定性定量相結(jié)合數(shù)字化探究“不同成分胃藥功效”

倪晶晶??李云峰

化學(xué)是理論性與實用性緊密結(jié)合的學(xué)科?；瘜W(xué)就在生活中?；瘜W(xué)教師將化學(xué)知識融合在真實情境中講授，可以充分展現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的“實用魅力”，有效激發(fā)學(xué)生對于化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。在“常見的酸堿鹽”教學(xué)中，很多教師以“幾種不同成分的胃藥”為例，結(jié)合圖片等講述，讓學(xué)生了解胃藥的反應(yīng)原理、功效以及使用注意事項等。但是，單純的理論介紹缺乏實踐性，學(xué)生被動接受而非在探究活動中主動獲取知識，學(xué)習(xí)深度不夠，學(xué)科素養(yǎng)難以提高。課后，學(xué)生提出“能不能模擬胃藥與胃酸的反應(yīng)”“能不能設(shè)計實驗探究不同胃藥的功效”等問題。很多文獻(xiàn)指出，教師科學(xué)應(yīng)用手持技術(shù)可實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的可視化，通過定量計算使實驗結(jié)論更具理據(jù)性。為提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，教師將生活與理論深度結(jié)合，選擇三種常見胃藥與模擬胃酸反應(yīng)，用定性、定量研究的方法，開展對比實驗，回答學(xué)生的問題。教師通過數(shù)字化實驗驗證藥理，引導(dǎo)學(xué)生在胃藥作用與化學(xué)反應(yīng)之間建立聯(lián)系，真正理解不同胃藥“功效”，掌握相關(guān)知識和原理，提高科學(xué)思維能力。

一、定性研究，展示化學(xué)“表象魅力”

教師要求學(xué)生參與探究活動，回答問題：“不同品牌的胃藥抗胃酸能力一樣嗎？”

教師帶領(lǐng)學(xué)生設(shè)計實驗方案。人體正常胃液pH為0.9—1.5，本實驗中選用的稀鹽酸pH為1.4，用以模擬與胃藥反應(yīng)的胃酸。三種胃藥成分不同，具體有效成分等信息見表1。

教師準(zhǔn)備三個50 mL的小燒杯，分別放入經(jīng)過研磨的三種胃藥（如圖1），在每個燒杯中加入20 mL pH為1.4的稀鹽酸。攪拌1分鐘后，測定每個燒杯中溶液的pH。

【觀察討論】觀察現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)盛放胃藥一的燒杯中有大量氣泡，溶液很快變澄清；胃藥二與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生少量氣泡，一段時間后溶液仍渾濁；胃藥三與稀鹽酸反應(yīng)，無氣泡，一段時間后溶液仍渾濁（如圖2）。從現(xiàn)象上看，胃藥一與稀鹽酸反應(yīng)最劇烈。

【現(xiàn)象分析】師生查閱胃藥成分知曉：胃藥一輔料較少，胃藥二和胃藥三添加了難溶于水的輔料，故胃藥二和胃藥三的反應(yīng)燒杯中溶液渾濁?！胺磻?yīng)后溶液是否澄清”不能作為判斷胃藥抗酸能力強(qiáng)弱的依據(jù)。實驗者需繼續(xù)利用pH試紙測定相同反應(yīng)時間后溶液的pH，通過比較pH的大小，判斷三種胃藥的抗酸能力。從與稀鹽酸反應(yīng)生成氣泡的情況來看，胃藥三沒有氣泡，說明沒有氣體CO生成；胃藥一和胃藥二均有氣體生成，且胃藥一生成氣體更劇烈。

【設(shè)計實驗】教師讓學(xué)生測定上述實驗反應(yīng)前后溶液的pH，記錄實驗結(jié)果（如圖3），并對實驗結(jié)果進(jìn)行再分析。

【觀察討論】與稀鹽酸（pH=1.4）的pH試紙對比，反應(yīng)后溶液的pH試紙顏色均有一定變化，胃藥一和胃藥三的pH試紙顏色變化不明顯，pH約為3；胃藥二的pH試紙顏色變化較明顯，pH約為5。

【現(xiàn)象分析】結(jié)合實驗現(xiàn)象和pH試紙對比可以看出，三種胃藥均有一定的抗酸能力：胃藥二的抗酸能力最好，與稀鹽酸反應(yīng)生成氣體不劇烈，比較溫和；胃藥一與胃藥三較胃藥二抗酸能力較弱，胃藥一生成氣體較劇烈，胃藥三沒有氣體生成。上述現(xiàn)象體現(xiàn)了三種胃藥與稀鹽酸的不同反應(yīng)程度，適用于不同的病情。

【實驗評價】pH試紙作為測定溶液pH的工具，具有操作簡便、方便分組實驗時使用等優(yōu)點(diǎn)，但也存在讀數(shù)不準(zhǔn)確、誤差較大等不足。教師通過定性和“半定量”研究，獲得“現(xiàn)象”證據(jù)較多，展現(xiàn)了化學(xué)的“表象”魅力，但很難對三種不同成分的胃藥“功效”進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

二、定量研究，展示化學(xué)“思維魅力”

為指導(dǎo)學(xué)生用pH傳感器測定三個燒杯中反應(yīng)的變化情況，教師設(shè)計了實驗方案，即向三個燒杯中分別加入pH為1.4的稀鹽酸20 mL，將pH傳感器分別放入燒杯中，打開磁力攪拌器，采集數(shù)據(jù)。分別向燒杯中加入胃藥三（含氫氧化鋁0.25 g）、胃藥二（含鋁碳酸鎂0.25 g）、胃藥一（含碳酸氫鈉0.25 g），采集170 s的pH數(shù)據(jù)。

【課堂展示】屏幕顯示實驗采集的數(shù)據(jù)，并生成pH-曲線圖（如圖4）。

【課堂任務(wù)】學(xué)生根據(jù)實驗現(xiàn)象及pH傳感器測得的數(shù)據(jù)填寫表格（見表2）。

【討論交流】學(xué)生觀察到胃藥一、胃藥二與稀鹽酸反應(yīng)都有氣體產(chǎn)生，但胃藥二反應(yīng)現(xiàn)象不明顯。教師引導(dǎo)學(xué)生思考用什么方法判斷哪種胃藥產(chǎn)生的氣體更多。

【定量計算】學(xué)生依據(jù)反應(yīng)后溶液的pH確定稀鹽酸過量，按以下方法計算0.25 g鋁碳酸鎂、碳酸氫鈉片與稀鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生的二氧化碳質(zhì)量（鋁碳酸鎂與鹽酸的反應(yīng)較復(fù)雜，教師提供已配平的化學(xué)方程式）：

學(xué)生通過計算發(fā)現(xiàn)，相同質(zhì)量的胃藥一產(chǎn)生的氣體質(zhì)量是胃藥二的7倍。

【得出結(jié)論】

①實驗驗證了胃藥三（有效成分氫氧化鋁）有治療胃酸的功效，但胃藥三的抗酸能力最弱，160 s內(nèi)，pH從1.40升高到1.44。胃藥三不產(chǎn)生氣體，反應(yīng)比較溫和，反應(yīng)速率較小，比較適合胃潰瘍、胃脹氣患者。

②根據(jù)胃藥二（有效成分鋁碳酸鎂）與鹽酸反應(yīng)的曲線判斷：三種胃藥中，胃藥二中和胃酸的效果最好。150 s 內(nèi)溶液pH從1.42升高到4.25，其中49 s左右，pH有較大的改變，說明胃藥二見效快。計算后發(fā)現(xiàn)，等質(zhì)量有效成分的胃藥二產(chǎn)生的二氧化碳更少，更溫和。

③根據(jù)胃藥一（有效成分碳酸氫鈉）與鹽酸反應(yīng)的曲線判斷：三種胃藥中，胃藥一的作用效果最快。胃藥一在15 s左右，pH有較大的改變，反應(yīng)速率大，說明服用胃藥一見效快。反應(yīng)前后，pH由1.43升高到2.43，說明胃藥一可以有效中和過多的胃酸，但效果相對較弱。計算后發(fā)現(xiàn)，相同條件下胃藥一與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳較多，不適合胃潰瘍、胃脹氣的人群使用。

【課堂展示】大屏幕上展示從《說明書》中截取的“三種胃藥的藥理作用”。

胃藥一：本品為抗酸劑，口服后可迅速中和胃酸解除胃酸過多或胃灼熱癥狀，但作用較弱，持續(xù)時間較短。

胃藥二：本品有明顯抗酸作用，并兼有胃黏膜保護(hù)作用，對膽酸有一定吸附作用，其作用迅速、溫和、持久。

胃藥三：本品中氫氧化鋁為抗酸藥，能中和胃酸并保護(hù)潰瘍面，維生素U能促進(jìn)肉芽發(fā)育和黏膜再生，顛茄浸膏可抑制腺體分泌，解除平滑肌痙攣引起的疼痛。

【實驗總結(jié)】對比實驗結(jié)論和藥理作用，不難發(fā)現(xiàn)：結(jié)論與藥理作用基本吻合。例如：有效成分為氫氧化鋁的胃藥三能保護(hù)潰瘍面，可能與反應(yīng)溫和、不產(chǎn)生氣體有關(guān)；胃藥二有明顯的抗酸作用，作用迅速，傳感器測得的數(shù)據(jù)和曲線也能證明這點(diǎn)；胃藥一作用迅速，可從傳感器曲線的時間進(jìn)行印證，但最終的pH表明該胃藥作用較弱。當(dāng)然，這些藥品蘊(yùn)含更多的藥用機(jī)理，如胃藥三中維生素U能促進(jìn)肉芽發(fā)育和黏膜再生，同時醫(yī)療上根據(jù)不同情況也會使用“抑酸”胃藥、促胃動力藥、護(hù)胃黏膜藥等，所以在生活中遵照醫(yī)囑或按《說明書》使用藥物十分必要。

三、實驗教學(xué)策略與效果

（一）在探究中學(xué)會科學(xué)探究方法

學(xué)生通過死記硬背，也能熟練寫出氫氧化鋁與碳酸氫鈉用作胃藥的反應(yīng)原理及化學(xué)方程式，但并不能真正理解。教師開展數(shù)字化實驗，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析曲線的能力和定量探究思維的能力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，加深對化學(xué)學(xué)科的理解?；趥鞲衅鏖_展實驗是現(xiàn)代科技與傳統(tǒng)教學(xué)融合的產(chǎn)物，既能顯示具體的數(shù)值，又能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢，實現(xiàn)了實驗過程的可視化。

在實驗探究活動中，學(xué)生應(yīng)用信息技術(shù)處理數(shù)據(jù)，將三種胃藥與鹽酸的反應(yīng)呈現(xiàn)在一張圖上進(jìn)行對比，結(jié)果一目了然。學(xué)生在實驗中，鞏固了科學(xué)的實驗方法，學(xué)會控制變量；知道從什么角度對藥物進(jìn)行評價，辯證分析問題；嘗試將實驗數(shù)據(jù)與定量計算相結(jié)合，對研究方法進(jìn)行整合。

學(xué)以致用體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科在生活中的應(yīng)用價值，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，提高化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）在實驗中認(rèn)識學(xué)科價值

實驗探究是學(xué)生認(rèn)識物質(zhì)的重要手段，有利于他們正確認(rèn)識化學(xué)，促進(jìn)“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)的發(fā)展。在實驗探究開始前，筆者做了一次調(diào)查，90%的學(xué)生認(rèn)為三種胃藥中和胃酸的效果相似；在問及如何選擇胃藥時，學(xué)生的回答是聽醫(yī)生的、看價格、看《說明書》、看療效等。通過本次探究，學(xué)生不僅通過數(shù)據(jù)看到了胃藥與稀鹽酸反應(yīng)的過程，而且結(jié)合觀察現(xiàn)象、分析數(shù)據(jù)、定量計算，發(fā)現(xiàn)三種胃藥的區(qū)別，明確三種胃藥的適用對象。學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己得出的結(jié)論與《說明書》吻合，不禁感慨知識的力量，感受到實驗的價值，他們的科學(xué)素養(yǎng)自然得到提升。

（三）在研究中學(xué)會終身學(xué)習(xí)

對教師而言，也應(yīng)多多實驗，提升自身的實驗研究能力。未做胃藥與稀鹽酸反應(yīng)的實驗時，筆者想當(dāng)然地認(rèn)為，三種胃藥抗酸能力接近，甚至在腦海中夸大了它們與酸反應(yīng)的能力，猜想反應(yīng)后溶液pH=7。教師通過實驗對胃藥有了更加正確的認(rèn)識，也認(rèn)識到要教給學(xué)生“一碗水”自己得有“一桶水”。在化學(xué)教學(xué)中，實驗研究是教師提升專業(yè)素養(yǎng)非常重要的路徑。教師要積極應(yīng)用傳感器等新工具，將技術(shù)作為破荒的一把利刃，不斷創(chuàng)新、突破，改進(jìn)教學(xué)。

注：本文系中國化學(xué)會教育委員會“十四五”規(guī)劃?2021 年一般課題“手持技術(shù)數(shù)字化實驗在初中化學(xué)項目式教學(xué)中的實踐研究”（編號：HJ2021-0026）和蘇州市教育科學(xué)規(guī)劃辦“十四五”規(guī)劃?2021 年課題“手持技術(shù)數(shù)字化實驗在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究?”（編號：2021/LX/02/163/04）的階段性成果。

參考文獻(xiàn)

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（作者倪晶晶系江蘇省昆山市玉山中學(xué)教師；李云峰系人民教育出版社課程教材研究所高級編輯）

責(zé)任編輯：祝元志