数字化实验在《化学反应原理》教学中的运用研究

蓝丽凤

[摘要]信息技术与教学的融合是当前教学研究的热点。化学教学中融入数字化实验，解决了传统实验“定性不定量，定量不体现过程”的问题，超越了传统实验。《化学反应原理》的知识抽象、难理解，为此结合课题研究小组的实践经验，以案例的形式，分享数字化实验在突破教学难点、提升认知方式、创新教学模式、培养学生学科核心素养等方面发挥的重要作用，促进数字化实验在化学教学中的运用研究。

[关键词]数字化实验;化学反应原理;运用

[中图分类号]G633.8  [文献标识码]A  [文章编号]1674-6（）58（2020）02-0075-02

数字化实验简称DIS（Digital Information System）实验，是通过计算机、传感器、数据采集器和相关软件组成的能够定量采集数据，并以图表的形式清晰、准确呈现出来的现代化的新型实验技术手段。数字化实验也被称为“手持技术”“掌上技术”“传感器实验”“DIS实验”等。它具有直观、便携、实时、综合、绿色等特点。下面以《化学反应原理》的教学为例，谈谈如何应用数字化实验，使微观反应宏观化，进而突破教学难点，拓展探究问题的深度和广度，创新教学模式，从而提升学生的认知方式，培养学生的化学学科核心素养。

一、利用数字化实验，使微观反应宏观化，突破教学难点

微观反应宏观化是培养“宏观辨识与微观探析”核心素养的重要保障，而数字化实验可以使微观反应变得真实、直观。连接实验装置及相关设备，计算机能将复杂的数据以图表的形式动态呈现，让实验结果一目了然地呈现在学生面前，帮助学生将抽象、概括的知识转化成形象、具体的理解，从而有效突破教学难点。下面以“弱电解质的电离”为例进行阐述。

传统教学中比较盐酸与醋酸的酸性强弱，用的是pH试纸和镁条，宏观现象明显，操作简单，但是定性不定量，没有数据支持，说服力不强。涉及电离平衡移动知识时，只是枯燥地讨论外界条件对电离平衡的影响。为此，笔者所在课题组，借助数字化实验，用pH传感器和压强传感器测量绘制曲线，改良了上述实验。

【实验1】探究盐酸和醋酸的电离程度

常温下，分别向0.1 mol/L的HCl和CH₃COOH溶液中不断加入中性的NaCl和CH₃COONH₄固体，用pH传感器测量溶液pH的变化情况，实时呈现溶液pH随时间变化的图像（如图1）。反应的微观本质是增大CH₃COO^-浓度，CH₃COO^-结合H+生成CH₃COOH，平衡右移，从而降低H⁺浓度。宏观上呈现出盐酸pH不变，醋酸pH增大，从而证明了盐酸完全电离，醋酸部分电离，存在电离平衡。

【实验2】探究醋酸电离平衡的移动

常温下，向两支盛有等量Mg条的具支试管中分别同时加人过量的1 mL 1 mol/L HCl和1 mL 1 mol/L CH₃COOH，利用压强传感器测量试管内的压强变化，绘制压强（p）随时间（t）变化的曲线（如图2）。等体积、等浓度的盐酸和醋酸溶液中，由于盐酸完全电离，初始H⁺浓度大于醋酸，因此反应速率较快。加入镁条后，醋酸中的H⁺被消耗，电离平衡被破坏，平衡右移，直至醋酸完全消耗，因此最终生成等量的氢气。通过观察压强一时间曲线，判断两者速率的大小，直观、高效地揭示了强弱电解质的本质。

利用数字化实验，通过数字、图像的读取，强化学生对于抽象知识点的理解，使看不见、摸不着的弱电解质电离平衡真实、直观地呈现在学生面前，从而突破教学难点。实验过程中还培养了学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”“变化观念与平衡思想”等化学学科核心素养。

二、利用数字化实验，融合四重表征教学模式，促进学生认知方式的提升

四重表征方式是化學教学中的一种常见的教学方法，它主要是从宏观、微观、符号、曲线四个方面帮助学生理解知识，让学生的思维完成从宏观到微观的一个转变。下面以“铁的吸氧腐蚀”为例来进行阐述。

鲁科版教材没有设计实验探究铁的腐蚀原理，其他版本的教材实验也无法直观显示空气中的氧气参与了反应，仅仅通过U形管的水柱变化进行逻辑推理，无法化解学习难点。笔者将铁钉改成铁粉以缩短反应时间，再将具支试管的出口连接压强传感器或氧气传感器，直接测量氧气的数据。在宏观现象的基础上，从实验曲线分析相关量的变化，再从微观角度分析其主要粒子的变化，最后落实符号信息，具体如下表所示。

由此可见，《化学反应原理》的教学可融合“宏观一曲线一微观一符号”四重表征教学模式，通过分析实验曲线，探究宏观现象背后的微观本质，再从微观的角度分析主要微粒的实质变化，最后落实符号表述，引导学生从现象到本质来理解化学概念、反应本质及实验原理，从而促进学生认知方式的提升。

三、利用数字化实验，深化定量实验，培养学生学科核心素养

酸碱中和滴定实验承载着实现课标中“体会定量研究的方法对研究和学习化学的作用”要求的功能，其重要性不言而喻。鲁科版选修4中的中和滴定，采用的是传统实验，利用酸碱指示剂的变色定性判断终点，通过计算求出未知酸或碱的浓度。该探究存在不足之处：①利用指示剂的变色定性判断中和滴定的终点，人为误差较大;②无法体现滴定突跃与指示剂的选择的关系;③难以说明滴定终点可以代替反应终点（化学计量点）的原理;④pH的突跃是真实存在的，但传统实验却无法让学生直观感受到它的存在。引入数字化实验可以弥补上述不足。以盐酸滴定NaOH和氯水的实验为例，实验图如图3所示。

从图3曲线可以看出，pH变化不是均匀的，在盐酸量为滴加25 mL之前的初始阶段，pH变化很缓慢;在25 mL左右，pH变化迅速;在25 mL后，pH变化缓慢。pH的突跃是真实存在的，在25 mL前一滴和后一滴，溶液的pH从4.31变化到9.70，变化幅度较大。

指示剂选择时要选择颜色变化灵敏、显著且颜色变化范围窄的。人眼对蓝色与紫色分辨率低，因此不用石蕊。指示剂的变色范围和反应终点pH=7会有一定的差距，但是对照滴定曲线，发现指示剂的变色刚好在pH突变范围内，因此酸碱指示剂可以用来指示中和滴定的终点。按照反应终点盐溶液的pH与指示剂变色范围相一致的原则来选择指示剂，例如盐酸滴定氨水，反应时生成的氯化铵溶液呈酸性，因此选择甲基橙;而强酸强碱的滴定，由于生成的盐溶液呈中性，用甲基橙或酚酞都可以。指示剂附表如下：

传统酸碱中和滴定实验侧重于具体操作步骤、酸碱滴定管的规范使用、观察滴定终点的现象。而中和滴定的数字化实验通过pH传感器自动绘制出滴定曲线，使学生真实地感受到滴定过程的“突跃”;然后分析曲线变化趋势，透过现象看本质，分析曲线的起点、终点、拐点等特殊点，分析不同节点的微粒成分及变化，从而引发学生深层次的思考。实验过程中帮助学生体验宏观和微观的有机结合。定量实验的纵深学习，培养了学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”等化学学科核心素养。

总而言之，数字化实验为中学化学教学带来了革命性的变化，成为中学化学教学改革的一道亮丽风景。教学中运用数字化实验是非常必要的，对培养学生学科核心素养，增强实验教学的有效性等具有积极意义。如何进一步创造性地发挥数字化实验的作用，我们教师将继续研究和探索。生命不息，教改不止，如此方能与时俱进。