基于數(shù)字化實驗創(chuàng)設(shè)的研究性學(xué)習(xí)實踐

胡艷麗

摘要：數(shù)字化實驗利用傳感器和計算機，將實驗數(shù)據(jù)通過圖表和圖像進行展示增加實驗結(jié)果的可視性。利用數(shù)字化實驗研究鎂與稀鹽酸反應(yīng)過程，可直觀反映溫度、濃度等因素在不同階段對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。通過讓學(xué)生提出問題、動手操作、發(fā)現(xiàn)問題、改進創(chuàng)新這一系列研究性學(xué)習(xí)過程，真正落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；可視性；研究性學(xué)習(xí)；核心素養(yǎng)

文章編號：1008-0546（2023）09-0094-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.019

數(shù)字化實驗是一種新興的信息技術(shù)，也是一種現(xiàn)代化的教學(xué)實驗手段，具有直觀、綜合、實時、準確、便攜、定量的特點，將對化學(xué)教育產(chǎn)生非常大的幫助和影響。[1]新課標（2017版）中首次提出了要重視化學(xué)教材的信息化發(fā)展，提倡在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生運用化學(xué)軟件處理信息的能力。[2]要充分體現(xiàn)數(shù)字化實驗的教育功能，教師需要將其“融”人到具體的學(xué)科知識教學(xué)中，重視學(xué)生的主體地位，重視學(xué)科課程的重要地位，尋找充分發(fā)揮數(shù)字化實驗教學(xué)功能的途徑和策略。數(shù)字化實驗是傳統(tǒng)實驗的補充與完善，是優(yōu)化化學(xué)教學(xué)的需要。[3]

數(shù)字化實驗改變了學(xué)生對傳統(tǒng)實驗的認知，信息技術(shù)與實驗相互融合，加強了學(xué)生的思維鍛煉，提高了學(xué)生的實驗水平。[4]將傳統(tǒng)實驗用數(shù)字化實驗的方式向?qū)W生展示，結(jié)果會更直觀，更能反映問題的本質(zhì)，學(xué)生也更容易接受。數(shù)字化實驗在一定程度上改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，變被動為主動，從而提高了學(xué)生的實驗操作能力和學(xué)科思維能力。[5]

一、問題提出

在人教版化學(xué)必修第二冊第六章第一節(jié)實驗6—1中，學(xué)生通過實驗知道鎂與稀鹽酸反應(yīng)是放熱反應(yīng)；在該章第二節(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)了化學(xué)反應(yīng)速率之后，知道化學(xué)反應(yīng)速率不僅可以用快慢定性描述，還可以通過單位時間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或者是生成物濃度的增加來定量描述；在該節(jié)教材的練習(xí)與應(yīng)用中，更是通過數(shù)字化實驗對鎂與稀鹽酸反應(yīng)進行更深入的定量分析。人教版化學(xué)必修第二冊第50頁第9題：

某課外實驗小組利用壓強傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機等數(shù)字化實驗設(shè)備，探究鎂與不同濃度鹽酸的反應(yīng)速率，兩組實驗所用藥品如表1所示。

實驗的結(jié)果如圖1所示。學(xué)生需回答以下兩個問題：（1）試說明該圖中曲線的含義。（2）結(jié)合實驗條件，分析兩條曲線的區(qū)別。

在以往很多題目中我們接觸過很多速率時間圖，學(xué)生知道可以從pH、溫度、濃度等角度來分析曲線變化的原因，但是學(xué)生沒有嘗試過利用數(shù)字化實驗自己親手將這些曲線繪制出來。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相比更直觀，更準確地描述了在不同階段化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素，在本節(jié)引入數(shù)字化實驗，不光讓學(xué)生體會到化學(xué)研究從定性分析到定量分析的深入，更能熟悉采用只改變某一個因素，控制其他因素不變的變量控制研究方法，熟練進行“數(shù)形轉(zhuǎn)換”。

因此，我們以此題為契機，在實驗室利用壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器完成對應(yīng)實驗，繪制壓強與時間、溫度與時間、pH與時間的曲線。通過比較單位時間內(nèi)壓強的變化來比較反應(yīng)速率，同時通過溫度與時間、pH與時間的變化曲線，讓學(xué)生分析影響化學(xué)反應(yīng)的因素以及不同階段的主導(dǎo)因素，變學(xué)生的被動吸收為主動探索。學(xué)生在探究中除了完成該題中的操作，還將實驗內(nèi)容進一步深化與改進，完成了一系列探究，最終得出結(jié)論。這種安排拓展了實驗的深度，既鍛煉了學(xué)生的動手操作能力，又通過定量化數(shù)據(jù)圖像分析，對學(xué)生進行思維訓(xùn)練，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

二、實驗原理

鎂與稀鹽酸反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Mg+2HCl=MgC12+H2↑。之所以選擇這個反應(yīng)體系，一是因為它們反應(yīng)時有明顯的實驗現(xiàn)象，產(chǎn)生氣泡，反應(yīng)放熱，溫度變化明顯；二是反應(yīng)快慢適中，便于觀察和記錄；三是因為該實驗藥品是實驗室常用藥品，容易獲得，為學(xué)生接觸數(shù)字化實驗提供了可行性。

三、實驗用品

藥品：鎂條、鹽酸（ 1.0 moI.L-1， 0.5 moI.L-1）、蒸餾水。

儀器：量筒、膠頭滴管、試管、燒杯、壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦。

四、實驗過程

該數(shù)字化實驗過程主要分為4步：

1．將壓強傳感器前端測量管在橡皮塞的圓孔中插緊并檢查裝置氣密性，將數(shù)據(jù)采集器與傳感器連接，并與電腦相連，如圖2所示。

2．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好壓強傳感器，塞緊橡膠塞，采集數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集。

3．用量筒量取2 mL l.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g 條置于試管中，并連接好溫度傳感器，采集數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集。

4．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-I的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好pH傳感器，采集數(shù)據(jù)。待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止采集。

五、數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

1．壓強與時間曲線

學(xué)生共分成六組完成實驗，壓強與時間圖像繪制出來以后，讓各組學(xué)生交流自己圖像。其中有三組與圖1基本相似，例如：從圖3（a）可以看出0-100 s內(nèi)斜率比較大，100 s后壓強變化不大。有三組圖像曲線明顯不同，學(xué)生通過分析討論后找出各組實驗過程中可能出現(xiàn)的問題：圖3（b）沒有按照實驗所需的藥品用量來進行，圖3（c）可能是實驗過程中橡皮塞沒有塞緊，壓強增大后沖出導(dǎo)致氣密性不好，圖3（d）用了氫氣傳感器，并且實驗中塞塞子的速度太慢了。

學(xué)生通過這組實驗分析馬上意識到數(shù)字化實驗的嚴謹性，普通實驗室中簡單實驗在這里必需要操作規(guī)范，否則不能得出正確的圖像結(jié)果，任何一個操作細節(jié)都可以從圖像上反映出來，實驗時必須全身心投入，實事求是地做實驗。后面幾組實驗中學(xué)生不敢怠慢，準確率有了顯著提高。

2．溫度與時間曲線

溫度時間圖基本都能做出來，通過圖4可以看出溫度在0-80 s升高得最快，整體趨勢表現(xiàn)為先升高后降低，這是由于該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的發(fā)生溫度明顯升高，升高的溫度對反應(yīng)速率也產(chǎn)生了影響，使反應(yīng)速率在升溫階段快速提高。

3．pH與時間曲線

從圖5可以看出0-10 s氫離子濃度大對應(yīng)pH小，隨著反應(yīng)的發(fā)生溶液中氫離子濃度不斷減少，對應(yīng)圖像的pH不斷增大，其中10- 70 s內(nèi)pH變化幅度最大。整體來看曲線變化幅度較小，pH變化不是太明顯。學(xué)生通過計算發(fā)現(xiàn)本次實驗消耗鹽酸約為0.00083 mol，鹽酸過量較多，可以調(diào)整鹽酸的濃度。例如：選擇2 mL 0.5 mol．L-1鹽酸進行實驗不但圖像效果更好，也節(jié)約了藥品。

4．結(jié)論

通過上述三組實驗分析，反應(yīng)開始時氫離子濃度最大，但速率不是最快，主要是這時的溫度較低。在10- 70 s這個時間段壓強／時間曲線的斜率最大，反應(yīng)速率最快，這時溫度較高，氫離子濃度較大。

通過以上實驗可以得出以下結(jié)論：對于同一個化學(xué)反應(yīng)，在其他條件不變的情況下，反應(yīng)物濃度越大反應(yīng)速率越快；溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速率越快。同一化學(xué)反應(yīng)過程中化學(xué)反應(yīng)速率會受到多種因素影響，在不同時段占主導(dǎo)的因素不同，對化學(xué)反應(yīng)速率的影響程度也不同。

六、實驗反思與收獲

1．課本內(nèi)容驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生探究熱情

筆者基于較活潑金屬與酸反應(yīng)的特點及影響化學(xué)反應(yīng)的因素這些學(xué)生已基本了解的化學(xué)知識設(shè)計數(shù)字化實驗，及時將書本知識利用各類傳感器和電腦實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，以數(shù)字和圖表的形式直觀地呈現(xiàn)出來，立刻獲得了學(xué)生認可，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情。學(xué)生通過數(shù)字化實驗進行定量分析，有效地促進了證據(jù)推理與模型認知這一化學(xué)核心素養(yǎng)的形成。

2．利用反常圖像，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度

研究性學(xué)習(xí)要求學(xué)生提前了解實驗內(nèi)容，預(yù)測實驗現(xiàn)象，設(shè)計實驗步驟，明確操作意圖，控制相關(guān)變量。學(xué)生實驗中要頭腦清醒，規(guī)范操作，客觀記錄實驗現(xiàn)象，檢驗自己的預(yù)測是否合理，對于沒有達到預(yù)測效果的實驗要分析原因，并找出改進方法。

在本次實驗過程中有學(xué)生得不到正確的圖像，正是這些反常的數(shù)據(jù)和圖像讓一些不規(guī)范的操作、不嚴謹?shù)膽B(tài)度立刻暴露出來，讓學(xué)生深切體會到科學(xué)態(tài)度是實驗成功的前提。研究性學(xué)習(xí)過程不僅強化了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的科學(xué)探究方法，更培養(yǎng)了學(xué)生尊重事實、嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度。

3．優(yōu)化實驗裝置，增強學(xué)生創(chuàng)新意識

在探究過程中有學(xué)生發(fā)現(xiàn)裝置可進一步優(yōu)化，對于學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神，教師立即鼓勵學(xué)生設(shè)計一些優(yōu)化后的裝置，并讓他們進行展示。例如：本次實驗中一次只用一個傳感器測一個量，不同實驗中誤差較大，有學(xué)生指出在同一組實驗中同時用三個傳感器測量更準確，數(shù)據(jù)分析更有說服力。教師及時肯定學(xué)生的建議并提醒要考慮壓強問題。學(xué)生討論后想到了用三頸燒瓶組裝實驗裝置，如圖6（a）是大多數(shù)同學(xué)的設(shè)計圖，圖6（b）是某同學(xué)的設(shè)計圖，該裝置使用了恒壓滴液漏斗，減小了實驗誤差，讓結(jié)果更準確。在展示交流的過程中甚至有同學(xué)提到，如果使用這些裝置，藥品的用量也要進行調(diào)整，學(xué)生不僅有了創(chuàng)新意識同時也具備了科學(xué)探究的基本素養(yǎng)。

在上述活動中，讓學(xué)生能發(fā)現(xiàn)和提出有探究價值的問題；能從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計出探究方案；能運用化學(xué)實驗、調(diào)查等方法進行實驗探究；勤于實踐、善于合作、敢于質(zhì)疑勇于創(chuàng)新，[6]讓科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的學(xué)科核心素養(yǎng)真正落到實處。

4．鼓勵愛護器材，培養(yǎng)學(xué)生社會責(zé)任。

本次實驗過程中使用了多個傳感器，為保證學(xué)生能進行規(guī)范操作，實驗前教師演示了相關(guān)傳感器的用法并強調(diào)了使用注意事項。實驗中有學(xué)生拿出廢尺子和膠帶做成的傳感器支架，簡化了實驗裝置，安全實用。由于藥品用量少，試管不容易固定，有學(xué)生用5 mL滴眼液小藥瓶替代試管。實驗后六組傳感器和數(shù)據(jù)采集器都放回了原處，pH傳感器也及時清洗并把電極放回了保存瓶里。這些細節(jié)過程既保護了器材，又幫助學(xué)生形成了正確的價值觀，培養(yǎng)了學(xué)生綠色化學(xué)理念與社會責(zé)任。

參考文獻

[1] 高妙添．運用數(shù)字化手持技術(shù)改進“測量化學(xué)反應(yīng)速率”實驗的教學(xué)實踐[J]．化學(xué)教育，201 5，36（23）：49-55．

[2] 成華．將數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗有機整合，培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)[J]．化學(xué)教與學(xué)，2021（14）：74-77+84．

[3] 陳琛，董雄輜，姚如富，姚成立，等．數(shù)字化實驗在化學(xué)教學(xué) 的應(yīng)用研究[J]．合肥師范學(xué)院學(xué)報，201 8，36（03）：78-81.

[4] 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，201 7，38（09）：39-43.

[5] 穆莉莉，侯麗雅，章維一，微化學(xué)反應(yīng)的微流體數(shù)字化實現(xiàn)及實驗研究[J]．化工學(xué)報，2009，60（03）：795-800.

[6] 中華人民共和國教育部，普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020.