核心素養(yǎng)下數(shù)字化實驗教學(xué)資源案例

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摘要：數(shù)字化實驗教學(xué)資源的開發(fā)，可幫助學(xué)生將抽象概念具體化、微觀現(xiàn)象可視化，為學(xué)生提供良好的科學(xué)探究和自主學(xué)習(xí)環(huán)境，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新的能力，提升學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；數(shù)字化實驗；傳感器

高中化學(xué)核心素養(yǎng)是高中學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分，是學(xué)生綜合素質(zhì)的具體體現(xiàn)，反映了堅持社會主義核心價值觀、化學(xué)學(xué)科育人的基本要求，全面展現(xiàn)了化學(xué)課程學(xué)習(xí)對學(xué)生未來發(fā)展的重要價值?；瘜W(xué)核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任[1]。數(shù)字化實驗系統(tǒng)由計算機及相關(guān)配套軟件、數(shù)據(jù)采集器、傳感器構(gòu)成[2]，具有實驗過程可視化，實驗數(shù)據(jù)處理與呈現(xiàn)現(xiàn)代化的特點[3]。人教版教材中很少涉及數(shù)字化實驗，筆者將教材中的實驗加以改進和優(yōu)化，或根據(jù)教學(xué)需要將學(xué)生難以理解的微觀內(nèi)容設(shè)計為數(shù)字化實驗，通過呈現(xiàn)不同的宏觀圖像，幫助學(xué)生降低學(xué)習(xí)難度，加深理解，提升學(xué)習(xí)效果。

一、探究不同物質(zhì)水溶液的導(dǎo)電能力

實驗原理：電導(dǎo)率是衡量物質(zhì)導(dǎo)電能力強弱的物理量，電解質(zhì)在水溶液中能解離成自由移動的陰、陽離子，陰、陽離子在電場的作用下可自由移動，因此電解質(zhì)溶液能導(dǎo)電，其導(dǎo)電能力的強弱可由電導(dǎo)率測量。實驗儀器：蘇威爾電導(dǎo)率傳感器、采集器、計算機、小燒杯、量筒。實驗藥品：濃度為0.02mol/L的氯化鈉溶液和氨水、75%的乙醇溶液。實驗過程：按照圖1所示組裝好儀器，連接數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器及計算機，打開數(shù)字化實驗系統(tǒng)，進入教材通用軟件，打開新建實驗，選擇“電導(dǎo)率”，校準測量溫度為19℃(實驗室溫度)。取50mL濃度為0.02mol/L的氯化鈉溶液置于小燒杯中，將傳感器探頭插入溶液中，選定測量時間為1分鐘，時間間隔為1秒，點擊開始按鈕進行實驗。數(shù)據(jù)采集結(jié)束后保存數(shù)據(jù)。選擇重疊顯示，用同樣的方法測定濃度為0.02moL/L的氨水及75%的乙醇溶液的電導(dǎo)率，得出電導(dǎo)率曲線。實驗結(jié)果分析：從圖2可知，濃度相同的氯化鈉溶液和氨水相比，前者電導(dǎo)率大于后者，且數(shù)值相差較大，說明強電解質(zhì)在溶液中的電離程度遠大于弱電解質(zhì)；75%的乙醇溶液的電導(dǎo)率幾乎為零，說明非電解質(zhì)在水溶液中未電離，溶液中無自由移動的陰、陽離子。此實驗可讓學(xué)生直觀感受到強電解質(zhì)、弱電解質(zhì)、非電解質(zhì)在水溶液中的電離情況，加深學(xué)生對電解質(zhì)和非電解質(zhì)概念的理解。

二、探究固體物質(zhì)溶解過程的熱效應(yīng)

實驗原理：可溶性固體在溶于水的過程中伴有能量的變化，使溶解過程中溶液的溫度發(fā)生變化，其變化可用溫度傳感器進行測量。實驗儀器：蘇威爾溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、燒杯、磁力攪拌器。實驗藥品：碳酸鈉固體、碳酸氫鈉固體、氯化鈉固體、氫氧化鈣固體、硝酸銨固體。實驗過程：按圖3組裝好實驗裝置，打開計算機，打開數(shù)字化實驗系統(tǒng)，進入教材通用軟件，新建一個實驗，選擇“溫度”曲線，設(shè)置測定時間5分鐘，時間間隔1秒。取一個潔凈的小燒杯，倒入50mL蒸餾水置于磁力攪拌器上，打開磁力攪拌器，將溫度傳感器插入水中，點擊“開始”按鈕，在燒杯中倒入5g稱好的氫氧化鈣固體，采集數(shù)據(jù)。用同樣的操作完成其余4種固體溶解過程的溫度變化曲線。實驗分析：根據(jù)圖4各圖像曲線可知，氫氧化鈣和碳酸鈉的溶解過程中溶液溫度升高，溶解過程為放熱；氯化鈉、碳酸氫鈉、硝酸銨固體溶解過程中溶液溫度降低，溶解過程為吸熱。此外，這些圖像也可以展現(xiàn)出不同物質(zhì)的溶解速率：氫氧化鈣溶解速率慢，5分鐘內(nèi)未完全溶解，所以，氫氧化鈣溶解過程中溶液溫度一直呈緩慢上升趨勢。碳酸鈉固體溶解速率快、放熱也快，溶液溫度迅速上升，至固體完全溶解時溫度達到最高。氯化鈉、碳酸鈉、硝酸銨溶解都為吸熱，硝酸銨溶解速率最快，放熱最多。該組實驗通過定量分析，將數(shù)據(jù)以圖像呈現(xiàn)，讓學(xué)生直觀感受到了不同固體溶解過程中的熱效應(yīng)，同時了解了常見固體的溶解速率，為相關(guān)問題的解決提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

三、探究溫度對弱電解質(zhì)電離的影響

實驗原理：弱電解質(zhì)的電離過程是吸熱的，所以隨著溫度的升高，電解質(zhì)的電離程度增大，使溶液中自由移動的陰、陽離子濃度增大，溶液的導(dǎo)電能力增強，電導(dǎo)率數(shù)值增大。實驗儀器：蘇威爾電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、100mL燒杯、磁力加熱攪拌器。實驗藥品：濃度為0.005mol/L的醋酸溶液、氨水、氫氧化鈉溶液。實驗過程：按圖5組裝好實驗裝置，打開計算機，打開數(shù)字化實驗系統(tǒng)，進入教材通用軟件，打開新建實驗，選擇“電導(dǎo)率”曲線。取待測液各50mL置于3支大試管中，將試管水浴加熱，測定加熱過程中各溶液電導(dǎo)率的變化。實驗結(jié)果分析：從圖6的各圖像曲線可知，在加熱過程中，醋酸溶液和氨水的電導(dǎo)率有增大趨勢，說明隨著溫度的升高，兩溶液中自由移動離子濃度增大，其原因是：醋酸和一水合氨的電離過程是吸熱，溫度升高，電離程度增大，陰、陽離子濃度增大，電導(dǎo)率增大。氫氧化鈉溶液受熱電導(dǎo)率也會增大，但增大趨勢不如前兩種溶液明顯，其原因是：氫氧化鈉是強電解質(zhì)，在水溶液中完全電離，但溶劑水是弱電解質(zhì)，溫度升高，水的電離程度增大，電導(dǎo)率增大。該實驗將抽象的、微弱的變化通過直觀圖像呈現(xiàn)出來，培養(yǎng)了學(xué)生的變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知等化學(xué)核心素養(yǎng)。

四、單液原電池與雙液原電池電流穩(wěn)定性的檢測

實驗原理：單液原電池正負極在同一電解質(zhì)溶液中，負極材料會與電解質(zhì)溶液發(fā)生氧化還原反應(yīng)，消耗負極材料，使電流不穩(wěn)定。雙液原電池中負極和正極在不同的電解質(zhì)溶液中，負極失去的電子只能通過導(dǎo)線轉(zhuǎn)移至正極，因此，負極材料不會被電解質(zhì)溶液消耗，電流穩(wěn)定。實驗儀器：蘇威爾微電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、鹽橋、燒杯、銅片、鋅片。實驗藥品：濃度為0.01mol/L的ZnSO4和H2SO4。實驗過程：按圖7組裝好實驗裝置，打開計算機，打開數(shù)字化實驗系統(tǒng)，進入教材通用軟件，打開新建實驗，選擇“微電流”曲線，設(shè)定測量時間5分鐘，先測定雙液原電池的微電流，再用相同的方法測定單液原電池的微電流。實驗結(jié)果分析：通過圖8可知，雙液原電池的電流相對于單液原電池更加穩(wěn)定。該實驗通過圖像將雙液原電池和單液原電池電流的變化情況呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生直觀感受到兩種原電池的差異。同時可引導(dǎo)學(xué)生探究不同水果電池的電流強弱和穩(wěn)定性，以提升學(xué)生科學(xué)探究和創(chuàng)新意識的學(xué)科核心素養(yǎng)。中學(xué)化學(xué)教材中的大部分實驗都可開發(fā)設(shè)計為數(shù)字化實驗，如可利用電導(dǎo)率傳感器探究乙酸乙酯和油脂在酸性和堿性條件下的水解速率和水解程度；可用濁度計傳感器探究難溶電解質(zhì)的溶解平衡；可用溫度傳感器測量中和熱等。

五、結(jié)語

高中化學(xué)教材實驗是將難以理解的微觀原理通過實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)等宏觀信息呈現(xiàn)出來，但是有時現(xiàn)象不明顯，甚至無現(xiàn)象，數(shù)據(jù)收集更是耗時、費力，學(xué)生很難了解微觀世界。數(shù)字化實驗可以測定出體系中某一物理量的數(shù)據(jù)變化，得出變化曲線，將化學(xué)反應(yīng)中模糊的現(xiàn)象和抽象的本質(zhì)轉(zhuǎn)化為直觀的數(shù)據(jù)信息，幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律，將難以理解的知識形象化、具體化，使學(xué)生能夠形成“宏觀、微觀、圖像三重表征”的化學(xué)學(xué)科思維方式。利用數(shù)字化實驗先進、簡單、直觀、實效、全面的特點，可以優(yōu)化部分實驗，降低實驗的難度，增強實驗的可行性，提高實驗的準確度，使實驗獲得從質(zhì)到量、從微觀到宏觀的升華，有利于突破教學(xué)難題，為學(xué)生自主探究學(xué)習(xí)提供圖像和數(shù)據(jù)的支持。因此，數(shù)字化實驗教學(xué)資源的開發(fā)利用，有助于落實學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

參考文獻

[1]教育部.普通高中化學(xué)課程標準(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.

[2]潘洪濤.數(shù)字化綜合理科實驗室的硬件和軟件[J].計算機教育學(xué),2005(11):31-32.

[3]張婷,馬宏佳.化學(xué)數(shù)字化實驗影響學(xué)生概念改變的實證研究[J].化學(xué)教育,2017(9):39-43.

作者:趙麗霞 白永麗 余新紅 單位:甘肅省岷縣第一中學(xué)