手持技術(shù)實驗促進化學課堂深度教學

周婷婷

一、教學內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

本節(jié)課選自2019人教版選擇性必修1《化學反應原理》（2020年5月第1版）第三章“水溶液中的離子反應與平衡”第二節(jié)“水的電離和溶液的pH”的第１課時。新課標對水的電離和溶液的pH的要求為：認識水的電離，了解水的離子積常數(shù)，認識溶液的酸堿性及pH，掌握檢測溶液的方法。從教材看，水的電離平衡前承弱電解質(zhì)的電離，后接鹽類的水解，是水溶液中的離子平衡概念群建構(gòu)不可或缺的一環(huán)，在教學中可發(fā)展宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想等幾個核心素養(yǎng)。在中國知網(wǎng)以“水的電離平衡”為關(guān)鍵詞進行檢索，檢索到2016—2023年公開發(fā)表的教學設(shè)計類論文很少，且教學設(shè)計均側(cè)重理論講解以及對點訓練，缺乏讓學生自己建構(gòu)的過程。

二、學情分析及常見“迷思”

由于對微觀粒子的認知還存在局限性，學生在“水的電離”學習中容易產(chǎn)生以下“迷思”。

1.對水的電離過程以及電離程度不清晰。水屬于極弱電解質(zhì)，水分子間的相互作用導致水的電離，是自耦電離，這與所學弱電解質(zhì)電離本質(zhì)有差別。

2.對pH值與溶液酸堿性的關(guān)系不清晰。受到生活經(jīng)驗和既往知識的影響，形成記憶性盲點，認為酸性就是pH小于7，中性pH等于7，堿性pH大于7。

3.對水的離子積常數(shù)Kw的適用范圍不清晰。水的離子積常數(shù)Kw在所有的水溶液中都適用，部分學生認為Kw只能在純水或中性溶液中才可以應用，酸堿溶液由于溶質(zhì)自身會電離出H+或OH-，則不可以用該常數(shù)計算。

4.對水的電離平衡的影響因素不清晰。水中加鈉或者加CO2對水的電離有何影響，學生無從下手進行分析。

5.對水溶液中微觀粒子的相互作用不清晰。水作為重要的溶劑，水溶液中微粒的相互作用在化學學習中貫穿始終。對水的研究不能只研究水本身，而應該擴展至水溶液中微粒的相互作用。學生僅僅知道概念不足以解決問題。

三、教學思想和策略

水的電離是微觀的，不容易被觀察，導致部分學生的學習浮于淺層，僅能從淺層次上理解、接受知識，較容易產(chǎn)生迷思概念。所以構(gòu)建以理解為基礎(chǔ)，以問題驅(qū)動為導向，以討論思考為途徑，讓學生在學習任務(wù)中開動腦筋，解決問題，逐步培養(yǎng)學生的高階思維、實踐能力和正確價值觀，完成符號學習階段、邏輯形式階段和意義領(lǐng)域階段的深度教學課堂勢在必行。

深度教學強調(diào)通過對知識完整、深刻的處理，促進學生理解知識的內(nèi)涵，自動建構(gòu)個性化的知識系統(tǒng)和意義系統(tǒng)。手持技術(shù)是由數(shù)據(jù)采集器、傳感器和配套的軟件組成的定量采集和處理數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這一系統(tǒng)能與計算機連接，然后完成各種后期處理。手持技術(shù)實驗可以把常規(guī)實驗難以呈現(xiàn)的水的電離情況以圖像形式表征，將微觀化學變化可視化，教師可以通過手持技術(shù)實驗，使學生實現(xiàn)對知識內(nèi)容的深度理解，從而提升其核心素養(yǎng)。

基于以上分析，本節(jié)課設(shè)計了以下手持實驗：

1.手持技術(shù)實驗測定水的電導率。

2.手持技術(shù)實驗測定不同溫度下水的pH。

3.手持技術(shù)實驗測定蒸餾水中加入0.1000mol/L NaOH溶液的pH。

4.手持技術(shù)實驗測定蒸餾水中加入1.0000g Na2CO3固體粉末溶液的pH。

四、教學目標

1.利用手持實驗驗證水的微弱電離，建立水是弱電解質(zhì)的概念。

2.利用手持實驗探究不同溫度下水的pH，理解水的離子積常數(shù)以及pH。

3.利用手持技術(shù)實驗歸納純水中加入酸堿時的pH，建構(gòu)水的電離模型。

4.利用手持技術(shù)實驗探究水中加入碳酸鈉的pH，深度理解水溶液中微粒的相互作用。

五、教學流程

1.對比蒸餾水的燈泡導電實驗和手持實驗測水的電導率得出的結(jié)論，激發(fā)學生深度思考，提出水是極弱電解質(zhì)。

2.通過與弱電解質(zhì)的電離平衡常數(shù)類比，發(fā)展水的離子積常數(shù)概念，運用手持技術(shù)測不同溫度下水的pH，得出水的離子積常數(shù)與溫度相關(guān)的結(jié)論，并計算常溫下和100℃水的離子積常數(shù)。

3.通過手持實驗測純水中加堿的pH變化，總結(jié)酸堿對水電離平衡的影響并繪制c（H＋）和c（OH－）的關(guān)系圖。

4.運用水的電離平衡分析模型解釋生活中的問題。

六、教學實錄

●環(huán)節(jié)一：理解水的電離

問題1：水可以導電嗎？如何設(shè)計實驗？

學生：可以，連接小燈泡和蒸餾水，看燈泡是否亮起。

手持實驗1：連接小燈泡和蒸餾水，發(fā)現(xiàn)小燈泡不亮。得出結(jié)論：水不導電。

教師：是否水真的不導電呢？

演示實驗1：手持技術(shù)實驗測蒸餾水的電導率：水的電導率為0.023 ｍs / cｍ。

深度思考：兩個實驗得出的結(jié)論不同，燈泡需要的電流較大，水微弱的導電能力不足以點亮燈泡。水是一種極弱的電解質(zhì)。

問題2：思考水的電離與前面學習的弱電解質(zhì)的電離實質(zhì)是否完全一樣。

深度思考：在水分子的作用下，弱電解質(zhì)會發(fā)生不同程度的電離，這表明，在水分子與各種電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)粒子之間存在著較強的相互作用。在相對分子質(zhì)量接近的化合物中，水是熔、沸點較高的物質(zhì)，水分子間也存在較強的相互作用。水分子彼此間的作用導致水分子發(fā)生微弱電離。

教師：水的相互作用導致水發(fā)生微弱電離，水的電離是一種自耦電離，請大家寫出水的電離方程式。

學生：H2O＋H2O？葑H3O-＋OH－，簡寫為H2O？葑H++OH－。

（設(shè)計意圖：基于學生已有認知，提問如何驗證電解質(zhì)的導電能力，學生提出的燈泡實驗與教師進行手持實驗電導率的測定形成思維沖突，激發(fā)學生的深度思考，進一步從微觀角度比較水的電離與一般弱電解質(zhì)電離的不同點，既對前面所學知識進行鞏固，又發(fā)展新概念認知）

●環(huán)節(jié)二：Kw概念的建立

問題1：水屬于弱電解質(zhì)，請書寫出水的電離平衡常數(shù)。

教師：水屬于弱電解質(zhì)，所以可以把水的濃度看成一個定值，水的電離平衡常數(shù)簡化為Kw=c（H+）c（OH－），稱為水的離子積常數(shù)。

問題2：水的離子積常數(shù)與什么相關(guān)？計算常溫下和100℃水的離子積常數(shù)。

生：Kw也屬于平衡常數(shù)，應該與溫度相關(guān)。

手持實驗2：測25℃水的pH為7.2，測100℃水的pH為6.2。根據(jù)離子積常數(shù)表達式可得常溫下水的離子積常數(shù)約為10－14，100℃水的離子積常數(shù)約為10－12。

教師總結(jié)：實驗驗證了水的電離與溫度相關(guān)。溫度越高，水的電離程度越大，Kw越大。

問題3：純水的pH值是否一定是7？

深度思考：pH=-lgc（H+），只與氫離子濃度相關(guān)，不同溫度下水的電離程度不同，所以水電離出的氫離子的濃度也不同，只有在標明溫度的情況下，才可以把pH值作為判斷酸堿性的依據(jù)。

（設(shè)計意圖：通過類比書寫出水的離子積常數(shù)表達式，并利用手持技術(shù)實驗測得100℃水的pH值為6.2，與學生認為的純水pH值為7形成思維沖突，進一步啟發(fā)學生理解并領(lǐng)悟pH值的意義和作用）

●環(huán)節(jié)三：水電離的影響因素

教師：可否推測水的電離受哪些因素影響？

生1：根據(jù)水的電離方程式，純水中加入酸堿可以影響水的電離。

教師追問：如何影響？

生1：提升氫離子和氫氧根濃度會抑制水的電離，導致水的電離平衡逆向移動。

生2反駁：加入氫離子可以與水電離出的氫氧根結(jié)合，導致水電離的氫離子濃度減小，導致水的電離平衡正移。

手持實驗3：向90 mL蒸餾水中滴入0.1000mol/L稀NaOH溶液10 mL，測其pH。

問題1：水中加入堿，會影響Kw嗎？

生：取曲線穩(wěn)定后的pH值，c（H+）≈10－12，通過加入量計算c（OH-）=10－2，Kw≈10－14，與純水測得的Kw一致，證明Kw只與溫度有關(guān)。

教師：向水中加入強堿，此時溶液中的OH－主要有兩個來源：水的電離和氫氧化鈉的完全電離，請比較加入堿前后水的電離程度。

深度思考：依據(jù)c（H+）H2O=c（OH－）H2O任取加入強堿后的兩點：

pH為9時，c（OH－）H2O=c（H+）H2O=10－9 mol/L＜10－7 mol/L；

pH為11時，c（OH－）H2O=c（H+）H2O=10－11 mol/L＜10－7 mol/L，所以可知強堿抑制水的電離。

教師追問：有些同學認為OH－會結(jié)合水電離的H+，導致平衡正移，這種想法為什么不對？

深度思考：水是極弱電解質(zhì)，電離的H+極少，即使有結(jié)合減少也對平衡影響微弱，所以水中加入酸堿對水的電離都為抑制。

問題4：水溶液中加入鈉或者通入SO2對水的電離有什么影響？

生：加入鈉會與水中的氫離子進行反應，c（H+）持續(xù)減少，水的電離平衡正移，所以對水的電離是促進的。加入CO2與水反應生成酸，電離出H+，提升了c（H+），所以對水的電離是抑制作用。

問題5：根據(jù)以上所學，填充以下表格并繪制c（H＋）和c（OH－）的關(guān)系圖。

問題6：利用c（H＋）和c（OH－）的關(guān)系圖總結(jié)溶液酸堿性的判斷標準。

生：中性溶液：c（H＋）=c（OH－），酸性溶液：c（H＋）＞

c（OH－），堿性溶液：c（H＋）＜c（OH－）。

（設(shè)計意圖：通過手持技術(shù)實驗向?qū)W生直觀展現(xiàn)水中加入堿對水電離平衡的影響，進一步提升學生的讀圖和分析能力，促進深度學習）

●環(huán)節(jié)四：利用模型解決實際問題

問題1：純堿Na2CO3是工業(yè)生產(chǎn)的重要原料，為什么這種鹽的水溶液可以去油污？

生：純堿溶液顯堿性，油污在堿性條件下水解。

教師追問：為什么鹽的水溶液可以顯堿性，堿性來源于何處呢？

手持實驗4：向100 mL蒸餾水中加入1.0000 g Na2CO3固體粉末。

生：未加入Na2CO3固體時，c（H+）H2O=c（OH－）H2O=10－7 mol/L；加入且達到平衡時，c（OH－）H2O=10－3 mol/L＞10－7 mol/L，證實強堿弱酸鹽促進水的電離。

深度思考：由所學知識可知CO32－與H+不能大量共存，所以：CO32－+H+？葑HCO3－，HCO3－+H+？葑H2CO3，消耗水電離出的H+，使水的電離平衡右移，促進水的電離。

（設(shè)計意圖：通過本節(jié)課的學習，學生基本清楚堿性來源于水，基于環(huán)節(jié)三建立的分析模型，學生可以通過手持技術(shù)實驗的輔助得出正確的結(jié)論，也為下節(jié)課鹽類的水解打好了基礎(chǔ)）

七、結(jié)語

水的電離涉及的知識理論性強，微觀變化多，純講授難以讓學生完全領(lǐng)悟并運用知識。手持技術(shù)實驗很好地彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，其操作簡單、方便，并讓微觀粒子可視化、圖像化，不光讓學生能夠直觀感知微粒的行為，還能增強其讀圖能力、分析能力。能夠讓學生在分析的過程中達到自我知識的建構(gòu)，加深對化學原理的理解，從而實現(xiàn)深度學習。

編輯：曾彥慧

注：本文系廣州市教育科學規(guī)劃（Guangzhou education scientific research project）2022年度課題“基于手持技術(shù)的高中化學實驗教學研究”（課題批準號：202214287）的研究成果。