基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)字化實驗探究活動

王穎

關(guān)鍵詞：止酸劑;數(shù)字化傳感器;探究實驗;深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。指向深度學(xué)習(xí)的化學(xué)教學(xué)，能夠促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，對課程改革有效推進具有重要意義;是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑，對新課程標準在實踐層面的推進有重要意義;促進學(xué)生對知識的實踐和體驗，有助于揭示和理解學(xué)習(xí)本質(zhì)[1]。筆者以“定量探究不同止酸劑的藥效”為主題，帶領(lǐng)學(xué)生展開數(shù)字化實驗探究活動。

一、教學(xué)主題

滬教版九年級化學(xué)（第二學(xué)期）第五章第一節(jié)中提到，“生活中因為胃酸過多而引起泛酸癥狀的病人，服用氫氧化鎂或氫氧化鋁等止酸劑。這就是生活中的酸堿反應(yīng)[2]?！边@段話引發(fā)了學(xué)生的思考，生活中還有哪些物質(zhì)可以做止酸劑？他們的藥效有什么不同？針對這個問題，我們展開了探究實驗活動。

胃液中含有鹽酸、胃蛋白酶原、黏液和內(nèi)因子等物質(zhì)，pH為0.9～1.5。鹽酸若分泌過少，常引起消化不良，若分泌過多，對胃和十二指腸黏膜有侵蝕作用[3]。止酸劑的主要作用機理是利用其有效成分與鹽酸反應(yīng)，治療胃酸過多。經(jīng)過化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)和專題復(fù)習(xí)，學(xué)生在酸、堿、鹽模塊上已經(jīng)有了一定的知識儲備，為掌握本課題實驗原理奠定了基礎(chǔ);另一方面，學(xué)生經(jīng)過校本探究課程——大理科的學(xué)習(xí)，對科學(xué)探究有了一定的理解，具有了初步的科學(xué)探究能力。在實驗技能上，通過基礎(chǔ)學(xué)生實驗和校本數(shù)字化拓展實驗——應(yīng)用pH傳感器和溫度傳感器探究中和反應(yīng)，學(xué)生已經(jīng)具備了基本的常見儀器及數(shù)字傳感器操作能力，為實驗設(shè)計和方案實施提供給了充足的條件。數(shù)字化傳感器精度高、誤差小，可以直接測量各種指標，準確地進行定量分析，使化學(xué)實驗過程更加嚴謹。本次數(shù)字化探究實驗，通過檢測和比較不同藥劑在與鹽酸反應(yīng)過程中的溫度、壓強和pH變化，讓原本難以研究的問題直觀化、精細化，降低了學(xué)生理解的難度。數(shù)字化傳感器收集到的數(shù)據(jù)和圖表有助于培養(yǎng)學(xué)生分析、評價和綜合的高階思維，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標與評價目標

1. 教學(xué)目標

（1）基礎(chǔ)知識落實：通過“選擇一款合適的止酸劑”這個真實問題的解決過程，復(fù)習(xí)酸、堿、鹽的相關(guān)知識點。知道選擇藥物需綜合考慮藥物的反應(yīng)程度、反應(yīng)速率及可能對人體造成不良影響等因素。

（2）探究能力培養(yǎng)：通過提出問題、猜想和假設(shè)、設(shè)計方案、搜集證據(jù)、得出結(jié)論、表達交流等環(huán)節(jié)，初步學(xué)會設(shè)計并完成簡單的探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

（3）學(xué)科思維提升：利用數(shù)字傳感器檢測不同止酸劑與鹽酸反應(yīng)的溫度、壓強和pH變化，通過數(shù)據(jù)分析藥效，建立證據(jù)推理意識。

2. 評價目標

（1）知識層面：通過經(jīng)歷完整的項目式探究學(xué)習(xí)過程，獲得對學(xué)科核心知識與思想方法的深刻理解診斷學(xué)生建構(gòu)實驗探究的認知模型的意識。

（2）能力層面：通過對實驗數(shù)據(jù)、圖像的分析，實驗方案的設(shè)計和實驗裝置的討論，促進學(xué)科知識功能化、思維高階化發(fā)展。診斷學(xué)生解決生活實際問題的能力。

（3）素養(yǎng)層面：通過酸、堿、鹽知識在生活中的運用，體會化學(xué)來源于生活并服務(wù)于生活，感受化學(xué)學(xué)習(xí)的意義。體驗科學(xué)探究是人們獲取科學(xué)知識，認識客觀世界的重要途徑。

三、實驗設(shè)計

夏九云等人應(yīng)用手持技術(shù)探究了碳酸氫鈉片和鋁碳酸鎂片與鹽酸的反應(yīng)前后的pH和二氧化碳濃度變化[4]，但是實驗樣本和數(shù)據(jù)比較單一，沒有量化地評價止酸劑藥效的標準。朱慶等人運用手持技術(shù)數(shù)字化實驗改進了以上方案，比較了碳酸氫鈉片、氫氧化鋁片、鋁碳酸鎂片的抗酸性，還研究了碳酸鈉為什么不適合做止酸劑[5]。為了模擬人體胃酸分泌情況，他們在反應(yīng)容器（燒杯）上放置自動注射器向燒杯中以1 mL/min 的速度滴入鹽酸模擬人體內(nèi)胃酸的分泌。通過比較反應(yīng)前后的pH 變化、壓強變化來比較藥效。但他們的實驗還存在以下三個問題：

①測量pH變化和氣壓變化的實驗分兩次在兩套不同的實驗裝置中完成，降低了實驗效率和實驗儀器的利用率;

②打開瓶塞添加藥品，裝置的氣密性和數(shù)據(jù)的準確性受到了影響;

③不能形象直觀地表現(xiàn)胃脹的情形。為了能更好地比較不同止酸劑的藥效，讓學(xué)生體驗現(xiàn)代定量科學(xué)研究過程，我們應(yīng)用pH傳感器、溫度傳感器和壓強傳感器，對上述實驗方案進行改進，進行了以下探究實驗。

1. 實驗原理

胃酸的主要成分是鹽酸，止酸劑的作用原理是和鹽酸反應(yīng)，從而減輕“泛酸”的癥狀。本實驗所用止酸劑有：氫氧化鋁片、碳酸氫鈉片、鋁碳酸鎂片，為了幫助學(xué)生更好地鞏固酸、堿、鹽的知識點，理解評價和選擇止酸劑的依據(jù)和標準，加入曾用的止酸劑氧化鎂反應(yīng)原理分別為：

胃蛋白酶的生理作用是水解食物中的蛋白質(zhì)，胃蛋白酶作用的最適pH為2～3.5，隨著pH的升高，酶活性逐步降低，當pH超過6時，將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變性而失去活性。因此，合適的止酸劑應(yīng)該適當消耗胃酸，在一段時間內(nèi)維持胃液pH在2～3.5范圍內(nèi)，不能使pH超過6。

2. 實驗裝置和用品

（1）實驗儀器：pH 傳感器、壓強傳感器、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦、磁力攪拌器、電子天平、250 mL斜四口燒瓶、25 mL四氟活塞恒壓分液漏斗、加厚氣球、100 mL燒杯、100 mL量筒、膠頭滴管、玻璃棒。

（2）實驗藥品：蒸餾水、氧化鎂粉末、0.1 mol/L稀鹽酸，氫氧化鋁片（含0.245 g/片），碳酸氫鈉片（含0.5 g/片），鋁碳酸鎂咀嚼片（含0.5 g/片）。

（3）實驗裝置如圖1所示。

3. 實驗步驟

（1）按照要求組裝好儀器，在四頸燒瓶中加入100 mL 0.1 mol/L稀鹽酸，恒壓分液漏斗中加入25 mL0.1 mol/L稀鹽酸，1 g藥品（鋁碳酸鎂咀嚼片用研缽碾碎）放入氣球中，再將氣球套在燒瓶瓶口。

（2）在電腦上打開“DISlab”軟件，選擇每秒采集一次數(shù)據(jù)，點擊“開始”。

（3）打開磁力攪拌器，并將氣球中的藥品放入稀鹽酸中。打開分液漏斗慢慢滴加稀鹽酸。

（4）待數(shù)據(jù)不再變化后，停止實驗，保存數(shù)據(jù)。停止磁力攪拌。

4. 實驗記錄（如表1所示）

四、教學(xué)環(huán)節(jié)

2. 評價量規(guī)（如表3所示）

3. 實驗結(jié)果與討論

通過所得實驗數(shù)據(jù)可知，相同質(zhì)量的四種止酸劑與相同質(zhì)量、相同濃度的鹽酸反應(yīng)前后，只有氧化鎂溫度上升了1.4 ℃，其余三種藥品反應(yīng)前后溫度變化不大?？梢姺醚趸V后胃中會有溫?zé)岣?，但也在可承受范圍?nèi)（見圖2）。

四種止酸劑中，碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)后瓶內(nèi)壓強從102.5 kPa升高到108.4 kPa，小氣球明顯膨脹，其余三種藥品反應(yīng)前后壓強變化不大?？梢姺锰妓釟溻c片后會引起胃脹（圖3）。

從圖4、圖5可知，氧化鎂與鹽酸反應(yīng)后，2分鐘左右就將溶液pH提高到10。因為1 g氧化鎂的物質(zhì)的量為0.025 mol，而鹽酸中n（HCl）=0.01 mol，過量的氧化鎂會與水反應(yīng)生成氫氧化鎂，堿性太強會使胃蛋白酶失去活性。碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)5分鐘后溶液pH提高到5，后來隨著鹽酸的不斷滴加pH又略有下降。氫氧化鋁與鹽酸反應(yīng)較慢，30分鐘左右才將溶液pH提高到2，75分鐘左右將溶液pH提高到3.7并保持較長時間不變。鋁碳酸鎂片僅用100秒時間就將溶液pH提高到4，并能保持75分鐘以上。

4. 實驗結(jié)論

（1）氧化鎂會消耗太多鹽酸，使胃蛋白酶失去活性，因此不適合做止酸劑。

（2）碳酸氫鈉片止酸效果不錯，但是會引起胃脹。氫氧化鋁反應(yīng)較慢，需要0.5～1小時才能見效。

（3）鋁碳酸鎂反應(yīng)快藥效長久，止酸效果好。它可以吸附對胃有損傷的因子（比如胃蛋白酶和膽汁酸等），還可以促進對胃有保護作用的前列腺素E2的分泌。因此是比較理想的止酸劑。

四、教學(xué)反思

1. 創(chuàng)新之處

（1）模擬真實情境

人體的胃中約有幾十毫升胃液，pH 為0.9～1.5。因為要模擬胃酸過多的情況，所以取100 mL 0.1 mol/L稀鹽酸（pH=1）。止酸劑按照用法用量，各取1 g參與反應(yīng)。正常成人空腹時鹽酸排出量為0～5 mmol/h，在食物或藥物刺激下可達20～25 mmol/h[6]，因此用恒壓分液漏斗以2～3 mL/min的速度滴入鹽酸模擬人體內(nèi)胃酸的分泌。因為胃壁柔軟有彈性，所以用氣球模擬胃的彈性結(jié)構(gòu)。

（2）對以往實驗的改進

① 反應(yīng)在一個斜口四頸燒瓶中進行，可同時測量pH、壓強和溫度變化，一次完成，提高實驗效率。

② 事先將藥品放在氣球內(nèi)，實驗裝置是一個密閉系統(tǒng)，測得反應(yīng)體系的壓強和溫度不受干擾，精確度高。同時也可以通過氣球的膨脹與否簡單直觀地觀察反應(yīng)體系的壓強變化。

③ 通過恒壓分液漏斗滴加鹽酸，既避免添加液體對壓強的影響，又防止因體系壓強增大導(dǎo)致液體無法順利滴下。

2. 活動總結(jié)

化學(xué)學(xué)科的深度學(xué)習(xí)旨在通過具有化學(xué)學(xué)科特色的挑戰(zhàn)性任務(wù)，促進學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)習(xí)目標強調(diào)在獲得化學(xué)核心知識的基礎(chǔ)上，促進化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展;學(xué)習(xí)過程強調(diào)化學(xué)學(xué)科特有的學(xué)習(xí)活動——以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，讓學(xué)生完成挑戰(zhàn)性任務(wù)，積極參與，產(chǎn)生情感共鳴;學(xué)習(xí)結(jié)果強調(diào)化學(xué)學(xué)科思想方法的理解與運用。

本次教學(xué)活動圍繞“如何選擇一款合適的止酸劑？”這個主題，涵蓋核心知識內(nèi)容（酸、堿、鹽的性質(zhì)和用途），有穩(wěn)定的認識領(lǐng)域和研究對象（醫(yī)藥），有明確和獨立的本源性問題（酸、堿、鹽的選擇和使用），有真實的客觀存在和應(yīng)用。在教學(xué)過程中，筆者采用實驗探究的教學(xué)方法，設(shè)計明暗兩條主題線。明線是尋找一款合適的止酸劑，暗線是酸、堿、鹽化學(xué)性質(zhì)的復(fù)習(xí)。有針對性地設(shè)計合適的活動內(nèi)容和形式，確保落實學(xué)生學(xué)科思想方法的建構(gòu)和素養(yǎng)的發(fā)展。在實驗過程中，真正做到教師導(dǎo)、學(xué)生學(xué)，并且注意傾聽學(xué)生的不同意見，充分發(fā)揮學(xué)生的主動性，讓學(xué)生自己分析解決問題。在實驗活動過程中持續(xù)性地進行教師評價和自我評價，檢驗課程目標的達成情況，促進學(xué)生的自我反思。

經(jīng)過本次活動，提高了學(xué)生數(shù)據(jù)處理和分析整合的意識，加深對核心知識的理解，增強了設(shè)計和完成探究實驗的能力，有助于提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

3. 改進優(yōu)化的空間

由于時間有限，所以沒有讓學(xué)生自主設(shè)計實驗裝置，也省去了一些實驗步驟。如果時間充裕，可以讓學(xué)生提出、討論并解決更多生成性的問題。

本活動可以作為項目化學(xué)習(xí)主題，用4～6個課時完成主題活動。在設(shè)計實驗方案過程中可以不斷指出學(xué)生實驗方案上的不足，讓學(xué)生從以往做過的實驗題、書籍和網(wǎng)絡(luò)資料及實驗室現(xiàn)有儀器和裝置中尋找解決方案，通過一系列驅(qū)動型問題使學(xué)生學(xué)會使用分析、調(diào)研、問題解決等高階認知策略。