数字化实验数据驱动学科核心素养的落实

摘要： 化学反应原理是化学学习中的重要组成。研究基于数字化实验，结合IDEO模型以“水溶液中的离子平衡”为例进行教学实践。通过数字化实验数据实时采集与动态展示功能，将化学反应以可视化方式予以呈现，建立基于数字化实验证据的推理以及实验图像的分析，发展学生的学科核心素养。

关键词： 数字化实验; 核心素养； IDEO模型； 水溶液中的离子平衡

文章编号： 1005-6629（2024）06-0035-06 中图分类号： G633．8 文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）指出：要重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动［1］；精心设计数字化实验，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值［2］。数字化实验将化学反应的现象和本质转换为可检测的信号，利用其定量化、可视化的特点，通过实验数据及图像的分析帮助学生构建认知模型，更好地理解化学反应的原理及本质［3］，培养学生的证据推理与模型认知素养，结合数字化实验开展探究活动有利于培养学生的科学探究精神与创新意识。

国内数字化实验自20世纪末引入化学教学领域后，数字化实验的教学应用和实验设计的相关案例不断涌现，促进了化学教学的发展［4］。但数字化实验高效的数据处理能力也限制了学生分析数据、发现规律的能力［5］。IDEO模型通过使学生参与到设计与发现的数字化实验过程中，推进数字化实验教学设计以发展学生的学科核心素养。

1 IDEO模型

IDEO模型聚焦于在实践中创造性地解决问题，在真实情境中通过活动设计来解决复杂问题。该模型包含发现（Discovery）、解释（Interpretation）、设想（Ideation）、实验（Experimentation）、拓展（Evolution）五个阶段，每个阶段对应着不同的解决问题的策略方法［6］。

IDEO模型源于设计领域，后被应用于教育领域［7，8］，胡小勇等对IDEO模型进行了总结，并介绍了其在课堂教学、课程设计中的路径和启示［9］。IDEO模型中程序化的流程为数字化实验与课堂教学的有机融合提供了操作性框架，帮助教师合理优化课堂教学中数字化实验的设计。IDEO模型为教师将数字化实验图像和数据转化为课程的载体提供了理论支持，从而使数字化实验数据转化为教学实践的工具而融入课堂。

2 教学内容分析

本文选取《化学反应原理》主题3“水溶液中的离子平衡”的复习课进行数字化实验教学研究。“水溶液中的离子平衡”是溶液中平衡移动原理的延续与拓展，涵盖了电解质相关概念、弱电解质的电离平衡、盐类水解及其应用等，包含溶液中离子浓度大小比较、守恒关系和图像分析等。“水溶液中的离子平衡”需要从微观角度分析物质在水溶液中的存在状态及行为，全面认识电解质溶液的性质与变化，发展学生的微粒观、平衡观和守恒观。通过理论分析与实验探究来发展学生的逻辑思维能力、类比迁移能力、综合分析问题能力，结合宏观现象和实验数据等证据素材，引导学生形成认识水溶液中离子平衡的基本思路。

2.1 构建认知模型，促进核心素养落地

结构化和功能化的知识有可迁移性，更加具有素养价值。“水溶液中的离子平衡”是化学平衡理论在水溶液中的应用，学生在面对实际问题和复杂情境时不能提取相关平衡知识进行分析和判断。通过构建“水溶液中的离子平衡”分析模型（见图1），形成“分析溶液组成→确定溶液中的平衡→判断溶液中微粒”的策略性模式，有助于知识迁移，发展化学思维，帮助学生解决新情境下的陌生问题，促进学科核心素养落地。

2.2 创设真实情境，搭建素养发展平台

课标指出，真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台［10］。水溶液中的离子平衡过于抽象，学生难以从微观层面构建相应的认知模型。数字化实验能将无明显现象的离子反应转为是可视化的实验数据和图像，帮助学生了解和认识水溶液反应的特点，培养学生“证据推理与模型认知”的核心素养。将数据和图像作为真实问题情境来设计学生活动，结合实验数据引导学生形成认识水溶液中离子平衡的分析模型。

本文设计了三个有代表性的数字化实验来展示复杂情况下的水溶液中的离子平衡。

［实验1］盐酸滴定氨水：0.1000mol·L-1HCl溶液滴定20.00mL 0.1000mol·L－1 NH3·H2O溶液，采集溶液pH变化曲线如图2所示。

［实验2］氢氧化钠滴定醋酸：0.1000mol·L－1 NaOH溶液滴定20.00mL 0.1000mol·L－1CH3COOH溶液，采集溶液pH变化曲线如图3所示（装置同图2）。

［实验3］SO2通入氢氧化钠：SO2气流持续通入50．00mL 0.1000mol·L－1NaOH溶液中，采集溶液pH变化曲线如图4所示。

基于实验3实验数据选取缓冲溶液，进行数据拓展与分析（装置见图4）。

三个实验是在强酸滴定强碱的基础上进一步提高难度，选择了强酸滴定弱碱、强碱滴定弱酸中最具有代表性的两个实验以及二元弱酸与强碱反应的实验。利用实验1构建真实问题情境，进行知识梳理，使零散知识结构化，帮助学生构建思维模型。基于实验图像，对溶液中的微粒种类作微观分析。通过实验2的相似变式来诊断学生运用思维模型判断变化体系中溶质种类与平衡种类的能力。结合实验3的相异变式设计拓展应用环节。

3 学情分析

高中学生已经建立了初步的微粒观和平衡观，了解不同电解质溶液中微粒存在的形式，以及在水溶液中存在弱电解质的电离平衡、含有弱离子盐类中存在水解平衡等。但是这种微粒观和平衡观只是对单一溶液的认识，尚未建立复杂情境下分析水溶液中离子平衡的思路，无法正确判断混合溶液中存在的平衡是水解还是电离，还是多平衡共存，无法准确分辨“中和”与“中性”的概念。对判断陌生情境下或较复杂的电解质溶液中粒子浓度关系、分析相关数据对应的意义时感到困难。

学生也形成了一定守恒观，了解水溶液中的微粒存在物料守恒、电荷守恒和质子守恒。但是尚无法正确写出相应的守恒式及无法熟练应用电荷守恒与物料守恒关系解决问题。

学生在必修及选择性必修的学习过程中，曾做过如测定强弱电解质的导电性、测定氢氧化钡与硫酸反应导电性变化以及测定中和反应pH变化等数字化实验，对数字化实验的操作、数据图像的处理等都有所了解。

4 教学目标

（1） 通过归纳分析数字化滴定曲线，构建“分析溶液组成→确定溶液中的平衡→判断溶液中微粒”的“水溶液中的离子平衡”分析模型，能识别溶液体系中的微粒种类、微粒浓度大小，发展学生微粒观。

（2） 通过分析滴定过程溶质和溶液中的离子浓度大小，能应用溶液中的多种平衡来分析问题，诊断并发展学生对两大守恒的理解和应用。

（3） 通过分析及绘制图像，运用数字化实验进行验证，诊断并发展学生对溶液反应过程水溶液中微粒种类和浓度变化的理解。

5 教学流程

利用数字化实验数据能直观展示水溶液中离子的变化，在教学中利用数字化实验数据的分析过程培养学生的核心素养。本文结合IDEO模型设计课前活动和课中四个活动环节，充分利用数字化实验数据及图像来构建“水溶液中的离子平衡”复习课，教学流程如图5所示。

数字化实验教学提供了化学反应原理课程的载体和实践的工具，发展了学生宏观辨识与微观探析、科学态度与社会责任、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识等核心素养，具体分析见表1。

6 教学过程

学生课前完成“水溶液中的离子平衡”微课视频学习和相关练习。

6.1 环节1：发现与解释

学生课堂完成数字化实验：盐酸滴定氨水溶液，观察溶液pH曲线变化趋势（图2）。根据该实验溶液pH变化的理论曲线（图6），构建问题链帮助学生构建“水溶液中的离子平衡”分析模型，具体见表2。

设计意图：分析曲线所代表的溶液酸碱性的走势，让学生感受反应过程中的“变化”。从特殊点A切入图像的分析讨论，依照由易到难、循序渐进的顺序分析变化曲线中的四个重要节点（A、 C、 E、 F四点）与二个重要区间（AE、 EF区间）。

利用数字化实验构建真实问题情境，基于实验图像对溶液中的微粒种类作微观分析。由简到繁铺设台阶，帮助学生实现从对简单溶液中平衡的自主分析，到对复杂溶液中多平衡体系的综合分析的进阶。教师通过问题链的设计，帮助学生理解溶液中粒子浓度的变化，建立复杂水溶液的“水溶液中的离子平衡”分析模型，提升用微粒观的视角认识和解决化学问题的能力。

6.2 环节2：设想与实验

学生通过实验绘制氢氧化钠滴定醋酸溶液的pH变化图（图7），解释氢氧化钠滴定醋酸溶液的pH变化趋势，对假设预测、实验方案、实验结论进行完整论证。

小组实验完成氢氧化钠滴定醋酸溶液的数字化实验，验证绘制图像的正确性，并完成如下练习：根据pH变化曲线对滴加NaOH溶液至10mL时溶液中的离子浓度进行大小排序，并书写相应的电荷守恒与物料守恒的表达式。

设计意图：通过实验2的相似变式设计新的情境，运用“水溶液中的离子平衡”分析模型予以解释，并用已构建的分析模型对NaOH滴定醋酸这一真实问题进行理论分析。通过学生绘制实验2滴定过程中溶液pH变化趋势图，诊断学生运用模型判断变化体系中溶质种类与平衡种类的能力，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养，强化解决问题的基本思路。结合学生绘制的pH变化趋势图和分析过程完成对学生学习效果的评价，最后通过学生实验2进行验证，发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。

6.3 环节3：拓展

在SO2气流持续通入NaOH溶液演示实验的基础上，学生根据采集到的溶液pH的变化曲线（图8），判断滴定过程中发生的化学反应、反应过程中溶质的变化情况、溶液中微粒浓度的变化情况等，完成下列问题（见表3）。

设计意图：结合实验3的相异变式设计拓展环节。本实验安排在两个滴定实验之后，学生对实验图像中的图形信息与数字信息已具有一定的理解能力。学生思维起点已有所提升，能够在提供证据的基础上进行合理推理和认知学习。借助pH传感器，学生观察到图像中的两次滴定突跃，运用分析模型分析两次滴定突跃时溶液的pH大小，梳理溶液中发生的化学反应，判断反应产物。进而通过比较多元弱酸的酸式盐溶液中的电离平衡与水解平衡的程度，形成微粒浓度的正确排序。

6.4 环节4：应用

［资料］缓冲溶液滴定曲线的一般特点：会呈现一个平台阶段，即酸碱度变化很小的区域，在该区域内，缓冲溶液能稳定维持在一个确定的pH。

学生结合pH曲线图选择对应的缓冲溶液，并学习缓冲溶液在生产生活中的应用，如人体血液中的碳酸氢盐缓冲体系、磷酸盐缓冲液等。

设计意图：基于缓冲溶液的pH变化特点，从pH曲线选择特定的缓冲溶液，并学习缓冲溶液在生产生活中的应用，培养学生的“科学态度与社会责任”素养。

7 教学效果及反思

研究以自编高三平衡相关试卷作为前测，从高三年级选择2个班级（共54人）进行教学实践，其中一个班级为实验组，另一班级为对照组，所选班级的学生学习水平、学习状况基本相当。实验结束后，以自编试题为后测，测定学生对教学内容的掌握程度。

分别对对照组和实验组的前测和后测成绩进行t检验。前测t统计量平均值为2.0066，对应概率p=0．6959>0.05，说明在被试样本中，这两个样本在0.05的水平上没有显著性差异，说明对照组和实验组教学前学业成绩上没有显著性差异。后测t统计量平均值为1.6786，对应概率p=0.0312<0.05，说明这两个样本在5%的水平上有显著性差异。实验组在完成基于数字化实验的化学反应原理教学实践后学业成绩上发生了显著性变化。

具体试题分析中，发现完成基于数字化实验的化学反应原理教学实践的学生在图像题上得分率更高。学生通过观察曲线和数据，能更加有效地分析水溶液中的离子平衡，更准确地分析出溶液中占据主导地位的平衡。

为进一步了解学生对数字化教学的感受，笔者又对学生进行了问卷调查［11］。关于“通过数字化实验数据的分析是否更有效地理解水溶液中的离子平衡”满分为5分的数值型问题（下同），平均得分为4.75分，68.3%的学生给了满分，3分及以上比例超过96.7%，说明学生对数字化实验的教学比较认可。“通过绘制滴定曲线相较于问题是否可以提升学习体验感”的问题，平均分为4.25分，学生较一般测试习题，更加喜欢绘图等丰富的形式来增加学习体验感和参与度。但是从问卷中也发现相较于数字化实验，学生更喜欢现象比较明显的化学实验。

数字化实验创设了大量的真实情境，结合缓冲溶液的学习，让学生了解到化学反应原理在日常生产生活中的应用。在教学过程中，学生进行深度体验，更好地从离子平衡的角度认识电解质及其水溶液，提高分析解决实际问题的能力，发展学生的高阶思维。

通过分析数字化实验的数据和图像，帮助学生形成水溶液多平衡体系的分析模型。在师生对话与讨论分析中，教师诊断学生的思维发展程度，突破学生的思维发展障碍并引导学生利用数字化实验数据的内在逻辑构建分析模型。当换成二氧化硫与氢氧化钠反应时，学生能应用“水溶液中的离子平衡”模型来分析实验数据和解决化学问题，说明学生已形成复杂水溶液体系的分析思路，认知结构得到较大发展。

参考文献：

［1］［2］［10］中华人民共和国教育部制定. 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： 2，72.

［3］王祖浩. 以实验创新研究促进学生学科核心素养的发展——《实验化学》教科书内容建构及学科特色探索［J］. 全球教育展望， 2019， （11）： 12～14.

［4］［5］周洪. 高中物理DIS实验与落实物理学科核心素养的融合和冲突［J］. 考试周刊， 2019， （71）： 146～149.

2V3EH4T3IvKEfSKwZq2680F+GgYJnud5K+Sa4eti1hk=

［6］刘作志， 万勇. 国外数字化实验教学研究的回顾与展望——基于VOSviewer可视化分析［J］. 中小学数字化教学， 2022， （6）： 6～8.

［7］Xiantong Y， Mengmeng Z， Xin S， et al. Regional Educational Equity： A Survey On The Ability to Design Scientific Experiments of Sixth-Grade Students ［J］. Journal of Baltic Science Education， 2019， （6）： 12～15.

［8］杨先通， 王强. 基于DIIEE模型培养创造性思维的化学课堂教学设计——以“水的净化”为例［J］. 化学教学， 2021， （7）： 5～7.

［9］胡小勇， 朱龙. 面向创造力培养的设计思维模型与案例［J］. 现代远程教育研究， 2018， （3）： 8～10.

［11］薛耀锋. 上海市中学数字化实验教学现状抽样调查与分析［J］. 中国电化教育， 2013， （1）： 88～93.