數(shù)字化實(shí)驗(yàn)促進(jìn)化學(xué)知識(shí)“可視化”學(xué)習(xí)的實(shí)踐和研究
—— 以“酸堿中和反應(yīng)”為例

◎ 陳偉紅

一、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)促進(jìn)化學(xué)知識(shí)“可視化”學(xué)習(xí)的意義

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱DIS）是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和配套軟件組成，能與計(jì)算機(jī)連接并進(jìn)行定量采集和處理數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)。[1]它能將化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可監(jiān)測(cè)的信號(hào), 從而幫助學(xué)生增強(qiáng)對(duì)化學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

本文的“可視化”并不是簡(jiǎn)單地把數(shù)據(jù)變成圖表，而是以數(shù)據(jù)為工具，以可視化為手段，用直觀的方式促進(jìn)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解和掌握。知識(shí)可視化過程是人腦把抽象知識(shí)形象化的過程，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)中建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)的過程，更是學(xué)生思維品質(zhì)提升的過程。

在初中化學(xué)教學(xué)中，有一些難理解的科學(xué)概念和原理，通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不容易讓學(xué)生理解，借助于數(shù)字化傳感技術(shù)的直觀演示、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析和圖表展示，可以達(dá)到快速突破教學(xué)難點(diǎn)、優(yōu)化教學(xué)過程及提高教學(xué)效率的目的。尤其是牽涉到微觀粒子的知識(shí)，對(duì)學(xué)生來講都是難以理解的，借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)變化和圖像變化等可視的表征方式實(shí)現(xiàn)微觀“可視化”，有利于學(xué)生建立宏觀和微觀的聯(lián)系，進(jìn)而幫助學(xué)生從微觀層面理解問題的本質(zhì)。傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有一些反應(yīng)的過程是無明顯現(xiàn)象的，學(xué)生由于觀察不到明顯現(xiàn)象，難以理解反應(yīng)的過程和其中涉及的相關(guān)知識(shí)，如二氧化碳和氫氧化鈉的反應(yīng)、飽和溶液的形成等。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)定體系中某一物理量的數(shù)據(jù)變化或變化曲線，借助可視的表征對(duì)象幫助學(xué)生將抽象、概括的，難以理解的知識(shí)轉(zhuǎn)化成形象、具體的，便于理解的知識(shí)。

二、教學(xué)過程設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“中和反應(yīng)”是初中化學(xué)中的一個(gè)重要概念，本課的教學(xué)是一節(jié)概念課的教學(xué)。本課在設(shè)計(jì)中重視學(xué)生對(duì)概念的構(gòu)建過程，力求讓學(xué)生在教學(xué)過程中逐步體驗(yàn)概念的內(nèi)涵，最終水到渠成地完成核心概念的構(gòu)建。

氫氧化鈉和鹽酸的反應(yīng)是無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)，一般需要通過酸堿指示劑的顏色變化來證明反應(yīng)的發(fā)生。為什么這個(gè)反應(yīng)會(huì)放熱？為什么利用酸堿指示劑能證明反應(yīng)的發(fā)生？宏觀上表現(xiàn)出的這些現(xiàn)象只有從微觀層面去分析才能找到解釋，通過從微觀角度分析認(rèn)知反應(yīng)的過程，幫助學(xué)生體驗(yàn)化學(xué)“宏觀—微觀—符號(hào)”的三重表征。

通過分析反應(yīng)的微觀過程，猜測(cè)熱量的變化與微觀反應(yīng)過程的相關(guān)性，再通過實(shí)驗(yàn)來收集證據(jù)驗(yàn)證猜測(cè)。在分析解決問題的過程中體驗(yàn)化學(xué)“實(shí)證”的學(xué)科思想和方法。收集“實(shí)證”的過程中通過“定性實(shí)驗(yàn)”“定量實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生感受多元化、多角度的實(shí)驗(yàn)研究方法，尤其是通過引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將看不到的化學(xué)反應(yīng)過程“可視化”，有利于學(xué)生對(duì)“微粒觀”的認(rèn)識(shí)和理解。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以圖形方式呈現(xiàn)，并對(duì)圖形進(jìn)一步分析，有利于學(xué)生對(duì)“定性實(shí)驗(yàn)”的實(shí)證的分析和理解；通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)的采集，感受實(shí)驗(yàn)研究工具的進(jìn)步為化學(xué)研究帶來的便利，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析，提高學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力的同時(shí)更有利于理解問題的本質(zhì)。

（二）教學(xué)內(nèi)容分析

1.教材分析

“酸堿中和反應(yīng)”是滬教版九年級(jí)化學(xué)第五章第二課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，是一級(jí)主題“常見化合物”的重要內(nèi)容，也是酸和堿的重要性質(zhì)之一。教材編排中先學(xué)習(xí)酸堿中和反應(yīng)，之后再學(xué)習(xí)酸和堿的性質(zhì)，因此本課時(shí)的內(nèi)容是后續(xù)內(nèi)容學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和鋪墊。

2.學(xué)情分析

（1）知識(shí)儲(chǔ)備

在低年級(jí)的科學(xué)課、化學(xué)課第三章“溶液的酸堿性”中已經(jīng)學(xué)習(xí)了酸溶液和堿溶液的酸堿性、酸堿指示劑、溶液酸堿度的表示方法等相關(guān)知識(shí)，為本節(jié)課討論酸和堿的反應(yīng)做好知識(shí)儲(chǔ)備。

（2）能力儲(chǔ)備

學(xué)生在之前的化學(xué)學(xué)習(xí)和其他自然學(xué)科的學(xué)習(xí)中多次體驗(yàn)了探究式學(xué)習(xí)方式，因此具備了一定的問題探究能力和小組合作學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，為本課教學(xué)活動(dòng)的展開做好能力儲(chǔ)備。

（3）方法的儲(chǔ)備

在第二章“物質(zhì)的量”“質(zhì)量守恒定律”、第三章“溶解度”等概念課的學(xué)習(xí)中已經(jīng)體驗(yàn)過概念構(gòu)建的過程和實(shí)證的思想，為本課的學(xué)習(xí)做好方法的儲(chǔ)備。

（三）教學(xué)目標(biāo)的制定

1.知識(shí)與技能

（1）知道中和反應(yīng)的概念；

（2）了解中和反應(yīng)的特征；

（3）知道生活中簡(jiǎn)單的中和反應(yīng)的原理。

2.過程與方法

（1） 通過收集“反應(yīng)放熱與微粒重組關(guān)系”的實(shí)證，體驗(yàn)科學(xué)研究中實(shí)證的思想和方法；

（2）通過多角度收集實(shí)證，學(xué)習(xí)定性定量研究、對(duì)照實(shí)驗(yàn)等方法，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析的一般過程。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀

通過討論生活中的酸堿中和反應(yīng)，感受“化學(xué)服務(wù)于生活”的學(xué)科價(jià)值。

（四）教學(xué)重難點(diǎn)的確立

中和反應(yīng)是一個(gè)重要的基本概念，如何通過教學(xué)活動(dòng)幫助學(xué)生體驗(yàn)概念的內(nèi)涵并最終建構(gòu)概念是本課的重點(diǎn)。

由于教材中不提及離子，如何讓學(xué)生理解中和反應(yīng)的內(nèi)涵是本課的難點(diǎn)。教學(xué)設(shè)計(jì)中借助動(dòng)畫的形式幫助學(xué)生理解復(fù)分解反應(yīng)的微觀過程。從討論化學(xué)變化宏觀表現(xiàn)出的放熱的現(xiàn)象與微粒結(jié)合的主動(dòng)性的相關(guān)性著手，通過收集、分析不同的實(shí)證，從而感知中和反應(yīng)的本質(zhì)是酸中的氫與堿中的氫氧根結(jié)合并放出熱量的過程。

（五）教學(xué)流程

（六）教學(xué)過程

1.實(shí)驗(yàn)引入

利用實(shí)驗(yàn)“彩虹管”（見圖1）的制作引入，通過實(shí)驗(yàn)中紫甘藍(lán)汁不同的顏色變化形成視覺沖擊，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過分析紫甘藍(lán)汁不同的顏色變化的原因，激發(fā)學(xué)生的“前認(rèn)知”，為后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)的開展做好知識(shí)鋪墊。

圖1

2.分析原理，形成認(rèn)知

通過討論“彩虹管”中間部位的紫色能否說明氫氧化鈉和鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、如何利用彩虹管證明氫氧化鈉和鹽酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，幫助學(xué)生形成認(rèn)知：氫氧化鈉和鹽酸能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。再通過實(shí)驗(yàn)氫氧化鈉溶液和鹽酸混合（見圖2），進(jìn)一步幫助學(xué)生形成認(rèn)知：化學(xué)反應(yīng)中無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)往往需要借助于指示劑等輔助手段來說明反應(yīng)是否發(fā)生。

圖2

3.探究反應(yīng)過程，體驗(yàn)概念內(nèi)涵，建構(gòu)概念

（1）在氫氧化鈉溶液和鹽酸混合的實(shí)驗(yàn)中只有一個(gè)學(xué)生有機(jī)會(huì)感受到了這個(gè)反應(yīng)過程是放熱的過程，而利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)時(shí)呈現(xiàn)氫氧化鈉溶液中滴入鹽酸時(shí)溫度的變化曲線（見圖3），讓全體學(xué)生感受到這個(gè)反應(yīng)是放熱的反應(yīng)，而且在鹽酸加到一定量時(shí)溫度達(dá)到最高，這為后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)提出核心問題“反應(yīng)中的熱量從哪里來？”提供了事實(shí)依據(jù)，也為后續(xù)教學(xué)環(huán)節(jié)中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步應(yīng)用作了第一步鋪墊。

圖3

（2）通過動(dòng)畫演示“交換舞伴”，幫助學(xué)生從微觀層面理解氫氧化鈉和鹽酸之間反應(yīng)的微觀過程，也為學(xué)生在后續(xù)課時(shí)酸、堿、鹽的性質(zhì)的學(xué)習(xí)中，理解復(fù)分解反應(yīng)的微觀過程打好基礎(chǔ)。

（3）根據(jù)“交換舞伴”的動(dòng)畫，學(xué)生推理出氫氧化鈉和鹽酸反應(yīng)的產(chǎn)物，結(jié)合氫氧化鈉溶液中滴入鹽酸時(shí)放熱的現(xiàn)象，學(xué)生提出猜測(cè)反應(yīng)中放出熱量與反應(yīng)中哪對(duì)“舞伴”的主動(dòng)結(jié)合有關(guān)。

（4）通過實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)來佐證猜測(cè)是否成立。

① 收集證據(jù)佐證放熱與氫氧化鈉中的鈉與鹽酸中的氯的結(jié)合是否有關(guān)。

運(yùn)用替換、比較、歸納的實(shí)驗(yàn)思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，測(cè)定多組存在鈉與氯組合的體系中兩種溶液混合前后溫度的變化。根據(jù)混合前后溫度幾乎不變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合課外測(cè)定的更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：反應(yīng)中的放熱與氫氧化鈉中的鈉與鹽酸中的氯的結(jié)合沒有直接的關(guān)系。

② 收集證據(jù)佐證放熱與鹽酸中的氫和氫氧化鈉中的氫氧根的結(jié)合是否有關(guān)。

“彩虹管”中的溶液倒入燒杯后變成紫色，從定性的角度說明鹽酸中的氫和氫氧化鈉中的氫氧根結(jié)合成水。我們也可以利用更精準(zhǔn)的方法——測(cè)溶液的酸堿度pH來證明這一對(duì)“舞伴”的重組。教師利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)在氫氧化鈉溶液中滴入鹽酸時(shí)pH的變化曲線（見圖4）。通過觀察pH的變化曲線的動(dòng)態(tài)過程，感受溶液體系中隨著鹽酸的加入，氫和氫氧根結(jié)合成水的量逐漸增多，體系內(nèi)的氫氧根逐漸減少甚至消失，而氫的量在鹽酸加到一定量時(shí)出現(xiàn)在體系內(nèi)并繼續(xù)增加，從而形成認(rèn)知：在pH等于7附近時(shí)氫和氫氧根恰好完全結(jié)合。

圖4

結(jié)合學(xué)生之前觀察到的氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸時(shí)的溫度變化曲線中的最高點(diǎn)，教師提出問題：溫度達(dá)到最高時(shí)滴加鹽酸的量與氫和氫氧根恰好完全結(jié)合時(shí)所加的鹽酸的量是否一致？于是，教師再次利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)同時(shí)呈現(xiàn)氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸的pH變化曲線和溫度變化曲線（見圖5），通過觀察兩根曲線的動(dòng)態(tài)變化過程，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫和氫氧根完全中和時(shí)溫度達(dá)到最高。這個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明反應(yīng)的放熱與氫和氫氧根的結(jié)合有直接關(guān)系。

圖5

根據(jù)“反應(yīng)放熱與氫和氫氧根的結(jié)合有關(guān)”的結(jié)論，教師提出新的問題：當(dāng)反應(yīng)中生成的水的量改變時(shí)，放出的熱量是否變化？學(xué)生有認(rèn)為變化，也有認(rèn)為不變的，于是利用三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見圖6）：分別測(cè)定20mL氫氧化鈉溶液與20mL鹽酸混合生成水的量分別是0.02mol、0.03mol、0.04mol的體系的溫度變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：生成的水越多，溫度升高越多；生成的水的物質(zhì)的量之比和溫度升高的量之比相等。這個(gè)定量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)再次說明反應(yīng)的放熱與氫和氫氧根的結(jié)合有直接關(guān)系。

（5）教師再次運(yùn)用替換和歸納的方法，提出如果將氫氧化鈉換成氫氧化鋇或是將鹽酸換成硫酸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果依舊不變。通過討論這兩個(gè)新的反應(yīng)的產(chǎn)物，比較這三個(gè)反應(yīng)的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)，推斷酸和堿這兩類物質(zhì)反應(yīng)的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，最終建構(gòu)中和反應(yīng)的概念，同時(shí)歸納這一類反應(yīng)的特點(diǎn)和本質(zhì)。

4.應(yīng)用概念，解釋生活中的中和反應(yīng)

教師通過分析治療胃酸過多的藥物的成分及反應(yīng)原理，讓學(xué)生了解中和反應(yīng)在生活中的應(yīng)用。通過討論兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)后的廢液的處理方法，反饋學(xué)生對(duì)中和反應(yīng)的理解和掌握程度，同時(shí)也鍛煉學(xué)生學(xué)以致用的能力。

圖6

三、教學(xué)反思

（一）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)使無現(xiàn)象的反應(yīng)“可視化”，有效化解教學(xué)難點(diǎn)

由于教材編寫中沒有出現(xiàn)“離子”這個(gè)概念，這為本課學(xué)生理解中和反應(yīng)的本質(zhì)和內(nèi)涵增設(shè)了一定的難度。盡管利用傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)在氫氧化鈉溶液中滴加酚酞，再逐滴滴加鹽酸，溶液從紅色變?yōu)闊o色，學(xué)生能理解兩者發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，大部分學(xué)生也能理解是氫氧化鈉中的氫氧根與鹽酸中的氫結(jié)合生成了水，但學(xué)生不會(huì)理解中和反應(yīng)的放熱和這個(gè)結(jié)合過程有關(guān)。

本課借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將這個(gè)傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)引申到定量實(shí)驗(yàn)，通過呈現(xiàn)氫氧化鈉溶液中逐滴滴加鹽酸時(shí)pH的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)pH的變化曲線，將溶液中氫氧根不斷減少而鹽酸加到一定量時(shí)氫逐漸增加的這個(gè)肉眼無法觀察的微觀過程“可視化”，使學(xué)生輕而易舉地理解了兩者之間的反應(yīng)是堿中的氫氧根和酸中的氫結(jié)合成水的過程。通過分析pH的變化曲線，學(xué)生不難理解在pH=7附近時(shí)兩種微粒恰好完全反應(yīng)，這是從傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)無法獲得的認(rèn)知。盡管通過習(xí)題，學(xué)生也能從pH的變化曲線的分析中得到相關(guān)的認(rèn)知，但由于缺乏了對(duì)微觀過程可視化觀察的事實(shí)性知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)支撐，學(xué)生的理解顯得空洞，在知識(shí)的應(yīng)用上就會(huì)力不從心。

（二）合理巧妙使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將“隱性”的知識(shí)內(nèi)涵可視化，促進(jìn)學(xué)生理解概念的內(nèi)涵

本課的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能不局限于將反應(yīng)的微觀過程“可視化”，更立足于如何將中和反應(yīng)的本質(zhì)和內(nèi)涵的相關(guān)知識(shí)“可視化”。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中測(cè)定氫氧化鈉溶液中滴加鹽酸時(shí)溫度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)變化曲線，讓學(xué)生更直觀地認(rèn)識(shí)到中和反應(yīng)是放熱的反應(yīng)，并且通過分析溫度變化曲線圖可知，鹽酸加到一定量時(shí)反應(yīng)放出的熱量達(dá)到最大值。這為學(xué)生討論中和反應(yīng)的本質(zhì)和內(nèi)涵奠定了事實(shí)性依據(jù)和基礎(chǔ)。接著再次借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)收集證據(jù)，當(dāng)體系內(nèi)有鈉與氯的重組時(shí)，溫度幾乎不變，說明中和反應(yīng)的放熱與鹽的生成沒有直接關(guān)系。同時(shí)測(cè)定酸和堿反應(yīng)時(shí)的pH變化和溫度變化兩根曲線，學(xué)生可以從這兩根曲線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的呈現(xiàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)氫和氫氧根恰好完全結(jié)合時(shí)溶液的溫度達(dá)到最高，這對(duì)學(xué)生理解中和反應(yīng)的本質(zhì)和內(nèi)涵提供了強(qiáng)有力的事實(shí)依據(jù)，這是傳統(tǒng)的定性實(shí)驗(yàn)所不具有的功能。本課后續(xù)又利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)定相同的體系內(nèi)生成不同的量的水時(shí)放出的熱量，通過可視化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再次幫學(xué)生提供了一個(gè)有力的證據(jù)支撐中和反應(yīng)的內(nèi)涵和本質(zhì)。

（三）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，多角度、多層次地將知識(shí)“可視化”，體驗(yàn)學(xué)科素養(yǎng)

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)往往只是對(duì)結(jié)果做定性分析, 側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過程的具體操作，常用儀器的使用規(guī)范、用途，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察以及從現(xiàn)象分析結(jié)論。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要是從具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析歸納實(shí)驗(yàn)結(jié)論, 側(cè)重于實(shí)驗(yàn)過程中的探究過程和思維能力的培養(yǎng)。本課中多次利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)從不同層次、不同角度來理解中和反應(yīng)，幫助學(xué)生體驗(yàn)宏觀和微觀的有機(jī)結(jié)合、定性研究和定量研究方法的整合、實(shí)證思想的強(qiáng)化等化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)。

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)的往往是單一的。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的引入， 則給我們的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新的生機(jī)，增加了探究性。它所呈現(xiàn)的是多維的， 數(shù)據(jù)和圖像可以同時(shí)動(dòng)態(tài)地表現(xiàn)，極大地豐富了化學(xué)教學(xué)。在化學(xué)教學(xué)中, 我們應(yīng)該將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合起來, “擇其善者而從之，其不善者而改之” ，才能更好地發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的作用， 取得更好的教學(xué)效果。