初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與思考

李婷婷

［摘 要］數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可填補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)教學(xué)空白，同時(shí)揭示相關(guān)化學(xué)原理，在一定程度上改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，有利于實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)的深層次發(fā)展。文章以江蘇省初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)說(shuō)課比賽一等獎(jiǎng)“二氧化碳和二氧化硫?qū)τ晁畃H的影響”一課為例，探究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

［關(guān)鍵詞］數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；初中化學(xué)；雨水pH

［中圖分類號(hào)］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）23-0064-03

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中強(qiáng)調(diào)化學(xué)課程要培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”和“科學(xué)探究與實(shí)踐”的核心素養(yǎng)，使學(xué)生學(xué)會(huì)通過(guò)一定的技術(shù)手段完成綜合實(shí)踐活動(dòng)和解決真實(shí)情境問(wèn)題?！秶?guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010－2020年）》中指出：信息技術(shù)對(duì)教育發(fā)展具有革命性影響，必須予以高度重視。近年一些版本的化學(xué)教材和南京市中考化學(xué)試卷中均出現(xiàn)了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。為了讓學(xué)生盡快適應(yīng)，筆者潛心研究，試圖用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)填補(bǔ)教材中一些實(shí)驗(yàn)的教學(xué)空白。借著江蘇省初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)說(shuō)課比賽的機(jī)會(huì)，筆者用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方式對(duì)影響雨水pH的因素進(jìn)行了研究。教學(xué)實(shí)踐表明， 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有面向全體學(xué)生、結(jié)果立現(xiàn)、表征新穎、數(shù)據(jù)可以保留和可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，可使學(xué)生更關(guān)注實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)更主動(dòng)，交流討論更活躍，觀察和分析圖表的能力有所提高，營(yíng)造了使學(xué)生樂(lè)于探究、敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的課堂教學(xué)氛圍。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)緣由

“二氧化碳和二氧化硫?qū)τ晁畃H的影響”探究實(shí)驗(yàn)出自人教版化學(xué)教材九年級(jí)下冊(cè)第十單元課題2第三部分內(nèi)容“溶液酸堿度的表示法——pH”。在分析2020年南京市高淳區(qū)二模試卷時(shí)，有學(xué)生對(duì)其中的一道數(shù)字化圖像題提出了疑問(wèn)：把二氧化碳不斷通入水中，最后溶液的pH大約是5.6嗎？學(xué)生之所以會(huì)有此猜測(cè)，是因?yàn)榻滩闹邪裵H=5.6作為劃分正常雨水和酸雨的臨界值，且教師講解過(guò)雨水呈酸性的原因主要是空氣中的二氧化碳溶于水所致?；诖耍P者意識(shí)到這是個(gè)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)填補(bǔ)教材實(shí)驗(yàn)教學(xué)空白的大好契機(jī)。

筆者仔細(xì)翻閱教材發(fā)現(xiàn)，“調(diào)查與研究”欄目要求學(xué)生測(cè)定最近一段時(shí)間本地區(qū)雨水的pH，并繪制時(shí)間-pH關(guān)系圖，以判斷本地區(qū)是否已經(jīng)出現(xiàn)酸雨。該課后調(diào)查與研究旨在讓學(xué)生通過(guò)科學(xué)探究，學(xué)會(huì)根據(jù)雨水的pH判斷雨水是正常雨水還是酸雨，從而實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。但教材中對(duì)酸雨的判斷依據(jù)沒(méi)有具體解釋，易使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知困難。于是，筆者開(kāi)始嘗試帶領(lǐng)學(xué)生采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行相關(guān)探究，并把二氧化硫?qū)τ晁畃H的影響一同設(shè)計(jì)進(jìn)去，以加深學(xué)生對(duì)此知識(shí)的理解。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)要解決兩個(gè)問(wèn)題：1.把二氧化碳不斷通入水中，當(dāng)溶液pH不再發(fā)生變化時(shí)，此時(shí)pH為5.6嗎？2.不同濃度的二氧化碳和二氧化硫?qū)τ晁畃H的影響程度如何？這兩個(gè)問(wèn)題的提出明確了接下來(lái)探究的方向，為學(xué)生的自主探究、廣泛體驗(yàn)、合作與交流提供了機(jī)會(huì)。

（一）實(shí)驗(yàn)原理與方案

為解決上述兩個(gè)問(wèn)題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行以下方案設(shè)計(jì)：利用自制實(shí)驗(yàn)用品和pH傳感器，將不同濃度的二氧化碳和二氧化硫通入水中，得到時(shí)間-pH變化曲線，分析曲線上的數(shù)據(jù)信息，對(duì)比、總結(jié)得出二氧化碳和二氧化硫?qū)τ晁畃H的影響。具體可分為兩個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一：向水中不斷通入二氧化碳，用pH傳感器測(cè)量溶液pH的變化，得到pH-時(shí)間的變化曲線，讀取pH。

實(shí)驗(yàn)二：向等量水中分別通入30 mL二氧化碳和二氧化硫，待充分反應(yīng)后，再通入30 mL二氧化碳和二氧化硫，用pH傳感器測(cè)量溶液pH的變化，最終得到pH-時(shí)間的變化曲線。

（二）實(shí)驗(yàn)藥品

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，需要制取二氧化碳和二氧化硫。實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳一般使用大理石和稀鹽酸，然而學(xué)生通過(guò)討論得出采用該方法得到的二氧化碳?xì)怏w中容易混入氯化氫，會(huì)影響pH的測(cè)定，所以改用稀硫酸。但是用稀硫酸和大理石塊反應(yīng)，不易快速收集到足夠的二氧化碳，這引發(fā)學(xué)生再度思考，最后通過(guò)討論得出用大理石粉末和稀硫酸來(lái)制取二氧化碳，這樣既排除了氯化氫的影響，又解決了反應(yīng)速率的問(wèn)題。二氧化硫氣體的制取則選用的是稀硫酸和亞硫酸鈉。

（三）實(shí)驗(yàn)裝置

氣體發(fā)生裝置由反應(yīng)藥品的性質(zhì)來(lái)決定，收集裝置則由氣體的性質(zhì)來(lái)決定。二氧化碳和二氧化硫氣體都可以用向上排空氣法來(lái)收集，但考慮到氣體的純度問(wèn)題，用排水法可能更好。但二氧化碳和二氧化硫都溶于水，怎么解決這個(gè)問(wèn)題呢？學(xué)生集思廣益，想到了在水的上方加一層植物油的方法。氣體的發(fā)生和收集裝置如圖1和圖2所示。

此套裝置不僅操作簡(jiǎn)便，還可以防止氣體進(jìn)入空氣污染環(huán)境，更滲透了環(huán)保理念。

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)一和實(shí)驗(yàn)二的過(guò)程中考慮到氣體的溶解速率的問(wèn)題，增加了磁力攪拌器。實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。為了研究相同體積的二氧化碳和二氧化硫?qū)θ芤簆H的影響，實(shí)驗(yàn)二中需要讓等量的氣體同時(shí)加入到等量的水中。為此，學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，并在此過(guò)程中充分調(diào)動(dòng)自身的探究積極性，提升解決問(wèn)題的能力。學(xué)生群策群力，設(shè)計(jì)出如圖4所示的推板裝置。另外，為了起到平衡氣壓的作用引用了長(zhǎng)頸漏斗（如圖5）。

（四）實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在課堂上教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)形成的曲線進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)一中學(xué)生發(fā)現(xiàn)反應(yīng)剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)pH沒(méi)有變化，是因?yàn)橐婚_(kāi)始進(jìn)入水中的是發(fā)生裝置內(nèi)的空氣；一段時(shí)間后pH開(kāi)始下降，是因?yàn)槎趸既苡谒纬闪颂妓?；?dāng)二氧化碳溶于水達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，pH幾乎不再發(fā)生改變，約為3.9（見(jiàn)圖6）。這樣分析無(wú)形中鍛煉了學(xué)生的圖表分析能力。

在實(shí)驗(yàn)二中，使用自制的推板裝置以達(dá)到讓等量氣體同時(shí)加入的目的。每次30 mL這個(gè)量的確定是課前經(jīng)過(guò)反復(fù)嘗試得出的，以使學(xué)生能夠明顯感知不同濃度的氣體對(duì)pH的影響。首先往兩個(gè)集氣瓶中同時(shí)加入30 mL的二氧化碳和二氧化硫，待曲線數(shù)值幾乎不再發(fā)生變化時(shí)再加入30 mL的二氧化碳和二氧化硫，待曲線數(shù)值幾乎不再發(fā)生變化時(shí)停止實(shí)驗(yàn)，得到如下曲線（如圖7）。

（五）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)一可知，不斷把二氧化碳通入水中，最終測(cè)得的pH并不是之前所猜想的5.6，而是3.9。如此具象的呈現(xiàn)一下就激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。學(xué)生開(kāi)始紛紛討論為何不是5.6。經(jīng)過(guò)交流和思維的碰撞，學(xué)生總結(jié)出了其中原因：本實(shí)驗(yàn)是在水中不斷地通入二氧化碳，使二氧化碳在水中達(dá)到了飽和狀態(tài)，而自然界中的二氧化碳含量約為0.03%，在雨水中并沒(méi)有達(dá)到飽和狀態(tài)。至此，第一個(gè)問(wèn)題迎刃而解，同時(shí)也生成了另外一個(gè)問(wèn)題：為何正常雨水的pH約為5.6呢？由于此知識(shí)點(diǎn)超出了初中生的知識(shí)范疇，教師提供資料以輔助學(xué)生分析：把pH=5.6作為劃分酸雨的界限是科學(xué)家于1962年提出的，因?yàn)?0 ℃時(shí)自然界大氣中的CO2 濃度約為 300 ppm， 當(dāng)它和雨水充分接觸達(dá)到平衡時(shí)，雨水的 pH 約為 5.6。因此，人們常用降水的pH=5.6為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷大氣是否受人類活動(dòng)的影響，并作為劃分酸雨的界限。通過(guò)資料的輔助，學(xué)生能更好地理解有關(guān)雨水pH的相關(guān)知識(shí)。同時(shí)，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生了解了科學(xué)探究的基本過(guò)程，提高了對(duì)科學(xué)探究的興趣。

分析實(shí)驗(yàn)二的pH變化曲線可以得到以下信息：1.等體積的二氧化硫和二氧化碳溶于等量水中時(shí)，二氧化硫溶于水形成的溶液的pH更小。2.二氧化碳、二氧化硫溶于水中，濃度越大，溶液的pH越小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：二氧化碳和二氧化硫會(huì)讓雨水的pH變?。辉谄渌麠l件相同的情況下，二氧化硫?qū)τ晁膒H有更大的影響，并且濃度越大，pH越小。

此結(jié)論使學(xué)生認(rèn)識(shí)到在日常生活中要控制二氧化碳和二氧化硫氣體的排放，保護(hù)環(huán)境，由此增強(qiáng)了環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)反思評(píng)價(jià)

初中化學(xué)人教版教材中除了8個(gè)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，還有很多知識(shí)點(diǎn)可以實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式進(jìn)行傳授，以幫助學(xué)生更好地理解。教材中對(duì)二氧化碳和二氧化硫影響雨水pH的知識(shí)沒(méi)有具象解釋，使學(xué)生產(chǎn)生了認(rèn)知困難。本實(shí)驗(yàn)探究補(bǔ)充了教材在此知識(shí)點(diǎn)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)空白，同時(shí)采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)揭示相關(guān)化學(xué)原理，從而達(dá)到了以下實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

1.有效突破難點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)探究補(bǔ)充了教材在此知識(shí)點(diǎn)上的實(shí)驗(yàn)教學(xué)空白，且數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有可視化、直觀性等優(yōu)點(diǎn)，可有效幫助學(xué)生突破認(rèn)知困難，解決疑惑。

2.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置。本實(shí)驗(yàn)裝置具有創(chuàng)新、簡(jiǎn)單、實(shí)用、易操作等優(yōu)點(diǎn)。

3.注重能力培養(yǎng)。教學(xué)過(guò)程注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)以及觀察和分析圖表的能力，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)新事物、掌握新方法、形成新思維，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

本數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)多媒體交互系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并描繪圖線，對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理更為高效和便捷，更重要的是能夠面向全體學(xué)生，讓學(xué)生更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)及其變化過(guò)程和結(jié)果分析。研究表明，采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究熱情，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的理解，提升學(xué)生的圖像認(rèn)知能力，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供更多途徑。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)使得課堂教學(xué)更加多元化，學(xué)生的思維更加活躍，促使學(xué)生養(yǎng)成敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的科學(xué)品質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與實(shí)踐”“科學(xué)思維”等核心素養(yǎng)。

本次數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)榮獲江蘇省初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)說(shuō)課比賽一等獎(jiǎng)。這也啟發(fā)了筆者，作為一線教師不僅要做到熟悉教材，更要去研究教材，發(fā)掘其中可探究的部分，采用合適的教學(xué)方式去引導(dǎo)學(xué)生思考，在教學(xué)過(guò)程中滲透學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，啟迪學(xué)生的科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，進(jìn)而促使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)，提高科學(xué)素養(yǎng)。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［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［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］? 鐘仁梅.話“酸雨”［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（4）：54-55.

［3］? 王棟.酸雨教學(xué)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)［J］.化學(xué)教學(xué)，2018 （10）：69-72.

［4］? 畢吉利，吳曉紅.手持技術(shù)和模型發(fā)現(xiàn)教學(xué)模式在“酸雨的形成”教學(xué)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)教育，2013 （9）：24-29.

［5］? 劉靜.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的思考［J］.中學(xué)課程輔導(dǎo)（教師通訊），2019（10）：28.

［6］? 梁錫.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.教育信息技術(shù)，2016（3）：51-52，80.

（責(zé)任編輯 羅 艷）