基于數字化實(shí)驗創(chuàng )設的研究性學(xué)習實(shí)踐

胡艷麗

摘要：數字化實(shí)驗利用傳感器和計算機，將實(shí)驗數據通過(guò)圖表和圖像進(jìn)行展示增加實(shí)驗結果的可視性。利用數字化實(shí)驗研究鎂與稀鹽酸反應過(guò)程，可直觀(guān)反映溫度、濃度等因素在不同階段對化學(xué)反應速率的影響。通過(guò)讓學(xué)生提出問(wèn)題、動(dòng)手操作、發(fā)現問(wèn)題、改進(jìn)創(chuàng )新這一系列研究性學(xué)習過(guò)程，真正落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養。

關(guān)鍵詞：數字化實(shí)驗；
可視性；
研究性學(xué)習；
核心素養

文章編號：1008-0546（2023）09-0094-04

中圖分類(lèi)號：G632.41

文獻標識碼：B

doi：
10.3969/j.issn.1008-0546.2023.09.019

數字化實(shí)驗是一種新興的信息技術(shù)，也是一種現代化的教學(xué)實(shí)驗手段，具有直觀(guān)、綜合、實(shí)時(shí)、準確、便攜、定量的特點(diǎn)，將對化學(xué)教育產(chǎn)生非常大的幫助和影響。[1]新課標（2017版）中首次提出了要重視化學(xué)教材的信息化發(fā)展，提倡在教學(xué)中培養學(xué)生運用化學(xué)軟件處理信息的能力。[2]要充分體現數字化實(shí)驗的教育功能，教師需要將其“融”人到具體的學(xué)科知識教學(xué)中，重視學(xué)生的主體地位，重視學(xué)科課程的重要地位，尋找充分發(fā)揮數字化實(shí)驗教學(xué)功能的途徑和策略。數字化實(shí)驗是傳統實(shí)驗的補充與完善，是優(yōu)化化學(xué)教學(xué)的需要。[3]

數字化實(shí)驗改變了學(xué)生對傳統實(shí)驗的認知，信息技術(shù)與實(shí)驗相互融合，加強了學(xué)生的思維鍛煉，提高了學(xué)生的實(shí)驗水平。[4]將傳統實(shí)驗用數字化實(shí)驗的方式向學(xué)生展示，結果會(huì )更直觀(guān)，更能反映問(wèn)題的本質(zhì)，學(xué)生也更容易接受。數字化實(shí)驗在一定程度上改變了學(xué)生的學(xué)習方式，變被動(dòng)為主動(dòng)，從而提高了學(xué)生的實(shí)驗操作能力和學(xué)科思維能力。[5]

一、問(wèn)題提出

在人教版化學(xué)必修第二冊第六章第一節實(shí)驗6—1中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗知道鎂與稀鹽酸反應是放熱反應；
在該章第二節學(xué)生學(xué)習了化學(xué)反應速率之后，知道化學(xué)反應速率不僅可以用快慢定性描述，還可以通過(guò)單位時(shí)間內反應物濃度的減少或者是生成物濃度的增加來(lái)定量描述；
在該節教材的練習與應用中，更是通過(guò)數字化實(shí)驗對鎂與稀鹽酸反應進(jìn)行更深入的定量分析。人教版化學(xué)必修第二冊第50頁(yè)第9題：

某課外實(shí)驗小組利用壓強傳感器、數據采集器和計算機等數字化實(shí)驗設備，探究鎂與不同濃度鹽酸的反應速率，兩組實(shí)驗所用藥品如表1所示。

實(shí)驗的結果如圖1所示。學(xué)生需回答以下兩個(gè)問(wèn)題：（1）試說(shuō)明該圖中曲線(xiàn)的含義。（2）結合實(shí)驗條件，分析兩條曲線(xiàn)的區別。

在以往很多題目中我們接觸過(guò)很多速率時(shí)間圖，學(xué)生知道可以從pH、溫度、濃度等角度來(lái)分析曲線(xiàn)變化的原因，但是學(xué)生沒(méi)有嘗試過(guò)利用數字化實(shí)驗自己親手將這些曲線(xiàn)繪制出來(lái)。數字化實(shí)驗與傳統實(shí)驗相比更直觀(guān)，更準確地描述了在不同階段化學(xué)反應速率的影響因素，在本節引入數字化實(shí)驗，不光讓學(xué)生體會(huì )到化學(xué)研究從定性分析到定量分析的深入，更能熟悉采用只改變某一個(gè)因素，控制其他因素不變的變量控制研究方法，熟練進(jìn)行“數形轉換”。

因此，我們以此題為契機，在實(shí)驗室利用壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器完成對應實(shí)驗，繪制壓強與時(shí)間、溫度與時(shí)間、pH與時(shí)間的曲線(xiàn)。通過(guò)比較單位時(shí)間內壓強的變化來(lái)比較反應速率，同時(shí)通過(guò)溫度與時(shí)間、pH與時(shí)間的變化曲線(xiàn)，讓學(xué)生分析影響化學(xué)反應的因素以及不同階段的主導因素，變學(xué)生的被動(dòng)吸收為主動(dòng)探索。學(xué)生在探究中除了完成該題中的操作，還將實(shí)驗內容進(jìn)一步深化與改進(jìn)，完成了一系列探究，最終得出結論。這種安排拓展了實(shí)驗的深度，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力，又通過(guò)定量化數據圖像分析，對學(xué)生進(jìn)行思維訓練，實(shí)現深度學(xué)習。

二、實(shí)驗原理

鎂與稀鹽酸反應的化學(xué)方程式為：Mg+2HCl=MgC12+H2↑。之所以選擇這個(gè)反應體系，一是因為它們反應時(shí)有明顯的實(shí)驗現象，產(chǎn)生氣泡，反應放熱，溫度變化明顯；
二是反應快慢適中，便于觀(guān)察和記錄；
三是因為該實(shí)驗藥品是實(shí)驗室常用藥品，容易獲得，為學(xué)生接觸數字化實(shí)驗提供了可行性。

三、實(shí)驗用品

藥品：鎂條、鹽酸（ 1.0 moI.L-1， 0.5 moI.L-1）、蒸餾水。

儀器：量筒、膠頭滴管、試管、燒杯、壓強傳感器、溫度傳感器、pH傳感器、數據采集器、電腦。

四、實(shí)驗過(guò)程

該數字化實(shí)驗過(guò)程主要分為4步：

1．將壓強傳感器前端測量管在橡皮塞的圓孔中插緊并檢查裝置氣密性，將數據采集器與傳感器連接，并與電腦相連，如圖2所示。

2．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開(kāi)電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好壓強傳感器，塞緊橡膠塞，采集數據。待數據穩定后，停止采集。

3．用量筒量取2 mL l.0 moI.L-1的稀鹽酸，倒人試管固定好裝置，打開(kāi)電腦軟件，取0.01 g 條置于試管中，并連接好溫度傳感器，采集數據。待數據穩定后，停止采集。

4．用量筒量取2 mL 1.0 moI.L-I的稀鹽酸，倒人試管后固定好裝置，打開(kāi)電腦軟件，取0.01 g鎂條置于試管中，并連接好pH傳感器，采集數據。待數據穩定后，停止采集。

五、數據分析及結論

1．壓強與時(shí)間曲線(xiàn)

學(xué)生共分成六組完成實(shí)驗，壓強與時(shí)間圖像繪制出來(lái)以后，讓各組學(xué)生交流自己圖像。其中有三組與圖1基本相似，例如：從圖3（a）可以看出0-100 s內斜率比較大，100 s后壓強變化不大。有三組圖像曲線(xiàn)明顯不同，學(xué)生通過(guò)分析討論后找出各組實(shí)驗過(guò)程中可能出現的問(wèn)題：圖3（b）沒(méi)有按照實(shí)驗所需的藥品用量來(lái)進(jìn)行，圖3（c）可能是實(shí)驗過(guò)程中橡皮塞沒(méi)有塞緊，壓強增大后沖出導致氣密性不好，圖3（d）用了氫氣傳感器，并且實(shí)驗中塞塞子的速度太慢了。

學(xué)生通過(guò)這組實(shí)驗分析馬上意識到數字化實(shí)驗的嚴謹性，普通實(shí)驗室中簡(jiǎn)單實(shí)驗在這里必需要操作規范，否則不能得出正確的圖像結果，任何一個(gè)操作細節都可以從圖像上反映出來(lái)，實(shí)驗時(shí)必須全身心投入，實(shí)事求是地做實(shí)驗。后面幾組實(shí)驗中學(xué)生不敢怠慢，準確率有了顯著(zhù)提高。

2．溫度與時(shí)間曲線(xiàn)

溫度時(shí)間圖基本都能做出來(lái)，通過(guò)圖4可以看出溫度在0-80 s升高得最快，整體趨勢表現為先升高后降低，這是由于該反應是放熱反應，隨著(zhù)反應的發(fā)生溫度明顯升高，升高的溫度對反應速率也產(chǎn)生了影響，使反應速率在升溫階段快速提高。

3．pH與時(shí)間曲線(xiàn)

從圖5可以看出0-10 s氫離子濃度大對應pH小，隨著(zhù)反應的發(fā)生溶液中氫離子濃度不斷減少，對應圖像的pH不斷增大，其中10- 70 s內pH變化幅度最大。整體來(lái)看曲線(xiàn)變化幅度較小，pH變化不是太明顯。學(xué)生通過(guò)計算發(fā)現本次實(shí)驗消耗鹽酸約為0.00083 mol，鹽酸過(guò)量較多，可以調整鹽酸的濃度。例如：選擇2 mL 0.5 mol．L-1鹽酸進(jìn)行實(shí)驗不但圖像效果更好，也節約了藥品。

4．結論

通過(guò)上述三組實(shí)驗分析，反應開(kāi)始時(shí)氫離子濃度最大，但速率不是最快，主要是這時(shí)的溫度較低。在10- 70 s這個(gè)時(shí)間段壓強／時(shí)間曲線(xiàn)的斜率最大，反應速率最快，這時(shí)溫度較高，氫離子濃度較大。

通過(guò)以上實(shí)驗可以得出以下結論：對于同一個(gè)化學(xué)反應，在其他條件不變的情況下，反應物濃度越大反應速率越快；
溫度越高，化學(xué)反應速率越快。同一化學(xué)反應過(guò)程中化學(xué)反應速率會(huì )受到多種因素影響，在不同時(shí)段占主導的因素不同，對化學(xué)反應速率的影響程度也不同。

六、實(shí)驗反思與收獲

1．課本內容驅動(dòng)，激發(fā)學(xué)生探究熱情

筆者基于較活潑金屬與酸反應的特點(diǎn)及影響化學(xué)反應的因素這些學(xué)生已基本了解的化學(xué)知識設計數字化實(shí)驗，及時(shí)將書(shū)本知識利用各類(lèi)傳感器和電腦實(shí)現轉換，以數字和圖表的形式直觀(guān)地呈現出來(lái)，立刻獲得了學(xué)生認可，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情。學(xué)生通過(guò)數字化實(shí)驗進(jìn)行定量分析，有效地促進(jìn)了證據推理與模型認知這一化學(xué)核心素養的形成。

2．利用反常圖像，培養學(xué)生科學(xué)態(tài)度

研究性學(xué)習要求學(xué)生提前了解實(shí)驗內容，預測實(shí)驗現象，設計實(shí)驗步驟，明確操作意圖，控制相關(guān)變量。學(xué)生實(shí)驗中要頭腦清醒，規范操作，客觀(guān)記錄實(shí)驗現象，檢驗自己的預測是否合理，對于沒(méi)有達到預測效果的實(shí)驗要分析原因，并找出改進(jìn)方法。

在本次實(shí)驗過(guò)程中有學(xué)生得不到正確的圖像，正是這些反常的數據和圖像讓一些不規范的操作、不嚴謹的態(tài)度立刻暴露出來(lái)，讓學(xué)生深切體會(huì )到科學(xué)態(tài)度是實(shí)驗成功的前提。研究性學(xué)習過(guò)程不僅強化了發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的科學(xué)探究方法，更培養了學(xué)生尊重事實(shí)、嚴謹求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。

3．優(yōu)化實(shí)驗裝置，增強學(xué)生創(chuàng )新意識

在探究過(guò)程中有學(xué)生發(fā)現裝置可進(jìn)一步優(yōu)化，對于學(xué)生敢于質(zhì)疑、勇于創(chuàng )新的精神，教師立即鼓勵學(xué)生設計一些優(yōu)化后的裝置，并讓他們進(jìn)行展示。例如：本次實(shí)驗中一次只用一個(gè)傳感器測一個(gè)量，不同實(shí)驗中誤差較大，有學(xué)生指出在同一組實(shí)驗中同時(shí)用三個(gè)傳感器測量更準確，數據分析更有說(shuō)服力。教師及時(shí)肯定學(xué)生的建議并提醒要考慮壓強問(wèn)題。學(xué)生討論后想到了用三頸燒瓶組裝實(shí)驗裝置，如圖6（a）是大多數同學(xué)的設計圖，圖6（b）是某同學(xué)的設計圖，該裝置使用了恒壓滴液漏斗，減小了實(shí)驗誤差，讓結果更準確。在展示交流的過(guò)程中甚至有同學(xué)提到，如果使用這些裝置，藥品的用量也要進(jìn)行調整，學(xué)生不僅有了創(chuàng )新意識同時(shí)也具備了科學(xué)探究的基本素養。

在上述活動(dòng)中，讓學(xué)生能發(fā)現和提出有探究?jì)r(jià)值的問(wèn)題；
能從問(wèn)題和假設出發(fā)，依據探究目的，設計出探究方案；
能運用化學(xué)實(shí)驗、調查等方法進(jìn)行實(shí)驗探究；
勤于實(shí)踐、善于合作、敢于質(zhì)疑勇于創(chuàng )新，[6]讓科學(xué)探究與創(chuàng )新意識的學(xué)科核心素養真正落到實(shí)處。

4．鼓勵?lèi)?ài)護器材，培養學(xué)生社會(huì )責任。

本次實(shí)驗過(guò)程中使用了多個(gè)傳感器，為保證學(xué)生能進(jìn)行規范操作，實(shí)驗前教師演示了相關(guān)傳感器的用法并強調了使用注意事項。實(shí)驗中有學(xué)生拿出廢尺子和膠帶做成的傳感器支架，簡(jiǎn)化了實(shí)驗裝置，安全實(shí)用。由于藥品用量少，試管不容易固定，有學(xué)生用5 mL滴眼液小藥瓶替代試管。實(shí)驗后六組傳感器和數據采集器都放回了原處，pH傳感器也及時(shí)清洗并把電極放回了保存瓶里。這些細節過(guò)程既保護了器材，又幫助學(xué)生形成了正確的價(jià)值觀(guān)，培養了學(xué)生綠色化學(xué)理念與社會(huì )責任。

參考文獻

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