基于手持技术的高中化学实验改进——以“碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸的反应”为例

福建省晋江市侨声中学 施俊芳

一、数字化实验在高中化学实验中应用的意义

实验是化学的重要特征之一。从2017 版新课标的内容及附录可看出，每个模块都有规定的必做实验，对实验部分的要求，无论是数量还是要求都有一定质的提升。由于实验探究的不确定性，很多教师受空间时间和硬件的限制，减少了探究实验的过程，把化学实验单纯地看作是为化学理论教学服务，是验证化学概念、化学规律等知识的工具。手持技术的基本特点是“转定性为定量，化抽象为直观”，在实验手段上，更加体现了其多元化与现代化，从某种程度上更有利于培养学生的化学思维及素养。大数据时代下，信息技术与学科教学广泛融合，出现了数字化实验，教师在教学过程中可以借鉴，有效实现实验教学的重难点突破。

二、实验设计过程

（一）案例背景分析

笔者用的教材是苏教版，化学必修1“碳酸钠的性质与应用”内容中，教材设置科学探究，对比碳酸钠和碳酸氢钠的性质，希望学生通过实验探究掌握两者的性质比较，以提高学生实验能力，培养学生的创新意识。教材中碳酸钠与碳酸氢钠与盐酸反应是一个定性实验，笔者通过层层递进，将其设计为定量实验。学生已经掌握区分物质的分类，了解物质反应发生的条件和现象，掌握pH 与溶液酸碱性的定性关系，有一定的判断能力、观察能力、思维能力和通过实验学习知识的能力，好奇心强、求知欲强，探究欲望异常强烈。

（二）实验改进内容

1.密闭体系，用压强传感器测量压强变化判断产生气体的快慢。

2.用pH 传感器和酸式滴定管探究碳酸钠溶液与盐酸反应本质。

（三）教学目标

1.通过探究性实验，宏微比较碳酸钠和碳酸氢钠与盐酸反应的快慢。2.实验中，通过对比的方法，分析现象的原因和实验本质。3.通过实验，提高学生实验推理和科学探究的化学素养。

（四）实验器材

笔记本电脑、朗威DISLab 数据采集器、压强传感器、pH传感器、滴定计数器、具支试管（含配套活塞）、试管架、针筒注射器、磁力搅拌器、烧杯、酸式滴定管，0.1mol/L 盐酸、碳酸钠和碳酸氢钠溶液。

（五）实验教学过程

1.创设情境，做好铺垫

初中学过“苏式两兄弟”碳酸氢钠和碳酸钠，在物质的分类中，这两种物质都属于盐类，但是为何碳酸钠俗称纯碱？利用手持技术和学生一起测量两种溶液的pH，完成实验一：各取0.1mol/L 碳酸钠和碳酸氢钠溶液2ml 于试管中，分别滴加3 滴酚酞溶液，观察溶液颜色变化；另各取10mL0.1mol/L 的碳酸氢钠和碳酸钠溶液，采用pH 传感器测定两种溶液的pH。

碳酸钠溶液和碳酸氢钠溶液都变红，呈碱性，且相同浓度碳酸钠pH 更高，并记录实验数据。碳酸钠pH 为11.32，碳酸氢钠pH 为8.24。利用对比的方法，用图像和数据分析，加深印象，为后续探究实验做好铺垫。

2.切入主题，引发思考

两者皆属于盐，依据物质的分类，盐可以与酸、碱、盐发生化学反应。根据强酸制弱酸的原理，碳酸钠和碳酸氢钠均可以与盐酸反应产生二氧化碳。展示实物，提问：泡沫灭火器使用的原料之一是碳酸钠还是碳酸氢钠？学生观察后发现是碳酸氢钠。泡沫灭火器原理是产生二氧化碳达到灭火，从速率角度引导学生思考：为何泡沫灭火器选用碳酸氢钠而不用碳酸钠？学生猜想：碳酸钠与酸反应慢；碳酸氢钠与酸反应快。师生互动讨论，利用两种溶液与过量的盐酸反应均会产生气体，气体产生的速率快慢会影响压强改变的快慢，同时考虑到控制单一变量法，设计了实验二：在密闭体系内，取三根具支试管，分别装入2ml 的蒸馏水（空白对照）、0.1mol/L 的碳酸钠和碳酸氢钠溶液，再用三根针筒注射器分别取5mL0.1mol/L 盐酸，同时向具支试管的橡皮塞快速注入具支试管，利用压强传感器测量反应的压强变化并记录，用数据采集器分别绘制不同的三条曲线。通过图像可以直观看到，碳酸氢钠溶液与盐酸反应的曲线斜率更大，说明单位时间内碳酸氢钠与盐酸反应产生二氧化碳的气体速率更大，反应更快，碳酸钠更慢一些。得出结论后，让学生写出反应的相关方程式。相关方程式：Na2CO3+2HCl=2NaCl+CO2↑+H2O，NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

该环节由分类观引入，将教学程序化，显得不突兀，能让学生在猜想—证据—推理中，找到正确的科学探究思维方式，兼顾基础知识的落实，用化学方程式来表征变化过程。

3.拓展提升，定量分析

根据方程式，碳酸钠溶液与盐酸反应所需要的盐酸量更多，是否与速率慢有关联？能否从盐酸量增加的过程设计相关实验来说明此问题？师生探讨得出实验三：取10mL0.1mol/L 的碳酸钠和碳酸氢钠溶液，用0.1mol/L 的盐酸逐滴滴加，启动磁力搅拌功能，用pH 传感器测量溶液的pH 变化，记录气泡产生的时刻pH 和消耗盐酸的体积。

通过图像观察，可知：首先，0.1mol/L 碳酸钠溶液和同浓度的盐酸反应在pH=8 左右才出现气泡，之前并无气泡产生，此时折算体积为9mL 左右（8.95mL），则碳酸钠溶液和盐酸用量接近1﹕1。其次，上面一个实验测得0.1mol/L 碳酸氢钠溶液pH=8.24，同时往碳酸氢钠溶液中滴加盐酸立即产生气泡，绘制的曲线与碳酸钠溶液和盐酸反应的后半部分曲线基本吻合。结合以上两点，我们可以得出一个结论，碳酸钠与盐酸反应是分步进行，即Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl，NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

上面实验探究，同时证明碳酸氢钠与盐酸反应的速率更快。也可以明白为何泡沫灭火器要选择碳酸氢钠为原料，如此产生二氧化碳的速率会更快。

该环节中，通过观察现象和数据分析的科学手段，数形结合，让学生清楚碳酸钠与盐酸的分步反应，不仅重视重要实验的探究活动，更重视实验探究背后的高级思维活动，提升学生的实验素养，同时提高学生的化学学科能力。

三、利用数字化仪器改进本实验的反思

（一）实验可视化，化解教学难点

利用手持技术改进碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应的性质对比的实验，可以直观地通过数据、图像来解释抽象的化学知识，教师不需要使用大量的语言讲解。将实验结果可视化，把碳酸钠与盐酸的反应本质一一揭开，便于学生理解。智能的仪器、科学的数据、直观的现象，有利于逐步提高学生对知识层次的认识和对化学实验本质的科学探究。

（二）四重表征，提高教学效率

从学生层面，学生在学习过程中通过探究实验、与小组的交流、与教师的交流，有积极的思考。宏观的实验现象、微观的粒子行为分析、化学方程式的书写以及有关图表的呈现，用四重表征解释该难点，学生获取信息的能力以及化学实验素养皆得到很大的提升，化学实验教学效果良好。

该实验中，碳酸钠与盐酸反应开始出现气泡时，体积并不是严格意义上的1﹕1，pH 不是8.24，这与搅拌和生成碳酸等其他因素有关，我们应该尊重实验事实，也可以引导学生课外或后续知识储备增加后再进行探究。另外一方面，该知识建构过程中，对学生的素养要求较高，因此小部分学生对于分步进行这个思维障碍点理解稍费劲，课后可以搭配练习以达到较好的效果。