基于变化观念与平衡思想核心素养下的数字化实验教学设计

吕旭东

摘要：以数字化实验为手段，温度为变量，在敞开体系与封闭体系中，探究碳酸氢钠溶液pH的变化规律。从“变化观念与平衡思想”的视角，帮助学生深度学习电离、水解等知识，以提升学生化学学科核心素养。

关键词：变化观念与平衡思想;数字化实验;碳酸氢钠溶液;实验探究

文章编号：1008-0546（2021）02-0089-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.022

近年来，随着课程改革的力度不断加大和认知水平的逐步提高，学生核心素养的培育成为教育工作者研究的热点。“变化观念与平衡思想”作为化学学科核心素养的五个维度之一，具有典型的学科特征和思维特征，在培育的过程中教师不仅应立足于知识性的教学，更应注重学生在学习过程中的能力培养、观念建构和思维提升。同时要求学生能在微观角度认识物质，动态方式分析变化和理论层面揭示本质，逐步形成化学学科的思想和方法。

以培养学生核心素养为本，笔者设计了“探究温度对碳酸氢钠溶液pH的影响”一节数字化实验探究课，参加了2019年11月7日在芜湖举行的安徽省高中化学优质课评选活动，并获一等奖。对课堂中如何培育学生“变化观念与平衡思想”核心素养进行了探索和反思。

一、教学内容和学情分析

1.教学内容分析

人教版选修4《化学反应原理》第三章介绍了“水溶液中的离子平衡”，其主要内容包括弱电解质的电离平衡、盐类的水解平衡和难溶电解质的溶解平衡。从内容特点来看，该章知识比较抽象、理论性强，难度较大;从功能地位来看，它承接了第二章化学平衡的相关知识，同时又为下一章的电化学学习奠定了基础，更是学生形成微粒观、平衡观和变化观的核心章节。基于此，本课例将利用传统实验和数字实验相结合的手段，重构教学内容，引导学生进行探究式学习，旨在巩固和提升第三章的内容，落实“变化观念与平衡思想”核心素养。

2.学情分析

学生已经学习了水溶液中的离子平衡相关知识，对电离平衡、水解平衡、溶解平衡的建立和平衡移动有了一定的认识，学生也能熟练地掌握化学平衡常数相关的定量计算，但在处理实际问题时，对微观粒子在水溶液中的变化规律还缺乏较为全面的理解。特别在深度学习水溶液中的离子平衡方面，学生由于缺乏综合分析问题的能力，处理复杂问题时，常常举手无措，不知如何应对。

二、教学流程

基于以上学情，教师精心设置情境，鼓励学生提出问题，师生共同设计实验方案并开展探究，在活动中形成知识，达成学科核心素养。教学流程如图1所示。

三、教学过程分析

1.复习旧知，导入新课

[教师]回顾必修一教材中有关碳酸氢钠固体的相关性质，投放到大屏幕（见表1）。

[学生]观看投影，回忆知识

设计意图：通过回忆碳酸氢钠固体的性质，创设情境，明确思维方向，为探究碳酸氢钠溶液是否分解做好铺垫。

[教师]设问：碳酸氢钠溶液会分解吗？如果分解，在什么温度下分解呢？

2.查阅资料，提出质疑

[教师]查阅资料：碳酸氢钠水溶液呈极弱碱性，在50℃开始分解放出CO2。常温下，NaHCO3溶液会分解吗？如果分解，有哪些方法可以证明呢？

[学生]小组讨论，设计方案（见表2）。

设计意图：激励学生敢于质疑，勇于探索的科学态度。引导学生从基于物质特性的角度设计实验方案，培养证据意识和宏观辨识的能力。

3.设计实验，合作探究

探究1：常温下，饱和NaHCO3溶液是否分解

[学生]根据表2设计的方案，组装实验装置，分组同时进行实验。

[实驗一]气球套在盛有饱和NaHCO3溶液的锥形瓶口，用磁力搅拌器不断搅拌，如图2所示。

[实验二]用二氧化碳传感器测封闭体系中饱和NaHCO3溶液上方CO2的含量，如图3所示。

[实验三]常温下，利用pH传感器测敞开体系饱和NaHC03溶液的pH变化，如图4所示。

[学生]各组汇报实验现象。

实验一：短时间无明显现象，一段时间后气球鼓胀，如图2;

实验二：CO2的含量不断增大，一段时间后保持不变，如图5;

实验三：溶液的pH不断增大，如图6。

实验收获：常温下，饱和NaHCO3溶液就可以发生分解，打破了部分老师和学生原有的认知一NaHCO3溶液不易分解。

设计意图：学生自主实验探究，激发了学习化学的兴趣，在实践的过程中获取了最直接的经验，学会合作、交流和表达。传统实验和数字化实验同时进行，充分体现了数字化实验在探究微观变化方面的优势。

探究2：常温下，封闭体系中饱和NaHCO3溶液的pH变化

[教师]设问：常温下，在封闭体系中饱和NaHCO3溶液的pH将如何变化？

[学生]根据探究1中的图5和图6实验曲线进行预测。

[实验四]常温下，用磁力加热搅拌器不断搅拌饱和NaHCO3溶液，利用传感器测封闭体系中溶液的pH变化，实验曲线如图7所示。

实验结果：常温下，敞开体系中饱和NaHCO3溶液的pH不断缓慢增大;封闭体系中溶液pH先增大，一段时间后保持不变。

[学生]主动提出问题：溶液pH的变化是否和液面上方CO2的含量存在关系呢？

[实验五]常温下，用磁力加热搅拌器对盛有饱和NaHCO3溶液的三口烧瓶进行搅拌，同时用传感器测封闭条件下溶面上方CO2的含量和溶液pH的变化，如图8所示。

实验收获：NaHCO3溶液分解为可逆反应，随着液面上方CO2含量的增大，会抑制NaHCO3溶液的分解。建议碳酸氢钠溶液最好密封保存。

设计意图：本环节从学生现有的认知水平出发，精心设置问题，并鼓励学生自己提出问题，由浅入深，层层递进。学生先预测实验现象，再进行实验探究，最后通过对比数字化实验曲线，得出实验结论，提升了实验求证，推理论证的能力。

探究3：升温下，敞开体系饱和NaHCO3溶液的pH变化情况

[教师]以上研究了常温下饱和NaHCO3溶液的pH变化情况，如果升温，溶液pH将如何变化呢？

[学生]各小组讨论后猜想：溶液pH增大，或减小，或不变。

[实验六]用磁力加热搅拌器加热并搅拌烧杯中的饱和NaHCO3溶液，同时利用传感器测溶液的温度和pH的变化，实验结果如图9所示。

注：受pH传感器适用条件的限制，温度升高到约80℃开始降温。

[学生]分析图9得出pH变化特点：升温过程中，溶液的pH先基本不变（略有降低），后增大明显;降温过程中，pH仍缓慢增大。

[师生]把曲线分成a、b、c三段进行分析（见表3）。

分析原因：a段温度升高，NaHCO3溶液分解导致溶液碱性增强，即c（OH-）增大，但同时溶剂水的电离程度也增大，Kw增大，由于两者增大的幅度相近，故pH基本不变.b段因为在该温度范围内，NaHCO3溶液分解产生的CO2迅速逸出，加速了分解反应的平衡正向移动;c段在降温的过程中，NaHCO3溶液持续的分解，所以pH仍缓慢增大。

实验收获：升温过程中，体系中不仅仅是HCO3-简单的发生电离和水解变化，同时溶剂水以及液相和气相之间都出现了平衡的移动，溶液pH的变化是综合作用的结果。

设计意图：分析加热饱和碳酸氢钠溶液pH的变化情况，增强了学生归纳整理数据的能力，有助于提升学生思维的有序性、系统性。由于体系中存在多种平衡相互影响，增加了问题的复杂性，学生需要从微观粒子的相互作用视角分析物质的电离、水解和分解，从而增强了变化的观念。

4.微观分析，深度思考

[教师]反应①产生的H+和反应②产生的OH-相结合生成水，从而进一步促进了HCO3-的电离和水解。因此，反应⑤实质上是HCO3-的电离和水解共同作用的结果。反应⑤的平衡常数远大于HCO3-的电离和水解常数，当外界条件（如压强、温度）发生变化时，用反应⑤解释溶液pH的变化更令人信服。

设计意图：要求学生写出体系中存在的平衡反应式，以符号和数据进行表征，由定性到定量，提升了学生分析问题，解决问题的能力，实现了高阶思维的发展。

四、课后反思

1.在探究碳酸氫钠溶液pH的变化时，采用了数字化实验。与传统实验相比，数字化实验呈现出来的实时的、动态的、可视化的曲线充分激发了学生实验探究的兴趣和学习的热情，课堂上，教师只是引导者和组织者，让学生真正成为了探究活动中的践行者和体验者。另外，数字化实验由于操作简便、快速，并可精确测查数据和处理数据，所以提高了实验探究的效率，保证了课堂内容的完整性及实验数据的可靠性。2017年版课程标准提出了“注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合”。随着课程改革的不断深入，数字化实验在中学化学日常教学中将会有更广泛的应用。

2.本节课的教学以碳酸氢钠溶液为载体，以实验探究为手段，深度学习水溶液中的离子平衡，以提升学生“变化观念与平衡思想”核心素养（具体见图10）。在整个教学过程中，融合了符号表征、曲线表征和数据表征等多重表征，引导学生由宏观到微观、由定性到定量、由变化到平衡的认识过程，实现了知识、能力和素养的协同发展。

3.基于核心素养培育为目标的课堂教学，应是一个主动协作的课堂、一个高效运转的课堂、一个具有探究精神的课堂，在活动中不断实现知识的内化和观念的形成。当然，学生核心素养的培育并非一朝一夕就能实现的，需要教师紧跟教育改革的步伐，及时更新教育教学理念，认真研读教材甚至创造性地使用教材，在日常教学中不断促进和强化。