]制取Al（OH）3不一定用鋁離子與氨水反應(yīng)來制取，我們可以通過調(diào)節(jié)其pH來制取，工業(yè)上制取Al（OH）3也會采取用在硫酸鋁中滴加氫氧化鈉，我們應(yīng)將pH控制在哪個范圍內(nèi)呢？

[學生]5< pH<9

[教師]通過今天的學習，我們發(fā)現(xiàn)Al（OH）3的溶解程度實際取決于pH的大小，但是為何教材的結(jié)論為Al（ OH），溶于強酸強堿呢？以下為弱酸、強酸的濃度及其對應(yīng)的pH（略），請同學們判斷Al（OH）3在這些酸堿中能否溶解，分析為何Al（OH）3溶于強酸強堿？

[學生]弱酸和弱堿很難達到完全溶解的pH范圍，但是很稀的強酸和強堿卻能做到。

[教師]化學反應(yīng)是絕對的，但也是相對的，希望同學們對Al（OH）3的兩性有新的認知。

五、教學反思

本節(jié)課通過層層探究Al（OH）3在酸和堿中的溶解程度，讓學生體驗收集證據(jù)，對Al（OH）3的性質(zhì)提出可能的假設(shè)，基于證據(jù)進行分析推理，形成科學結(jié)論，分析定性實驗現(xiàn)象、定量實驗數(shù)據(jù)和物質(zhì)性質(zhì)來建立解決復雜化學問題的思維模型；引導學生從定性角度認識“Al（OH）3能溶解與不能溶解”，轉(zhuǎn)變到定量角度認識“Al（OH）3溶解的量變到質(zhì)變”，體會化學變化的絕對性與相對性，探析影響Al（OH）3溶解的本質(zhì)因素。從定性角度認識“強酸與弱酸”，轉(zhuǎn)變到定量角度體會強酸、弱酸對體系pH的影響能力。從定性角度認識Al（OH）3和酸、堿反應(yīng)，轉(zhuǎn)變到從酸堿性環(huán)境角度考慮物質(zhì)的存在形態(tài)。通過實驗數(shù)據(jù)優(yōu)化Al（OH），溶解的模型，根據(jù)所學知識解釋與傳統(tǒng)模型的偏差。

參考文獻

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