借助传感器探究化学反应原理的教学评一体化单元教学设计

王旭达 英华 李海鹰

摘要： 在化学反应原理实验教学中，教师应用控制变量的方法进行实验对比观察，利用不同传感器设计探究实验的新方案，引导学生捕获新证据，结合理论知识进行定量分析，“看到”化学反应原理微观本质，并且根据学生对实验数据的分析情况诊断并发展学生数据处理能力、宏观辨识与微观探析水平以及证据推理与模型认知水平。“浓度对化学平衡的影响”和“钢铁吸氧腐蚀原理”实验的教学评一体化设计突破了传统实验的局限，利用传感器的优势，帮助学生定性、定量思考改进实验方案，快速且准确地获取可视化的数据证据，有助于提升学生的化学学科核心素养。

关键词：教学评一体化;传感器;化学实验;探究;单元教学

《普通高中教科书 化学 选择性必修1 化学反应原理》注重从微观层面探索化学反应的规律并用以分析和解决实际问题，进一步发展学生的化学观念和化学学科核心素养。但诸如化学平衡移动和电化学原理非常抽象，学生难以将知识内化并转化为能力^[1]。教师可以借助信息技术解决这一难题。传感器能够快速、定量、准确地将实验现象转化成可见信号，如光、温度、压强等信号。教师利用传感器开展实验教学有利于外显化学反应原理的本质，引导学生对反应原理深刻理解。笔者以探究“浓度对化学平衡的影响”和“钢铁吸氧腐蚀原理”实验为例，在多种传感器辅助下，实施教学评一体化化学单元教学设计。

一、实验教学设计与评价导向

（一）单元整体教学设计思路

在化学反应原理如化学平衡移动、电化学原理实验教学中，笔者应用控制变量的科学方法做实验，对比观察，提出新目标，选择不同的传感器，并利用其优点设计新的探究实验方案，在实验中引导学生捕获新证据，结合已学理论知识进行定量分析，体验“看到”化学反应原理微观本质的快乐。笔者基于传感器设计了探究实验流程（如图1）。

（二）“浓度对化学平衡的影响”和“钢铁吸氧腐蚀原理”实验教学评价思路

教师在讲授化学反应原理的过程中，通常要求学生按教材上的说明做实验，并以此诊断学生控制变量开展实验的水平。笔者按照教学评一体化单元设计的思路，在课堂教学中引入传感器，让学生应用传感器设计并实施新的实验方案，以此诊断学生科学探究与创新意识。笔者根据学生对传感器实验数据的综合分析情况，诊断并发展学生数据处理能力、宏观辨识与微观探析水平，证据推理与模型认知水平^[2]（如图2）。

二、实验教学设计案例及分析

（一）浓度对化学平衡的影响实验

1.学习教材内容开展实验活动，体验控制变量科学方法

实验过程：首先，向小烧杯中加入10 mL蒸馏水，滴入5滴0.05 mol/L FeCl₃溶液、5滴0.15 mol/L KSCN溶液，用玻璃棒搅拌使其充分混合，将混合均匀的溶液平均注入a、b、c三支试管中。然后，向试管a中滴入5滴0.05 mol/L FeCl₃溶液，向试管b中滴入5滴0.15 mol/L KSCN溶液，对比、观察实验现象，并与试管c进行对比。

实验证据、分析与结论：将试管c中溶液作为对照对象，试管a、b中溶液颜色均加深，故增大平衡体系中反应物Fe³⁺或SCN^-的浓度，FeCl₃+KSCN     Fe（SCN）₃+3KCl反应正向移动。

挑战性问题：除了凭借肉眼观察体系颜色变化，还有哪些实验方案可达到此实验目的？

2.根据色度传感器工作原理，改进对比实验，捕获新证据

了解色度传感器工作原理：光照射到盛满待测液的比色皿上，将测量的光透过的百分比通过计算机软件绘制透光率图。实验者根据透光率数值推断溶液颜色的深浅，即透光率数值越小说明溶液颜色越深，反之，透光率数值越大说明溶液颜色越浅。

设计对比实验：向烧杯中加入20 mL 0.05 mol/L FeCl₃溶液和20 mL 0.15 mol/L KSCN溶液，振荡，得混合溶液M。按表1给定的顺序分别装满对应的溶液，测量透光率，绘制曲线，观察图像、记录数据、转化信息，最后对比分析得出结论。为严格控制变量并观察到颜色变化数值，分别向比色皿c、d中滴加1滴浓度更大的溶液，并振荡。

经色度传感器测量并绘制得出的四条透光率图线如图3所示。

对比分析证据得出结论：当增大反应物浓度c（Fe³⁺）或c（SCN^-），平衡体系溶液的透光率由近80%分别明显下降到近60%、近10%，说明体系溶液颜色加深，即Fe（SCN）₃浓度增大，学生可直观推理得到“增大反应物浓度化学平衡正向移动”这一结论。

实验评价与反思：色度传感器辅助探究浓度对化学平衡的影响，将溶液颜色变化转化为可视的光信号图像，这为学生判断外界条件对化学平衡的影响提供了更可靠的直观实验证据，有利于提升学生宏微结合探析化学反应原理的本质认识水平。

（二）钢铁吸氧腐蚀原理实验

1.基于教材上的实验，体验实验原理外显与证据推理过程

实验过程：将经过酸洗除锈的铁钉用饱和食盐水浸泡一下，放入具支试管中，盖紧胶塞，观察现象。

实验证据、分析与结论：几分钟后观察到右侧导管中液柱明显上升。由此推理铁钉在饱和食盐水浸润的环境下发生了吸氧腐蚀。

挑战性问题：若使上述实验液柱上升得更快、正负两极反应物外显，如何改进钢铁吸氧腐蚀原理实验呢？

建立实验原理外显模型：学生根据提示讨论后，改进实验方案。学生模拟铁钉的成分组成，联想暖贴使用经历，用还原铁粉和活性炭粉代替铁钉;对比饱和氯化钾溶液与饱和食盐水浸润铁钉效果后，观察到前者实验现象更快;为观察到液柱更明显上升，在小试管中加一滴红墨水。探究实验装置如图4所示。学生向锥形瓶中加入一定比例的铁粉和炭粉，加入少量氯化钾溶液模拟潮湿的中性环境，创建金属电化学腐蚀模型，塞紧瓶塞，外接一盛有红色墨水的试管，观察导管中液柱变化情况。

再捕获证据、分析推理：几秒后即观察到导管中液柱明显上升，这说明锥形瓶内气压减小，有气体参与了铁粉的腐蚀反应。学生依据氧化还原反应原理，推理得知氧化铁粉的气体应该是氧气，且因铁粉与炭粉代替铁钉、氯化钾溶液代替氯化钠溶液浸润反应物，明显加快了铁粉腐蚀的速率。

实验评价与反思：教师通过改变反应物组成方式，有效外显钢铁吸氧腐蚀反应原理，以此评估并促进学生创新能力和思维水平。

再提出挑战性问题：除了以导管中液柱上升作为推理铁钉发生吸氧腐蚀的证据，还可以使用哪些实验手段获得更充分、更直接的证据来说明是何种气体参与铁钉腐蚀的过程？另外，联想使用暖贴的体验，探究钢铁吸氧腐蚀过程中的能量变化情况。

2.利用氧气传感器和温度传感器的特性，改进实验，捕获新证据

如何利用氧气传感器探析氧气参与钢铁电化学腐蚀的实验过程？学生根据氧化还原原理，预测钢铁吸氧腐蚀反应中氧气作为氧化剂参与了正极反应，在此基础上，利用氧气传感器探究并确认参与钢铁吸氧腐蚀反应的气体种类为氧气。实验时，将氧气传感器探头插入与图4相同发生金属电化学腐蚀的锥形瓶中。

分析实验证据得出结论：将氧气传感器与计算机相连，绘制氧气浓度变化曲线（如图5）。

学生可清晰观察到氧气浓度不断下降，确认是氧气参与了钢铁在潮湿中性环境下的腐蚀，造成导管中液柱上升。

学生利用温度传感器探析钢铁吸氧腐蚀能量变化实验过程，即把灵敏温度传感器探头插入与图4相同发生金属电化学腐蚀的锥形瓶中。

分析实验证据得出结论：将灵敏温度传感器与计算机相连，绘制钢铁发生电化学腐蚀过程中的温度变化曲线。

学生可清晰地观察到随着钢铁电化学腐蚀，锥形瓶内温度越来越高，从而得出钢铁吸氧腐蚀为放热反应的结论;同时发现几分钟内温度升高值不大，从而得出钢铁电化学腐蚀过程缓慢的结论，进而推理得知原设想中模拟的暖贴工作时会持续升温和发热，按产品说明书使用不会发生烫伤情况。

实验评价与反思：学生用氧气传感器、温度传感器可将化学变化中的气体反应物浓度和温度的变化转化为数据信号，从而更快捷、更准确地获得实验证据，进行定量实验分析。教师以此诊断学生对实验数据的定性分析能力，即能除了观察宏观现象还能用数据、图表方式描述实验证据并进行定量分析推理得出合理结论^[3]。

3.再探钢铁吸氧腐蚀实验装置创新设计，外显电极反应原理微观本质

为进一步外显钢铁吸氧腐蚀过程中两电极反应原理，在教师引导下学生做了如下实验探究。

实验过程：学生制作全新的铁钉腐蚀模型，即改用U形管盛装氯化钾溶液，U形管左端放一铁钉，右端放一炭棒，用导线连接电流表，用以模拟铁钉腐蚀过程中形成的微小原电池。

分析实验证据得出结论：实验中，学生观察到电流表指针明显偏转，根据氧化还原反应原理推理，如同“看到”了电子从铁钉负极端定向转移到炭棒正极端。学生同时取出铁钉和炭棒，为检验铁钉一极即负极发生反应Fe-2e^-= Fe²⁺，向U形管左侧溶液中滴加几滴铁氰化钾溶液，观察到溶液中产生特征蓝色沉淀。为检验碳棒一极即正极发生反应O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，学生向U形管右侧滴加几滴酚酞溶液，观察到溶液变红。

实验评价与反思：学生在探究金属腐蚀过程中，从实验中遇到的实际问题出发，改进实验模型，从仅看到液柱变化，到利用传感器确定氧气参与反应及其变化过程中的能量变化，到能“看见”微观电子转移和电极反应原理，认知不断提升。教师通过实验现象多元化外显，使金属吸氧腐蚀原理认知模型得到可视化剖析。

总之，学生借助传感器开展实验探究活动，认识到传统实验的局限，深刻体验到颜色、氧气、温度等传感器的优势，学会定性思考和定量分析，改进实验方案，快速且准确地将不明显的现象转化为可视化的透光率、浓度、温度等数据证据，拓展了影响化学平衡的因素、金属电化学腐蚀等化学原理的认知视角，有助于学生提升化学反应原理认知结构化水平。实践证明，教师在化学课堂教学中科学应用传感器，使信息技术与化学教学深度融合，可以激发学生探索化学学科奥秘的兴趣，推进化学教学评一体化实施^[4]，提高学生宏观辨识和微观探析、变化观念和平衡思想、证据推理和模型认知、科学探究和创新意识水平，发展学生化学学科核心素养^[5]。

注：本文系中国教育学会课题“中学化学大单元设计教学评一体化实践研究”和天津市基础教育教学研究重点课题“基于教学评一体化化学单元整体教学设计案例研究”的成果。

参考文献

[1] 周业虹.融合学科核心素养的高中化学教科书编制——简析人教版《普通高中教科书化学·必修》教学策略[J].中学化学教学参考，2019（9）：1-5.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3] 房喻，徐端钧.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）解读[M].北京：高等教育出版社，2020.

[4] 唐云波.基于“教·学·评一体化”的小学科学概念教学[J].广州：广东教育出版社，2018.

[5] 刘月霞，郭华.深度学习：走向核心素养（理论普及读本）[M].北京：教育科学出版社，2018

（作者王旭达系天津市实验中学一级教师;英华系天津市河西区教师发展中心正高级教师;李海鹰系天津市实验中学高级教师）

责任编辑：祝元志