問道優(yōu)質(zhì)實驗教學發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的數(shù)字化實驗設計

刁卓 錢揚義 王立新 唐文秀

摘要： 借助手持技術數(shù)字化實驗手段，分別設計CO2、 SO2與H2O反應相關的四個實驗。利用四重表征分析比較CO2、 SO2與H2O反應的實驗過程，從宏微結合的視角發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養(yǎng)，豐富了手持技術數(shù)字化實驗案例，為教師進行教學提供參考。

關鍵詞： 手持技術; 宏觀辨識與微觀探析; pH傳感器; 四重表征

文章編號： 1005-6629（2022）05-0062-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

“宏觀辨識與微觀探析”是五大化學學科核心素養(yǎng)之一，要求學生能夠通過觀察宏觀現(xiàn)象，結合微觀視角對已有知識進行辨識、探析，運用符號表征物質(zhì)及其變化等。美國頒布的《新一代科學教育標準》中亦要求學生能夠從分子和亞原子水平對宏觀的化學物質(zhì)和過程做出解釋和預測[1]。

元素化合物知識的學習是培養(yǎng)學生該素養(yǎng)的重要載體。CO2、 SO2是兩種重要的酸性氧化物，與H2O反應是兩種物質(zhì)的重要性質(zhì)之一，教材中也編排了相應的實驗。如人教版初中化學教材利用四朵染有紫色石蕊試液的干燥紙花探究CO2與H2O反應[2];人教版高中化學必修第二冊則是利用實驗探究SO2與水反應[3]。初中教材中實驗準備工作繁冗，操作步驟復雜，易讓學生混淆;高中教材的實驗則存在SO2氣體泄漏的問題。

上述兩個實驗，學生僅能從宏觀層面了解CO2、 SO2與H2O發(fā)生反應，但不能從微觀層面理解發(fā)生反應的本質(zhì)。而且，學生僅僅知道CO2、 SO2與H2O反應均生成了酸這一共性，但不清楚二者與H2O反應的差異性究竟體現(xiàn)于何處，如二者在水中溶解度的不同、與水反應生成酸的酸性不同、化合價均呈現(xiàn)正四價的S元素和C元素還原性不同等等。

為此，我們借助手持技術數(shù)字化實驗和圖1所示的教學模型，分別設計CO2、 SO2與H2O反應相關的四組實驗，旨在達到如下目的： （1）借助手持技術展示CO2、 SO2與H2O反應過程的微觀本質(zhì);（2）借助手持技術幫助學生理解CO2、 SO2與H2O反應的異同點;（3）借助手持技術幫助學生認識化合價均呈現(xiàn)正四價的S元素和C元素還原性的差異。

2 促進問題解決的手持技術數(shù)字化實驗設計

2.1 實驗方案

方案設計如表1所示。

2.2 實驗用品

實驗儀器： 平板電腦（安裝Multilab軟件）、數(shù)據(jù)采集器、pH傳感器、溫度傳感器、分液漏斗、圓底燒瓶、乳膠管、膠塞、磁力攪拌器、磁子、錐形瓶（100mL）、燒杯（250mL）、容量瓶（500mL）、膠頭滴管、鐵架臺、不同規(guī)格彎管若干、酒精燈、三腳架、石棉網(wǎng)、普通漏斗、量筒等

實驗試劑： Na2CO3（AR）、濃H2SO4（AR）、 Na2SO3（AR）、 NaOH（AR）、紫色石蕊指示劑（AR）

2.3 實驗裝置

除了手持技術相關配套儀器外，實驗裝置的設計考慮以下幾個方面： （1）實驗中SO2為有毒氣體，故在實驗2、實驗3實驗裝置中，特設計尾氣吸收裝置以保證實驗的綠色化;（2）實驗中空氣中的氧氣為干擾變量，故實驗1、實驗3實驗裝置采用了密閉裝置，又因為隨著參與反應的氣體不斷通入，排出裝置中原本的空氣，所以在一定程度上排除了空氣中氧氣的干擾;（3）實驗目的之一是對比探究CO2和SO2與水的反應，故CO2系列實驗和SO2系列實驗采用相似的實驗裝置。基本裝置如圖2、圖3所示。

2.4 實驗步驟

2.4.1 實驗1操作步驟

（1） 校正pH傳感器;

（2） 按照圖2組裝儀器，并檢查裝置氣密性;

（3） 將適量Na2CO3固體加入圓底燒瓶中，使其均勻鋪滿錐形瓶底部，并用量筒量取40mL H2SO4（1mol/L）溶液于分液漏斗中，作為氣體發(fā)生裝置;

（4） 取NaOH（10%）溶液150mL于大燒杯（250mL）中，作為尾氣吸收裝置;

（5） 取80mL的去離子水于錐形瓶（100mL）中，并滴入紫色石蕊指示劑。安裝好pH傳感器，加入磁子并開啟磁力攪拌器;

（6） 開啟數(shù)據(jù)采集器，設置采集器采樣頻率為1次/s，時間為“連續(xù)”，運行軟件。待讀數(shù)穩(wěn)定后，轉動分液漏斗活塞，控制H2SO4（1mol/L）溶液的流速，使氣體均勻地通入集氣瓶中;

（7） 觀察現(xiàn)象并及時記錄反應過程中pH變化。當體系pH穩(wěn)定后，結束實驗并保存相關圖形與數(shù)據(jù);

（8） 保留錐形瓶中溶液，記錄為溶液1。

2.4.2 實驗2操作步驟

（1） 按照圖3組裝儀器，固定好溫度傳感器和pH傳感器并將其插入溶液1中;

（2） 開啟數(shù)據(jù)采集器，設置采集器采樣頻率為1次/s，時間為“連續(xù)”，運行軟件。待讀數(shù)穩(wěn)定后，點燃酒精燈，對溶液1進行加熱;

（3） 觀察現(xiàn)象并及時記錄反應過程中pH和溫度的變化。當該體系pH和溫度穩(wěn)定之后，結束實驗并保存相關圖形與數(shù)據(jù)。

2.4.3 實驗3操作步驟

按照實驗1操作步驟進行實驗。對實驗藥品進行更換，將分液漏斗中液體換成濃硫酸，將圓底燒瓶內(nèi)固體換成Na2SO3，其他操作步驟不變。最后得到溶液記錄為溶液2。

2.4.4 實驗4的操作步驟

按照實驗2操作步驟進行實驗。對實驗3所得溶液2進行加熱，其他操作步驟不變。

3 實驗數(shù)據(jù)分析

為保證實驗的重現(xiàn)性和準確性，本文實驗均進行了三次以上的重復性實驗。每個實驗中選擇其中一條曲線對應的數(shù)據(jù)進行處理。筆者將曲線數(shù)據(jù)導入Origin8.0軟件作圖，整合為較直觀的曲線表征，并結合宏觀現(xiàn)象（宏觀表征）、主要方程式（符號表征）、溶液中主要微觀粒子（微觀表征）三個方面，利用四重表征理論[4～8]進行分析（該實驗中，石蕊作為指示劑參與反應，目的在于表征宏觀現(xiàn)象，故不對其涉及的化學反應進行微觀和符號表征）。

3.1 CO2與H2O反應實驗分析

圖4、圖5分別為實驗1 CO2與H2O反應和實驗2加熱CO2與H2O反應后溶液的pH隨時間變化曲線，利用四重表征理論對實驗結果進行分析，詳見表2、表3。

3.2 SO2與H2O反應實驗分析

4加熱SO2與H2O反應后溶液的pH隨時間變化曲線，利用四重表征理論對實驗結果進行分析，詳見表4、表5。

3.3 CO2、 SO2與H2O反應對比分析

3.3.1 實驗1與實驗3曲線對比分析

如圖8所示，分析數(shù)據(jù)有以下異同點： （1）曲線均呈下降趨勢： CO2和H2O反應生成H2CO3，SO2與H2O反應生成H2SO3，溶液中H+濃度均增加，pH下降，曲線均下降;（2）曲線①在曲線②上方： CO2和H2O反應生成的H2CO3為弱酸，SO2與H2O反應生成的H2SO3為中強酸，H2SO3的電離常數(shù)（25℃， K1=1.3×10-2）遠大于H2CO3的電離常數(shù)（25℃， K1=4.30×10-7），所以H2SO3的酸性相對H2CO3較強，CO2溶解度[1.26g/L（水，30℃， 101kPa）]小于SO2溶解度[78g/L（水，30℃， 101kPa）]，相同體積的水中，溶解于水中SO2比CO2多，SO2與H2O反應生成的H2SO3較多，CO2與H2O反應生成的H2CO3相對較少[9，10]，故曲線①在曲線②上方;（3）曲線①下降相對較慢，曲線②急速下降： H2SO3的電離常數(shù)大于H2CO3的電離常數(shù)，在相同時間內(nèi)，H2SO3電離出的H+濃度大于H2CO3電離出的H+濃度，所以曲線②下降速度較快。

3.3.2 實驗2與實驗4曲線對比分析

如圖9所示，CO2與H2O反應溶液中H2CO3隨著溫度升高，受熱分解成CO2和H2O，導致溶液H+濃度降低，pH升高，曲線③上升;SO2與H2O反應生成的H2SO3暴露在空氣中，被氧化成H2SO4，溶液中H+濃度升高，pH降低，曲線④下降。

4 實驗結果討論

（1） 本文借助手持技術設計實驗1、實驗3，通過實驗的宏觀現(xiàn)象，測量溶液中微觀粒子H+濃度的變化，利用pH曲線的變化直觀呈現(xiàn)CO2、 SO2與H2O反應的微觀過程。教師應用四重表征理論引導學生探究CO2、 SO2與H2O反應的微觀本質(zhì)，從宏微結合的視角構建學生“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)。

（2） 通過對實驗1、實驗3中的曲線變化對比分析CO2、 SO2與H2O反應的異同點。CO2與H2O反應和SO2與H2O反應均使溶液的pH降低。pH曲線下降，說明兩者反應均生成了酸。但二者反應pH曲線變化趨勢上存在差異，由于CO2、 SO2的溶解度不同、與水反應生成H2CO3、 H2SO3的電離常數(shù)不同而導致酸性不同。

（3） 通過實驗2、實驗4的結果，分析溫度對CO2、 SO2與H2O反應溶液成分的影響及反應原理。加熱CO2與H2O反應時溶液pH升高，而加熱SO2與H2O反應時溶液pH降低，分析可知二者溶液均暴露在空氣中加熱，CO2與H2O反應生成的H2CO3難以被氧化，但不穩(wěn)定性受熱易分解;而SO2與H2O反應生成的H2SO3中S元素具有還原性，亞硫酸被O2氧化生成H2SO4， H2SO4較穩(wěn)定，受熱不易分解。說明H2SO3中S元素的還原性大于H2CO3中C元素的還原性。

5 教學建議

5.1 實驗關鍵點

（1） 在進行CO2、 SO2與H2O反應的實驗時，要保證裝置的氣密性，并且要在通風條件下進行。

（2） 為得到較為純凈的CO2和SO2氣體，又要考慮實驗裝置的簡易性，本實驗根據(jù)相關文獻，特選擇了Na2SO3和濃H2SO4反應制備SO2、 Na2CO3和稀H2SO4反應制備CO2。

（3） 為保證實驗所得數(shù)據(jù)的可靠性，通入CO2和SO2氣體的氣流要平緩、連續(xù)且速度一致，導管應盡可能插入水溶液底部，同時裝置要置于磁力攪拌器上進行攪拌，以增大CO2、 SO2與H2O的接觸面積。

5.2 實驗教學建議

本研究中的實驗可用于不同學段的教學。例如，CO2與H2O反應及加熱其溶液的實驗可用于初三階段的二氧化碳性質(zhì)的教學，教師在教學時需要補充與pH相關的知識，僅從溶液的pH改變這點切入教學，不對曲線變化趨勢原因進行深入分析;SO2與H2O反應及加熱其溶液的實驗則用于高一階段二氧化硫性質(zhì)的教學，教師根據(jù)學生的認知程度，選擇合適的實驗分析角度進行課堂教學。本研究的四個實驗更適用于已學習化學選修4相關知識的學生進行研究性學習和科學探究活動，學生在進行實驗的過程中，可以收集手持技術產(chǎn)生的曲線證據(jù)，并利用已學的知識對曲線得到的證據(jù)進行分析推理，避免對知識的死記硬背，培養(yǎng)學生科學探究與證據(jù)推理的能力。與此同時，學生通過觀察反應的宏觀現(xiàn)象，分析曲線變化，探析反應的微觀本質(zhì)，發(fā)展學生“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養(yǎng)。

5.3 改進方向

在實驗設計方面，可在進行SO2與H2O反應實驗時通入惰性氣體，以排除氧氣的干擾;在研究對象方面，可利用手持技術對比探究SO2、 CO2的其他性質(zhì)，深化二者的學習。

利用手持技術數(shù)字化實驗手段進行四重表征分析的問題解決模式為學生深入學習元素化合物的相關知識以及發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養(yǎng)提供了方向。

參考文獻：

[1]Talanquer V.， Sevian H.. Chemistry in Past and New Science Frameworks and Standards： Gains， Losses， and Missed Opportunities [J]. Journal of chemical education， 2014， 91（1）： 24～29.

[2]王晶， 鄭長龍. 義務教育教科書·化學九年級上冊[M]. 北京： 人民教育出版社， 2012： 118.

[3]王晶， 畢華林. 普通高中教科書·化學必修第二冊[M]. 北京： 人民教育出版社， 2019： 3.

[4]王立新， 錢揚義， 李言萍， 陳博殷， 梁宏宇. 手持技術支持下概念學習的“多重轉化、比較建構”認知模型——以“溫室效應”概念學習為例[J]. 電化教育研究， 2017， 38（10）： 100.

[5]錢揚義， 葉靜怡， 鄧峰， 等. 手持技術在化學學習中的應用與建模研究[M]. 北京： 科學出版社， 2009.

[6]錢揚義， 杜永鋒， 李佳， 等. 掌上實驗室（Labin Hand）的特點及其功能[J]. 電化教育研究， 2003， （10）： 59～62.

[7]錢揚義， 陳建斌. 在“數(shù)字化掌上實驗室”中做科學[J]. 中國電化教育， 2004， （5）： 45～48.

[8]林建芬， 盛曉婧， 錢揚義. 化學“四重表征”教學模式的理論建構與實踐研究——從15年手持技術數(shù)字化實驗研究的回顧談起[J]. 化學教育， 2015， 36（7）： 1～6.

[9]王玉芝. 實用大學化學手冊[M]. 長沙： 湖南科學技術出版社， 2015： 610.

[10]實用化學手冊編寫組. 實用化學手冊[M]. 北京： 科學出版社， 2001： 415.