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基于高中化學(xué)核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實驗探究摘要:本文歸納總結(jié)了近年部分?jǐn)?shù)字化實驗的成果,從數(shù)字化實驗深化學(xué)生化學(xué)
認(rèn)知,數(shù)字化實驗改進(jìn)部分高中化學(xué)傳統(tǒng)實驗,數(shù)字化實驗進(jìn)行化學(xué)學(xué)科問題的辨析三個方面闡述了如何通過數(shù)字化化學(xué)實驗的探究活動,貫徹落實普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要
求。從具體實驗數(shù)據(jù)分析到歸納得出實驗結(jié)論,實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過程實證化、動態(tài)化、定量化,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,落實高中生化學(xué)核心素養(yǎng)
的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞:數(shù)字化實驗,化學(xué)核心素養(yǎng),實驗探究
引言:教育部印發(fā)的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017
年版
2020
年修訂)》中指出“開展以化學(xué)實驗為主的多種研究活動,培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識,能基于分析推理加以
證實或證偽。”本文歸納總結(jié)了從新課程以來部分?jǐn)?shù)字化實驗的成果,從數(shù)字化實驗深化學(xué)生化學(xué)認(rèn)知,數(shù)字化實驗改進(jìn)部分高中化學(xué)傳統(tǒng)實驗,數(shù)字化實驗進(jìn)行化學(xué)學(xué)科問
題的辨析三個方面闡述基于高中化學(xué)核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實驗探究。一、利用數(shù)字化實驗深化學(xué)生化學(xué)認(rèn)知
普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生的化學(xué)認(rèn)識發(fā)展提出了一些要求,例如:理解基本的化學(xué)概念和原理,認(rèn)識化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì),理解化學(xué)變化的基本規(guī)律;獲得有關(guān)化學(xué)實驗
的基礎(chǔ)知識和基本技能,學(xué)習(xí)實驗研究的方法,能設(shè)計并完成一些化學(xué)實驗;等等。[1]各種傳感器更敏感、更廣泛、更準(zhǔn)確,通過數(shù)字化實驗強大的感知功能,感知物質(zhì)的變
化,幫助學(xué)生直觀的觀察物質(zhì)的變化過程。例如:氧氣傳感器測量氣體中
O
濃度的變化,2pH傳感器測量溶液中pH的變化,乙醇傳感器測量氣體中乙醇蒸汽的變化等等。
案例一:在進(jìn)行新教材乙醇的大單元教學(xué)設(shè)計中,驗證米酒中是否存在乙醇,剛開始設(shè)計了取一定量的米酒滴入
KMnO
溶液,觀察
KMnO
溶液褪色。學(xué)生提出了米酒是
44一種混合物,里面的成分非常復(fù)雜,還有含有氨基酸和其他有機酸,這些也可以使
KMnO溶液褪色。那如何來證明米酒中確實含有乙醇呢?傳統(tǒng)的實驗已經(jīng)不能很好解4決,我們經(jīng)過商議確定利用乙醇易揮發(fā)的性質(zhì),采用乙醇傳感器測定在錐形瓶的氣體中
乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化。實驗藥品:米酒。實驗儀器:錐形瓶,乙醇傳感器,數(shù)據(jù)采集器,筆記本電腦。
12
圖
1
乙醇傳感器測定乙醇量的變化裝置圖圖
2
乙醇體積分?jǐn)?shù)變化
學(xué)生從乙醇體積分?jǐn)?shù)變化的曲線圖中很快可以觀察到乙醇含量從0增加到0.46%,從而很快確定出米酒中含有乙醇,從而快速判斷出米酒中確實含有乙醇。
二、利用數(shù)字化實驗改進(jìn)部分高中化學(xué)傳統(tǒng)實驗數(shù)字化實驗將傳統(tǒng)實驗與信息化技術(shù)相結(jié)合,利用計算機處理數(shù)據(jù)的高效和快捷
性,將化學(xué)變化過程中的各種物理量定量以圖像的形式直觀呈現(xiàn)出來,解決了傳統(tǒng)實驗[2]
只能定性不能定量的問題,定量無法體現(xiàn)過程的問題。學(xué)生通過對數(shù)字圖像的分析過程,落實了證據(jù)推理和變化觀念的化學(xué)核心素養(yǎng),感受到化學(xué)實驗的魅力,提高了學(xué)生
學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。案例二:在探究乙醇與鈉反應(yīng)斷裂的究竟是哪種H的實驗中,傳統(tǒng)實驗采用鈉和乙
醇在圓底燒瓶中反應(yīng),利用排水法收集產(chǎn)生的
H
,計算鈉的物質(zhì)的量與
H
的物質(zhì)的量,2222
再利用兩者的物質(zhì)的量之比,從而得出乙醇與鈉反應(yīng)斷裂的是乙醇中的哪種H。但是該實驗鈉和乙醇的用量較大,而且實驗的偏差較大,因此我們就采用了壓強傳感器來對該
實驗進(jìn)行改進(jìn)。實驗藥品:2mL乙醇,鈉。
實驗儀器:兩頸燒瓶,移液管,壓強傳感器,數(shù)據(jù)采集器,筆記本電腦。圖
3
乙醇與鈉反應(yīng)數(shù)字化實驗裝置圖
該實驗不僅要求金屬鈉過量,而且金屬鈉一定要進(jìn)行處理,將鈉處理為鈉球,如何處理呢,在裝有煤油的試管中放入新切的金屬鈉,微熱將其熔化為光亮的鈉球。這樣處
理的目的是使鈉與乙醇充分反應(yīng)。圖4乙醇與鈉反應(yīng)數(shù)字化曲線圖
32
計算過程:n(乙醇)=
??/?
=
(0.7894g/??×0.2m?)/(46?/???)
≈
0.00343mol利用克拉伯龍方程:
pV=
nRT
n(氫氣)=pV/RT
=
(8.54???×0.40?)/(8.31?/???×292?)
≈
0.00141mol考慮乙醇在反應(yīng)中的損失,多組實驗證明損失率約為17.78%
故:
n(乙醇)/n(氫氣)
=
(0.00343???×82.22%)/0.00141???
≈
2.00學(xué)生從而推理出斷鏈的乙醇羥基中的H。
培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識,能基于證據(jù)通過推理從而確認(rèn)出乙醇的結(jié)構(gòu)。三、利用數(shù)字化實驗進(jìn)行化學(xué)學(xué)科問題的辨析
在高中化學(xué)的學(xué)習(xí)中,有很多抽象、難懂的概念和原理,學(xué)生學(xué)習(xí)時容易產(chǎn)生認(rèn)知[3]
障礙,很難進(jìn)行后續(xù)的學(xué)習(xí)。利用數(shù)字化實驗可以去研究化學(xué)學(xué)科的問題,對一些傳統(tǒng)化學(xué)實驗不太好說明的化學(xué)問題進(jìn)行辨析,還原化學(xué)實驗的本來面目,增進(jìn)學(xué)生對化
學(xué)現(xiàn)象和現(xiàn)象背后化學(xué)原理的理解,得出正確的結(jié)論。案例三:“藍(lán)瓶子”中為何會出現(xiàn)顏色的周期性變化呢?傳統(tǒng)的實驗不太好,我們
研究小組進(jìn)過文獻(xiàn)的研究,采用氧化還原反應(yīng)傳感器對這一現(xiàn)象展開了實驗探究。實驗藥品:50mL0.5mol/L氫氧化鈉溶液、50mL0.1mol/L葡萄糖溶液、6滴0.2%亞
甲基藍(lán)溶液;實驗儀器:①三頸燒瓶、②采集器、③氧化還原反應(yīng)傳感器、④120度玻璃導(dǎo)管、⑤玩
具打氣筒、⑥秒表、⑦鐵架臺。圖
5
氧化還原傳感器的藍(lán)瓶子實驗探究裝置
用玩具打氣筒,勻速向溶液中鼓入空氣
8次,溶液顏色迅速變藍(lán)。靜置一段時間后,溶液緩慢褪色;待溶液退至接近無色時,再勻速向溶液中鼓入空氣8次,溶液顏色又迅
42
速變藍(lán)。再靜置一段時間后,溶液又緩慢褪色。重復(fù)上述實驗操作5次。圖
6
藍(lán)瓶子實驗氧化還原電勢變化曲線圖
本實驗采用生活中常見的玩具打氣筒和秒表,通過傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗相結(jié)合,探究得出藍(lán)瓶子實驗中溶液顏色改變的過程中氧化還原電位發(fā)生了改變;通過鼓入空
氣,溶液由無色迅速變?yōu)樗{(lán)色,而溶液的氧化還原電位從最低點迅速上升,當(dāng)瓶中溶液藍(lán)色最深,電位達(dá)到最高點;停止通入氧氣,溶液由藍(lán)色緩慢變?yōu)闊o色,而溶液的氧化
還原電位從最高點緩慢下降,結(jié)合亞甲基藍(lán)的性質(zhì)得出亞甲基藍(lán)不僅是顯色劑還是該反[4]
應(yīng)的催化劑。運用宏觀、微觀、符號和曲線四重表征,直觀生動的為學(xué)生呈現(xiàn)出“藍(lán)瓶子”實驗中,溶液顏色和氧化還原電勢同時發(fā)生周期性變化,極大的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興
趣,啟發(fā)學(xué)生思考實驗原理,幫助學(xué)生構(gòu)建氧化還原反應(yīng)的本質(zhì),落實了宏觀辨識與微觀探析,科學(xué)探究與創(chuàng)新意識,證據(jù)推理與變化觀念。
通過數(shù)字化化學(xué)實驗的探究活動,貫徹落實了普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求。從具體實驗數(shù)據(jù)分析到歸納得出實驗結(jié)論,實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過程實證化、動態(tài)化、定量化,激發(fā)
學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,落實高中生化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。參考文獻(xiàn)
[1]中華人民共和國教育部制定:普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)[M].人民教
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