基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 學(xué)習(xí)化學(xué)抽象原理

倪姍姍

摘要：在課堂中引入“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”儀器，學(xué)生通過(guò)小組合作、設(shè)計(jì)方案、分組實(shí)驗(yàn)、探究“化學(xué)腐蝕速率和原電池腐蝕速率的大小”。運(yùn)用壓力傳感器和常用的儀器藥品設(shè)計(jì)出兩個(gè)簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)方案，在具支試管中測(cè)量鋅粒在化學(xué)腐蝕和原電池腐蝕中產(chǎn)生氣體的壓強(qiáng)，從壓強(qiáng)—時(shí)間的曲線變化，得出“原電池腐蝕速率大于化學(xué)腐蝕速率”這一結(jié)論，并通過(guò)概念遷移、數(shù)據(jù)處理，定量計(jì)算出兩者速率比。用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)抽象的原理，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新的能力，用壓強(qiáng)表征反應(yīng)速率，培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移和應(yīng)用的能力。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；壓力傳感器；化學(xué)腐蝕；原電池腐蝕；腐蝕速率比較

文章編號(hào)：1008-0546（2023）07-0079-06 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.015

一、問(wèn)題的提出

金屬的腐蝕是高中電化學(xué)知識(shí)的教學(xué)重難點(diǎn)，對(duì)于腐蝕速率的快慢，教材中提出“電化學(xué)腐蝕的速率大于化學(xué)腐蝕速率”[1，2]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)論1），同時(shí)給出電化學(xué)腐蝕比化學(xué)腐蝕速率“快得多”[2]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)結(jié)論2）的結(jié)論。上述結(jié)論，教材中沒(méi)有文字解釋?zhuān)矝](méi)有實(shí)驗(yàn)說(shuō)明。在考查學(xué)生電化學(xué)知識(shí)時(shí)經(jīng)常用到結(jié)論1，絕大多數(shù)的教參中都會(huì)出現(xiàn)這樣的習(xí)題。[3-5] 教師在教學(xué)中大多數(shù)會(huì)從理論上用語(yǔ)言抽象地描述，學(xué)生很難有深入的理解和認(rèn)識(shí)，只能機(jī)械記憶。對(duì)于結(jié)論2，學(xué)生更是沒(méi)有直觀認(rèn)識(shí)和實(shí)驗(yàn)佐證。

查閱中國(guó)基礎(chǔ)教育文獻(xiàn)資源總庫(kù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)“金屬腐蝕速率”的研究?jī)?nèi)容主要集中在3個(gè)方面：（一）金屬腐蝕速率的影響因素。從金屬的種類(lèi)、溶液的類(lèi)型、溶液的濃度等多方面研究不同因素對(duì)金屬腐蝕速率的影響。[6-8]（二）吸氧腐蝕和析氫腐蝕的對(duì)比研究，探究?jī)煞N腐蝕的條件。[9，10]（三）對(duì)比單液原電池和雙液原電池的工作效率。[11，12] 而用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明結(jié)論1較少，[13-15] 其共同點(diǎn)都是應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，得出結(jié)論1，給教師很大的啟發(fā)。但都是教師設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，且沒(méi)有定量比較，而把金屬腐蝕速率比較的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于課堂教學(xué)的分組實(shí)驗(yàn)探究中暫未發(fā)現(xiàn)。

本研究在高二化學(xué)班的課堂教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)小組合作探究化學(xué)腐蝕和原電池腐蝕速率的大小，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)兩個(gè)簡(jiǎn)單易行的實(shí)驗(yàn)方案，探討3個(gè)方面的問(wèn)題：（1）解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中現(xiàn)象不明顯的問(wèn)題； （2）通過(guò)壓力傳感器測(cè)量壓強(qiáng)—時(shí)間變化的曲線，通過(guò)比較曲線斜率的大小，判斷腐蝕速率的大小，得出結(jié)論1。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，分析處理，計(jì)算在一定條件下原電池腐蝕與化學(xué)腐蝕的速率比。

二、教學(xué)理念和設(shè)計(jì)

1. 教學(xué)思想

本節(jié)課通過(guò)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中不易顯現(xiàn)的現(xiàn)象，引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，以小組合作的形式，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。一方面觀察數(shù)據(jù)，得出定性的結(jié)論，另一方面處理數(shù)據(jù)，得出定量的結(jié)論。以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究為重點(diǎn)，同時(shí)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)形成對(duì)比，將化學(xué)學(xué)科抽象原理（金屬腐蝕速率）與核心素養(yǎng)（證據(jù)推理和科學(xué)探究等）共同融入教學(xué)（見(jiàn)圖1）。幫助學(xué)生從直觀的感性（曲線）認(rèn)識(shí)中分析反應(yīng)本質(zhì)、理解抽象原理。

2. 教學(xué)流程

教學(xué)流程見(jiàn)圖2。

三、教學(xué)問(wèn)題解決實(shí)施

本節(jié)課以生活中金屬腐蝕圖片引入主題，引起學(xué)生對(duì)化學(xué)現(xiàn)象的思考，引發(fā)探究欲望。提出任務(wù)：如何用實(shí)驗(yàn)研究“化學(xué)腐蝕速率和原電池腐蝕（析氫腐蝕）速率的大小”。

1. 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論驗(yàn)證

化學(xué)腐蝕和原電池腐蝕的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比如表1。兩種腐蝕的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)表1中圖3和圖4，通過(guò)觀察兩者產(chǎn)生H 2 氣泡的快慢，比較兩種腐蝕速率的大小。

2. 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究

在傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)肉眼較難觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需借助數(shù)字化手持技術(shù)進(jìn)行定量化實(shí)驗(yàn)研究。[16，17]

（1）探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

①數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的介紹

教師介紹數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的儀器，展示壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集器，演示它們與電腦之間的連接和操作，以及軟件的使用等。學(xué)生了解到定量比較氣體的多少，不僅可以測(cè)量體積，還可以通過(guò)壓力傳感器測(cè)量恒容密閉容器中氣體的壓強(qiáng)。

②方案的設(shè)計(jì)

Ⅰ設(shè)計(jì)過(guò)程

見(jiàn)圖5。

Ⅱ?qū)嶒?yàn)裝置

學(xué)生通過(guò)討論得出：具支試管為最佳的反應(yīng)容器。裝置實(shí)物圖和示意圖見(jiàn)圖6。

Ⅲ儀器藥品

實(shí)驗(yàn)儀器：具支試管、帶有滴管的單孔橡膠塞、橡膠管、壓力傳感器（Vernier的型號(hào)為GAS-BTA）、數(shù)據(jù)采集器（LABQ2），筆記本電腦（裝有LoggerPro3.8.7軟件）等。

實(shí)驗(yàn)藥品：鋅粒（臺(tái)山市眾城化工廠，AR）、1 mol·L -1H 2 SO 4 溶液、1 mol·L -1 CuSO 4 溶液。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象、結(jié)論

同學(xué)們通過(guò)討論首先得出了實(shí)驗(yàn)方案1，再通過(guò)教師引導(dǎo)： “如何在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)兩種腐蝕過(guò)程？”，得出實(shí)驗(yàn)方案2。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案的示意圖見(jiàn)圖7和圖8，實(shí)驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖9和圖10，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)圖見(jiàn)圖11和圖12（在origin軟件中作圖），具體內(nèi)容見(jiàn)表2。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題主要有以下2個(gè)方面：（1）加入CuSO 4 溶液之后采集數(shù)據(jù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致容器中壓強(qiáng)過(guò)大，膠塞被氣壓沖開(kāi)。（2）橡膠塞沒(méi)有塞緊，容器漏氣，導(dǎo)致容器內(nèi)的壓強(qiáng)一直變化不大。在出現(xiàn)上述問(wèn)題時(shí)，以小組討論為主，教師引導(dǎo)為輔，學(xué)生積極思考，共同解決問(wèn)題。

3. 曲線數(shù)據(jù)的定量分析

（1）提出問(wèn)題

在得出結(jié)論1之后，教師提出問(wèn)題：在這個(gè)反應(yīng)中，原電池腐蝕速率是化學(xué)腐蝕的幾倍？

（2）討論方案

（3）處理數(shù)據(jù)

以某一小組方案1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例（見(jiàn)表3），

（4）得出結(jié)論

在此實(shí)驗(yàn)條件下原電池腐蝕速率約為化學(xué)腐蝕速率的4.76倍左右。（每個(gè)小組算出來(lái)的數(shù)值有所偏差，最后可以算出幾個(gè)小組的平均值。且不同的藥品和裝置，測(cè)量和計(jì)算的結(jié)果有所不同。）學(xué)生從直觀的數(shù)據(jù)得出，原電池的腐蝕速率比化學(xué)腐蝕速率“快得多”——教材中的結(jié)論2，其他條件下甚至比這個(gè)比值更大，不僅培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力，更能體會(huì)生活中金屬腐蝕的嚴(yán)重性，以及金屬防腐的重要性，激發(fā)學(xué)生將來(lái)致力于研究減緩金屬腐蝕速率的有效方法的興趣。

4. “四重表征”比較分析

在傳統(tǒng)“三重表征”基礎(chǔ)上發(fā)展形成的四重表征，[18，19] 即宏觀—微觀—曲線—符號(hào)。幫助學(xué)生多角度分析問(wèn)題，理解反應(yīng)本質(zhì)，學(xué)習(xí)抽象原理。下文以方案2為例，從“宏觀—微觀—符號(hào)—曲線”4個(gè)方面進(jìn)行分析（見(jiàn)表4）。

5. 課下問(wèn)題的思考和拓展

本節(jié)課后留給同學(xué)們思考的問(wèn)題： （1）原電池微觀的工作原理。根據(jù)現(xiàn)象和結(jié)論進(jìn)一步從電子、離子等角度思考原電池的微觀工作原理。 （2）影響腐蝕速率的因素。由不同小組在操作不同、試劑不同等情況下得出的數(shù)據(jù)不同，思考影響腐蝕速率的具體因素。（3）拓展實(shí)驗(yàn)：電化學(xué)腐蝕中還有電解池腐蝕，如何用實(shí)驗(yàn)比較“電解池腐蝕的速率和化學(xué)腐蝕速率的大小”。帶著這些問(wèn)題，進(jìn)一步運(yùn)用探究的方法，小組的形式，培養(yǎng)靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，提高解決未知問(wèn)題的能力。

四、教學(xué)反思和建議

1. 教學(xué)反思

（1）利用簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)探究抽象原理

用實(shí)驗(yàn)室中常規(guī)、少量的藥品，簡(jiǎn)單、易操作的儀器設(shè)計(jì)并進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，得出教材中抽象的結(jié)論，耗時(shí)短，現(xiàn)象明顯，重現(xiàn)性高。有效地幫助學(xué)生從直觀的現(xiàn)象理解抽象的原理，進(jìn)而分析原因，理解本質(zhì)。同時(shí)便于應(yīng)用于課堂教學(xué)的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比過(guò)去手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)絕大多數(shù)在課余興趣小組開(kāi)展，取得了較大的突破，有利于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在課堂教學(xué)中的推廣。

（2）運(yùn)用數(shù)據(jù)處理體會(huì)定量研究

“重視信息技術(shù)的應(yīng)用”應(yīng)重視化學(xué)教材信息資源平臺(tái)的建設(shè)，為各種潛力的學(xué)生和教師提供多種多樣的學(xué)習(xí)資源。[20] 課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年）的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分里，多次提到“定量”。本研究利用實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)概念遷移、數(shù)據(jù)處理，得出定量結(jié)論2，學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用化學(xué)符號(hào)和定量計(jì)算等手段深入學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)。

（3）基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)探究過(guò)程

學(xué)生在設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)習(xí)探究方法，培養(yǎng)探究能力，提高學(xué)科的科學(xué)素養(yǎng)。同時(shí)積極思考，并依據(jù)探究目的，設(shè)計(jì)并優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，完成實(shí)驗(yàn)，能對(duì)觀察記錄的實(shí)驗(yàn)信息進(jìn)行加工并獲得結(jié)論，能和同學(xué)交流和分享，尊重事實(shí)和證據(jù)，養(yǎng)成獨(dú)立思考、勇于質(zhì)疑和勇于創(chuàng)新的精神。[20]

（4）通過(guò)小組合作培養(yǎng)合作意識(shí)

在此實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，壓緊橡膠塞，滴入硫酸銅溶液，采集數(shù)據(jù)，觀察儀器的接口是否有脫落的可能等，諸多工作都需要各成員配合協(xié)作，小組成員各抒己見(jiàn)，提出方案，共同解決問(wèn)題。凸顯學(xué)生的主體地位，使得課堂教學(xué)變得富有活力，提升合作意識(shí)，提高自主學(xué)習(xí)能力。

2. 建議

（1）表征抽象概念的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)

教材中較多的反應(yīng)原理比較抽象，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)佐證。例如單液原電池和雙液原電池電流和電壓的對(duì)比、電解池腐蝕速率與原電池腐蝕速率的比較等，有待于研究者對(duì)教材中抽象原理進(jìn)行物理量的表征，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單可行的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生從物質(zhì)的微觀層面理解化學(xué)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，有助于深度學(xué)習(xí)抽象的原理知識(shí)。

（2）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在教材中應(yīng)用

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，在“教材編寫(xiě)建議”中明確提出“化學(xué)教材應(yīng)適當(dāng)增加數(shù)字化實(shí)驗(yàn)、定量實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)等，體會(huì)、認(rèn)識(shí)技術(shù)手段的創(chuàng)新對(duì)化學(xué)科學(xué)的重要價(jià)值”[20] 。手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)近幾年的案例開(kāi)發(fā)逐漸增多，與中學(xué)教學(xué)聯(lián)系日趨緊密，課題研究越發(fā)深入，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和效果朝著簡(jiǎn)潔高效的趨勢(shì)發(fā)展。在編寫(xiě)教材時(shí)可以選擇一些數(shù)字化手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)案例，供有條件的學(xué)校運(yùn)用。

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