核心素养下数字化实验在化学教学中的应用

李爱玲

化学是一门以实验为基础的学科。化学教学更是离不开化学实验。可以说如果离开化学实验，化学教学就成了“无源之水，无本之木”。化学实验在为教师进行化学教学提供真实的情境问题的同时，也为学生学习化学概念和化学反应原理等理论知识提供了事实依据。学生进行实验方案设计、实验观察时，还可以培养学生的思考能力和观察能力，渗透了“宏观辨识与微观探析”核心素养，发展了“科学探究与创新意识”核心素养，提高了“科学态度与社会责任”核心素养。

从古到今，人类探索未知世界的方法与手段总是不断在进步。纵观化学实验教学的历史发展：早期由于实验条件的限制，化学实验教学以老师讲实验为主，辅以少量演示实验;中期随着教育理念的发展和实验条件的完善，化学教师对教材实验进行了改造和创新，同时每学期的化学实验教学都安排有一定数量的学生分组实验;随着现代信息技术的发展，实验视频、计算机模拟实验处处可见，这些信息技术手段的使用，将实验微观过程可视化、三维化、立体化。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020）年》指出：信息技术对教育发展具有革命性影响，必须高度重视。如何切实加强信息技术与学科教学的融合，现在已越来越引起教育行政部门和广大中小学的普遍关注，已成为教育信息化的一个重要目标。目前许多一线教师已参与到其中，但教师对信息技术与学科融合还存在以下问题：认识理解不到位（认为使用多媒体课件、播放视频、微课录播等就是融合）;对它的开展存在懒于改变、畏惧困难的心理;自身掌握的技术操作欠缺等。因此对信息技术与学科融合研究较多的、成果显著的偏向于经济发达地区、资源丰富的学校，而不发达地区和农村学校受设备、技术等条件的影响研究较少。

基于以上认识，笔者（所处学校为农村中学）将数字化手持技术应用于实际教学的案例与大家分享。

一、应用pH数字化实验探究浓度对盐类水解的影响

1. 教材实验分析

以苏教版《化学反应原理》专题三第三单元“影响盐类水解的因素”为例。浓度对盐类水解的影响，教材提供的实验方案：在小烧杯中加入5ml 0.1mol·L-1的氯化铁溶液，测pH;加水稀释到50ml，再测该溶液的pH。该实验方案根据氯化铁溶液稀释10倍，推测溶液pH变化为1，但实际测得溶液pH变化小于1，由此说明氯化铁溶液存在水解平衡，加水稀释促进氯化铁溶液的水解。由于测稀释前后溶液的pH，不能直观地呈现加水稀释氯化铁溶液pH先瞬间增大再逐渐减小的过程，学生在学习该知识点时总是靠死记硬背结论（如越稀越水解）。

利用pH数字传感器，可将加水稀释溶液的pH先瞬间增大再逐渐减小的过程以曲线的形式呈现出来。

2. pH数字传感器实验过程

实验仪器：磁力搅拌器、磁子、pH传感器、数据采集器、计算机及相应配套软件、烧杯。

实验药品：0.1mol·L-1的氯化铁溶液、蒸馏水

实验步骤：

（1） 将pH传感器、数据采集器和计算机三者相连。

（2） 将磁子放入装有20ml 0.1mol·L-1的氯化铁溶液的小烧杯中，烧杯放在磁力搅拌器上搅拌，将pH传感器探头浸没于溶液中。打开计算机中DISL软件，选择“曲线显示”，待数据稳定后，按“开始”进行数据采集。

（3） 把20ml蒸馏水一次性快速加入氯化铁溶液中（在磁子上方快速加入蒸馏水），继续采集数据，待数据稳定后，按“停止”停止数据采集。

（4） 对图像的X轴和Y轴进行平移和缩放处理。

浓度对氯化铁溶液水解的影响如图1所示。

从图1可知0.1mol·L-1氯化铁溶液pH约为1.8;加水的一瞬间，pH迅速变大，达到2.2，接着pH又逐渐减小到1.98。从数据变化，可以推知，0.1mol·L-1的氯化铁溶液在加水稀释的一瞬间，水解平衡还没发生移动，因此溶液中氢离子浓度迅速减小，pH变大，但由于氯化铁浓度减小，平衡向水解方向移动，使得pH又变小。根据勒夏特列原理，平衡移动只能减弱浓度降低的变化而不能抵消。利用数字化手持技术，将盐溶液水解平衡移动的微观行为通过宏观图像呈现出来，学生直观地“看”到了平衡的移动，对水解平衡移动不再感到抽象和难以理解。

化学反应原理教学中，很多知识点可以利用数字化手持技术将抽象的平衡移动问题以直观的形式呈现给学生。如浓度对醋酸电离平衡的影响、压强对化学平衡的影响、温度对氯化铵水解的影响等。

二、应用数字化实验探究离子反应

1. 教材实验回顾

《离子反应》是高中教学的一个重点，学生要依据宏观现象在头脑中建立起微粒之间的微观反应，这对学生来说是一个挑战。苏教版教材是回顾初中碳酸钠溶液分别与氯化钙溶液、澄清石灰水反应，都有白色沉淀生成。通过电解质在水中的电离以及“写、拆、删、减”，由此得出这两个反应的实质是钙离子与碳酸根结合生成碳酸鈣沉淀。该方法的不足之处在于无法判断溶液中的其它两种离子是不是结合成了肉眼看不见的物质。

2. 综合不同版本教材实验新方案

针对以上不足，综合其它教材该实验的方案：用一定量的氢氧化钡溶液（滴加酚酞）进行导电性实验，发现灯泡较亮;向其中逐滴滴加硫酸溶液，发现灯泡亮度先逐渐变暗，后又逐渐变亮，溶液颜色变浅，出现白色沉淀。该方案通过灯泡亮度变化衡量溶液离子的浓度大小，灯泡变暗，说明离子浓度减小。溶液颜色变浅，说明氢氧根与氢离子反应H++OH- ==H2O，导致氢氧根浓度减少。白色沉淀生成，说明钡离子和硫酸根反应Ba2++SO42-==BaSO4↓。该实验较直观地呈现了离子之间的反应。但如何用一个方程式表示这两组反应呢？学生会有以下两种答案：Ba2++SO42-+2H++2OH-==BaSO4↓+2H2O、Ba2++SO42-+H++OH-==BaSO4↓+H2O。

3. 利用数字化实验进行化学实验导入

高中化学教师在带领学生进行实验探究时，往往无法直接引领学生对于化学实验产生正确的认识与理解。如果化学教师直接带领学生进行数字化实验，学生同样会难以适应这一形式新颖但陌生的化学实验。此时，教师就要以循序渐进的形式，引导学生逐步接受数字化实验，在日常的授课过程中，就为学生导入“数字化”思想。在此基础上，学生既掌握了利用数字化形式来解决化学问题的能力，同时又能够适应数字化实验，实现高效学习。

在开展教学活动时，高中化学教师就可以借助数字化实验，对学生进行化学知识的导入以及实验教学。以《离子反应》这一部分化学实验教学作为案例，高中化学教师在对学生进行实验授课之前，就已经能够充分了解到：学生难以通过自身的想象力，在脑海之中建立起对于离子实验的准确认识与正确理解，在学习《离子实验》这一部分化学知识以及实验操作的过程中，会遇到诸多困难。而这个时候，高中化学教师就可以引入“数字化实验”这一概念以及实验形式，带领学生进行实验操作、知识探讨与学习，实现对于化学知识的准确掌握。比如，在开展实际授课活动时，化学教师可以从“数字化”这一个概念入手，来进行“数字化实验”讲解。以碳酸钠溶液与氯化钙溶液的混合为例，高中化学教师可以先带领学生进行如下数字化实验分析：“同学们，一个碳酸钙分子和一个氯化钠分子，可以分别拆分为几个离子呢？这些离子可以相互组合，发生化学反应、变成其他的物质吗？能够变成哪些物质呢？”通过这种形式，学生将会初步树立起数字化实验的概念，从“数字”的角度来对实验进行思考与探究，确保学生能够正确掌握将要学习的化学实验。

4. 利用数字化实验确定离子间数量关系

而针对学生在探讨氢氧化钡溶液与硫酸溶液的反应过程中，所出现的两种不同的分歧，教师仍然无法带领学生通过建立数字化思想来加以解决。利用传统实验手段无法解决的问题，我们现在依靠手持技术的电导率传感器和pH传感器可以轻松解决。电导率传感器和pH传感器可以同时测出，氢氧化钡溶液逐滴滴加硫酸溶液时，pH和电导率的数值变化图线。分析实验图线可以发现在混合溶液pH=7时，混合溶液电导率的数值也近似为零。混合溶液pH=7说明H++OH- ==H2O反应完成;混合溶液电导率数值近似为零，则说明Ba2++SO42-==BaSO4↓反应也同时完成。再分析各种离子间的数量关系：Ba（OH）2==Ba2++2OH-，有1molBa2+同时有2molOH-;H2SO4==2H++SO42-，有2molH+同时有1molSO42-。因此氢氧化钡和硫酸反应的正确离子方程式只能是Ba2++SO42-+2H++2OH-==BaSO4↓+2H2O。该实验方案，通过数字直观呈现了离子之间的反应以及离子间的数量关系，帮助学生建构了“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

带领学生借助手持技术的电导率传感器和pH传感器来解决化学问题的过程，实质上就是对学生进行数学化实验演示的过程，也是帮助学生建立数字化实验思想、了解数字化实验方式、掌握数字化实验技能的过程。通过教师在课堂之中的数字化实验演示，学生不仅能够更加直观、极为准确地判断出化学反应的具体情况，同时更掌握了一种现代化实验方法，学会了以更加便捷的形式来探讨化学问题，实现知识探究与学习。因此，数字化实验在化学教学之中的应用，不仅能够解决传统形式教学下教师无法为学生进行细致化实验讲解、准确性实验剖析、生动性实验演示的缺点，更开拓了学生的视野，丰富了学生的思想，既让学生掌握了化学知识、直观观察了化学实验过程与实验现象，同时又培养了学生的核心素质，带领学生以现代化的角度来进行实验探究，有助于学生的长远发展。

三、结言

核心素养下，化学实验科学融合信息技术，利用手持技术將实验结果以数值、表格、图片或图表直观表示出来，改变学生认为化学抽象、难学的认识，培养学生学习化学的兴趣。教材中的传统实验看起来有许多的不足和缺陷，但正是这些“留白”更能引发学生的思考，促使他们进行探究，在解决问题中培养了学生的学科素养。同时传统化学实验是基于人体器官（如眼、耳、鼻、手等）通过看、听、嗅、摸进行的实验，学生能感受丰富多样的实验现象以及多姿多彩的变化规律。因此我们应该在传统实验的基础上，合理有效地使用信息技术，这样我们的化学学科才会散发出更大的魅力。

*本文系2020年南安市基础教育教学改革专项课题《信息技术与化学实验教学融合的实践研究》（NJYZ2020-50）的研究成果。