基于數(shù)字化的“一例多證”案例研究

摘要：把CO2直接通入NaOH 溶液中，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，CO2是否和NaOH 發(fā)生反應(yīng)了呢？該如何證明二者之間發(fā)生反應(yīng)了呢？作者通過(guò)“四個(gè)探究”活動(dòng)，各個(gè)小組交流談?wù)?、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、總結(jié)結(jié)論。對(duì)“CO2和NaOH反應(yīng)”進(jìn)行了科學(xué)探究，透過(guò)現(xiàn)象看到本質(zhì)，層層深入，不僅運(yùn)用科學(xué)探究法合作學(xué)習(xí)，做到了跨學(xué)科學(xué)習(xí)，還步步為營(yíng)，做到了從定性到定量的研究，培養(yǎng)了學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：CO2和NaOH；定性實(shí)驗(yàn)；定量實(shí)驗(yàn)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）11-0082-04" 中圖分類號(hào)：G632.41" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.017

新課標(biāo)指出“常見酸、堿的化學(xué)性質(zhì)”為學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐活動(dòng)，［1］關(guān)于“NaOH 的化學(xué)性質(zhì)”有兩個(gè)無(wú)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)：氫氧化鈉溶液和鹽酸反應(yīng)；氫氧化鈉溶液和二氧化碳的反應(yīng)。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)“氫氧化鈉溶液和鹽酸反應(yīng)”的基礎(chǔ)上，學(xué)生已經(jīng)掌握了驗(yàn)證反應(yīng)的“無(wú)中生有”（向滴入酚酞溶液后的NaOH溶液中逐滴滴入稀鹽酸）的方法，具備了一定的探究能力和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，因此在證明“CO2和 NaOH 反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，要不斷引導(dǎo)學(xué)生積極主動(dòng)地參與探究過(guò)程，進(jìn)行大膽的猜想，根據(jù)猜想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)證明。在小組合作的探究過(guò)程中，提高實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，增?qiáng)合作精神，在探究中體驗(yàn)學(xué)習(xí)的快樂(lè)。

一、問(wèn)題的提出

人教版下冊(cè)第59頁(yè)的課后習(xí)題第3題“如何鑒別石灰水和氫氧化鈉溶液？”［2］同學(xué)們很容易想到用CO2來(lái)鑒別，若變渾濁，則為石灰水；若沒(méi)有變化，則為氫氧化鈉溶液。對(duì)于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的“CO2和 NaOH 之間”，我們?nèi)绾巫C明“二者之間是否反應(yīng)”呢？

二、實(shí)驗(yàn)研究的流程和方法

實(shí)驗(yàn)教學(xué)在初中化學(xué)中占有重要的地位，2022版新課標(biāo)又新增了“1.3化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究的思路與方法，［1］在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中正好得到了充分的體現(xiàn)。

1.科學(xué)研究的流程：

提出問(wèn)題——猜想假設(shè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)——收集證據(jù)——總結(jié)反思——分析評(píng)價(jià)——交流討論

2.實(shí)驗(yàn)研究的方法：

三、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)（四個(gè)活動(dòng)的探究）

【實(shí)驗(yàn)原理】2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O；

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

【實(shí)驗(yàn)器材】?jī)x器：試管2支、吸管2支、滴管1個(gè)、燒杯1個(gè)、裝滿 CO2的塑料瓶3個(gè)、裝滿 CO2的圓底燒瓶1個(gè)、藥匙1把、注射器（普通）1個(gè)、電腦1臺(tái)、氣壓傳感器1個(gè)、數(shù)據(jù)采集器1個(gè)、磁力攪拌器（含磁子）1個(gè)、雙控膠塞1個(gè)、專用注射器1個(gè)。

藥品：NaOH 溶液（1 mol/L）、NaOH 酒精溶液（1 mol/L）、NaOH 固體、鹽酸（1∶2）1瓶。

其他：氣球1個(gè)；制取 CO2裝置（含藥品）一套、火柴1盒。

1.活動(dòng)1：一例一證，證明反應(yīng)物（CO2）的減少

證明反應(yīng)物（CO2）的減少即通過(guò) CO2同時(shí)溶于H2O和NaOH溶液的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明反應(yīng)的發(fā)生；

【探究活動(dòng)】向 NaOH 溶液吹入氣體，沒(méi)有現(xiàn)象，我們?cè)撊绾卧O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明反應(yīng)發(fā)生了？

【實(shí)驗(yàn)步驟】甲向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約1/3的水，乙向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約1/3的 NaOH溶液，兩人同時(shí)振蕩，觀察現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】加水的塑料瓶變得略癟；加NaOH溶液的塑料瓶變得更癟。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

【實(shí)驗(yàn)反思】若不是運(yùn)用控制變量法，通過(guò)乙的實(shí)驗(yàn)，能否證明發(fā)生了反應(yīng)？

2.活動(dòng)2：一例一證，證明生成物（Na2CO3）的產(chǎn)生

證明生成物（Na2CO3）的產(chǎn)生即通過(guò) CO2溶于 NaOH 酒精溶液［3］后，溶液變渾濁，證明有生成物Na2CO3的產(chǎn)生，證明反應(yīng)的發(fā)生。

【活動(dòng)探究】

溫馨提示：20℃時(shí)，NaOH 和Na2CO3在水中和酒精中的溶解度（見表1）。

把活動(dòng)1中的乙的實(shí)驗(yàn)中的 NaOH 溶液換成NaOH酒精溶液，實(shí)驗(yàn)會(huì)怎么樣呢？

討論、交流，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

【實(shí)驗(yàn)步驟】丙同學(xué)向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約1/3的 NaOH 的酒精溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】溶液變渾濁。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】CO2和 NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

【實(shí)驗(yàn)追思】丙同學(xué)的實(shí)驗(yàn)與活動(dòng)1中的乙同學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，有什么現(xiàn)象不同？能否證明反應(yīng)的發(fā)生？丙同學(xué)的實(shí)驗(yàn)與活動(dòng)1中的甲同學(xué)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，有什么現(xiàn)象不同？能否證明反應(yīng)的發(fā)生？

3.活動(dòng)3：一例多證的定性實(shí)驗(yàn)

一例多證的定性實(shí)驗(yàn)即通過(guò) CO2與 NaOH 固體反應(yīng)，［4］然后注入鹽酸，證明新物質(zhì)的產(chǎn)生。［5］

【實(shí)驗(yàn)研究】把活動(dòng)2中的 NaOH 酒精溶液換成 NaOH 固體，實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒δ兀可晌镉衷撊绾巫C明呢？同時(shí)粗略地計(jì)算加入的藥品（NaOH 固體和鹽酸）的量。

【實(shí)驗(yàn)步驟】丙同學(xué)向裝滿 CO2的塑料瓶中加入大約2 g 的 NaOH 的固體，振蕩，待其充分反應(yīng)，氣球變癟后注入10 mL鹽酸（1∶2）（見圖1）。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】振蕩后，塑料瓶?jī)?nèi)氣球變大，塑料瓶?jī)?nèi)壁上出現(xiàn)水霧；注入鹽酸后，瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生大量氣泡，手摸塑料瓶外壁發(fā)燙，氣球變癟（在瓶?jī)?nèi)），接著又變大（沖出瓶外），最后又變癟（進(jìn)入瓶中）。

【實(shí)驗(yàn)分析】向裝滿 CO2的塑料瓶?jī)?nèi)加入 NaOH 固體，振蕩后氣球變大（瓶?jī)?nèi)），是因?yàn)?NaOH 的固體消耗了 CO2，使瓶?jī)?nèi)氣壓大大減??；塑料瓶?jī)?nèi)壁上出現(xiàn)水霧，說(shuō)明反應(yīng)過(guò)程中有 H2O 生成；手摸瓶子外壁發(fā)燙，說(shuō)明反應(yīng)放熱；注入鹽酸后，瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生大量氣泡，說(shuō)明 Na2CO3和鹽酸反應(yīng)，生成了 CO2，同時(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)放熱，產(chǎn)生的大量 CO2和受熱膨脹迅速使瓶?jī)?nèi)癟氣球，沖出瓶外脹大，最后冷卻至室溫又變癟再次進(jìn)入瓶中，理論上產(chǎn)生的 CO2的量與注入鹽酸前消耗的 CO2的量相當(dāng)。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】氣球變大，說(shuō)明 CO2的量減少，反應(yīng)發(fā)生；圓底燒瓶?jī)?nèi)壁上出現(xiàn)水霧；反應(yīng)放熱；以及注入鹽酸后，產(chǎn)生大量氣泡，使得瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)又逐漸變大，直至使氣球再次完全變癟。這四個(gè)現(xiàn)象都能夠證明反應(yīng)的發(fā)生。

【反思評(píng)價(jià)】這個(gè)實(shí)驗(yàn)因?yàn)?CO2的減少導(dǎo)致裝置內(nèi)氣壓變小，能否借助氣壓傳感器？有水霧產(chǎn)生，能否借助濕度傳感器？反應(yīng)放熱，能否借助溫度傳感器？把“定性實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸繉?shí)驗(yàn)”來(lái)一探究竟呢？

4.活動(dòng)4：一例多證的定量實(shí)驗(yàn)

一例多證的定量實(shí)驗(yàn)是通過(guò) CO2與 NaOH 固體反應(yīng)，接著注入鹽酸，證明新物質(zhì)的產(chǎn)生（定量）。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)想】請(qǐng)同學(xué)們畫出氣壓傳感器、濕度傳感器和溫度傳感器，可能測(cè)出的曲線圖。

【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)】借助氣壓傳感器來(lái)探究，把活動(dòng)3中的塑料瓶換成圓底燒瓶，氣球換成氣壓傳感器，把圓底燒瓶放在磁力攪拌器上加入磁子攪拌（代替振蕩），會(huì)出現(xiàn)什么樣的曲線圖呢？注入鹽酸后，曲線圖又會(huì)怎樣變化呢？

教師和丁同學(xué)合作完成該實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)裝置圖和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的曲線圖，見圖2）：

【實(shí)驗(yàn)步驟】檢查裝置氣密性，連接好裝置（已經(jīng)放入磁子），收集滿一瓶 CO2，接著加入大約2 g 的 NaOH 固體，關(guān)閉壓強(qiáng)傳感器和導(dǎo)氣管上的活塞，蓋好雙孔膠塞，打開壓強(qiáng)傳感器上的活塞，打開 Logger Pro，開始記錄數(shù)據(jù)，接著打開磁力攪拌器，觀察壓強(qiáng)的變化，當(dāng)壓強(qiáng)持續(xù)不再變化時(shí)候，用注射器抽取10 mL（1∶2）的鹽酸，連接好注射器和導(dǎo)管的接口，小心地打開活塞，使鹽酸成滴緩慢地流下，繼續(xù)觀察現(xiàn)象，待到不再產(chǎn)生氣泡的時(shí)候，關(guān)閉磁力攪拌器開關(guān)，再等待大約30秒時(shí)間，保存數(shù)據(jù)，整理儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】圓底燒瓶?jī)?nèi)壁上出現(xiàn)水霧，壓強(qiáng)曲線逐漸變小，注入鹽酸后，氣體壓強(qiáng)又逐漸變大，直至恢復(fù)到室溫時(shí)的狀況。

【實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)論】裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)的減小，說(shuō)明反應(yīng)物 CO2的減少；有水霧的出現(xiàn)，說(shuō)明有新物質(zhì)水生成；注入鹽酸，產(chǎn)生大量氣泡，裝置內(nèi)氣體壓強(qiáng)又恢復(fù)至起始狀態(tài)，說(shuō)明燒瓶?jī)?nèi)產(chǎn)生了 Na2CO3。這些都通過(guò)傳感器的數(shù)字化說(shuō)明 CO2和 NaOH 發(fā)生了反應(yīng)。

四、教學(xué)反思

1.創(chuàng)設(shè)情境，跨科滲透。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和實(shí)物展示提出問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)情景，引入新課，既可激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能體現(xiàn)知識(shí)源于實(shí)踐的道理?？鐚W(xué)科學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組合作實(shí)踐活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用美術(shù)知識(shí)繪圖、利用物理和數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算藥品的質(zhì)量和取用，做到“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

2.層層探究，揭露本質(zhì)。以“四個(gè)探究活動(dòng)”為主線，通過(guò)“活動(dòng)1：CO2溶于 H2O 和溶于 NaOH 溶液的對(duì)比實(shí)驗(yàn)；活動(dòng)2：CO2溶于 NaOH 酒精溶液；活動(dòng)3：CO2與 NaOH 固體反應(yīng)，接著注入鹽酸，證明反應(yīng)物的減少和新物質(zhì)的產(chǎn)生（定性）；活動(dòng)4：CO2與 NaOH 固體反應(yīng)，接著注入鹽酸，證明反應(yīng)物的減少和新物質(zhì)的產(chǎn)生（定量）”，不斷地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，使學(xué)生初步學(xué)會(huì)觀察、討論、合作交流，充分參與科學(xué)探究的整個(gè)流程，由“一例一證（定性）”逐漸過(guò)渡到“一例多證（定性）”，再由“定性的一例多證”，過(guò)渡到“定量的一例多證”，體現(xiàn)了科學(xué)探究由表及里、由淺入深、由現(xiàn)象到本質(zhì)的探究過(guò)程。同時(shí)，樹立學(xué)生的自信心，激發(fā)他們自主探究的欲望，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神和合作學(xué)習(xí)意識(shí)。

3.熟悉流程，靈活創(chuàng)新。通過(guò)定性和定量實(shí)驗(yàn)，“一例一證”和“一例多證”增強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的好奇心和探究欲，鼓勵(lì)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)中類似的問(wèn)題帶進(jìn)課堂，知道化學(xué)與實(shí)驗(yàn)緊密相聯(lián)，它源于生活，又高于生活。通過(guò)單個(gè)角度，一例一證，運(yùn)用科學(xué)探究的流程和研究的方法，來(lái)證明反應(yīng)的發(fā)生。又通過(guò)多個(gè)角度，設(shè)計(jì)定性和定量實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)多個(gè)“證據(jù)”，培養(yǎng)了“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識(shí)”的科學(xué)素養(yǎng)。［6］

4.師生合作，一舉多得。通過(guò)“一例多證”，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)思維、科學(xué)探究與實(shí)踐、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任高度契合，落實(shí)了化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。通過(guò)學(xué)生角色轉(zhuǎn)化，達(dá)到知識(shí)系統(tǒng)化的目的?；顒?dòng)3對(duì)加入藥品量的計(jì)算融合了數(shù)學(xué)、物理的知識(shí)，活動(dòng)4曲線圖的預(yù)測(cè)繪制，融合了美術(shù)的繪圖和數(shù)學(xué)中的函數(shù)，這些設(shè)計(jì)，充分地體現(xiàn)了跨學(xué)科的融合學(xué)習(xí)；創(chuàng)造性地完成了一個(gè)綜合性定量實(shí)驗(yàn)——通過(guò)一個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)多角度證明反應(yīng)的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了“一例多證”的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。

參考資料

［1］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］人民教育出版社，課程教材研究所，化學(xué)課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育初中化學(xué)教科書上下冊(cè)［M］.北京：人民教育出版社，2021.

［3］鄭貴芳.深度學(xué)習(xí)背景下的實(shí)驗(yàn)探究課程設(shè)計(jì)：以“CO2與 NaOH 溶液反應(yīng)的探究”為例［J］.化學(xué)教與學(xué)，2022（2）：46-48.

［4］李輝力，梁淑珍，張賢金. NaOH 固體與CO2氣體反應(yīng)的理論分析與實(shí)踐研究［J］.福建基礎(chǔ)教育研究，2022（2）：124-125.

［5］薛東，戚曉軍.驗(yàn)證 CO2與 NaOH 溶液的反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物的檢驗(yàn)［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2021（9）：85-86.

［6］朱紅霞.以經(jīng)典探究為載體滲透化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)：以“探究 CO2與NaOH 溶液反應(yīng)”為例［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2020（12）：25-27.