基于高中化學(xué)核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究 論文

基于高中化學(xué)核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究摘要：本文歸納總結(jié)了近年部分?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)的成果，從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)深化學(xué)生化學(xué)

認(rèn)知，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)部分高中化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)學(xué)科問(wèn)題的辨析三個(gè)方面闡述了如何通過(guò)數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)，貫徹落實(shí)普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要

求。從具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析到歸納得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程實(shí)證化、動(dòng)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(shí)高中生化學(xué)核心素養(yǎng)

的培養(yǎng)。關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，化學(xué)核心素養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)為主的多種研究活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，能基于分析推理加以

證實(shí)或證偽?！北疚臍w納總結(jié)了從新課程以來(lái)部分?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)的成果，從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)深化學(xué)生化學(xué)認(rèn)知，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)部分高中化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)學(xué)科問(wèn)

題的辨析三個(gè)方面闡述基于高中化學(xué)核心素養(yǎng)下的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究。一、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(duì)學(xué)生的化學(xué)認(rèn)識(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)

的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)研究的方法，能設(shè)計(jì)并完成一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)；等等。[1]各種傳感器更敏感、更廣泛、更準(zhǔn)確，通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)強(qiáng)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(guò)程。例如：氧氣傳感器測(cè)量氣體中

O

濃度的變化，2pH傳感器測(cè)量溶液中pH的變化，乙醇傳感器測(cè)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(jì)中，驗(yàn)證米酒中是否存在乙醇，剛開始設(shè)計(jì)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(jī)酸，這些也可以使

KMnO溶液褪色。那如何來(lái)證明米酒中確實(shí)含有乙醇呢？傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能很好解4決，我們經(jīng)過(guò)商議確定利用乙醇易揮發(fā)的性質(zhì)，采用乙醇傳感器測(cè)定在錐形瓶的氣體中

乙醇體積分?jǐn)?shù)的變化。實(shí)驗(yàn)藥品：米酒。實(shí)驗(yàn)儀器：錐形瓶，乙醇傳感器，數(shù)據(jù)采集器，筆記本電腦。

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圖

1

乙醇傳感器測(cè)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(shí)含有乙醇。

二、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)部分高中化學(xué)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與信息化技術(shù)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的高效和快捷

性，將化學(xué)變化過(guò)程中的各種物理量定量以圖像的形式直觀呈現(xiàn)出來(lái)，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[2]

只能定性不能定量的問(wèn)題，定量無(wú)法體現(xiàn)過(guò)程的問(wèn)題。學(xué)生通過(guò)對(duì)數(shù)字圖像的分析過(guò)程，落實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)鈉和乙醇的用量較大，而且實(shí)驗(yàn)的偏差較大，因此我們就采用了壓強(qiáng)傳感器來(lái)對(duì)該

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)藥品：2mL乙醇，鈉。

實(shí)驗(yàn)儀器：兩頸燒瓶，移液管，壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)裝置圖

該實(shí)驗(yàn)不僅要求金屬鈉過(guò)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(jì)算過(guò)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(shí)驗(yàn)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(shí)，能基于證據(jù)通過(guò)推理從而確認(rèn)出乙醇的結(jié)構(gòu)。三、利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行化學(xué)學(xué)科問(wèn)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(shí)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(shí)驗(yàn)可以去研究化學(xué)學(xué)科的問(wèn)題，對(duì)一些傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)不太好說(shuō)明的化學(xué)問(wèn)題進(jìn)行辨析，還原化學(xué)實(shí)驗(yàn)的本來(lái)面目，增進(jìn)學(xué)生對(duì)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(huì)出現(xiàn)顏色的周期性變化呢？傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)不太好，我們

研究小組進(jìn)過(guò)文獻(xiàn)的研究，采用氧化還原反應(yīng)傳感器對(duì)這一現(xiàn)象展開了實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(tái)。圖

5

氧化還原傳感器的藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)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(shí)間后，溶液緩慢褪色；待溶液退至接近無(wú)色時(shí)，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(shí)間后，溶液又緩慢褪色。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)操作5次。圖

6

藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)氧化還原電勢(shì)變化曲線圖

本實(shí)驗(yàn)采用生活中常見的玩具打氣筒和秒表，通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，探究得出藍(lán)瓶子實(shí)驗(yàn)中溶液顏色改變的過(guò)程中氧化還原電位發(fā)生了改變；通過(guò)鼓入空

氣，溶液由無(wú)色迅速變?yōu)樗{(lán)色，而溶液的氧化還原電位從最低點(diǎn)迅速上升，當(dāng)瓶中溶液藍(lán)色最深，電位達(dá)到最高點(diǎn)；停止通入氧氣，溶液由藍(lán)色緩慢變?yōu)闊o(wú)色，而溶液的氧化

還原電位從最高點(diǎn)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(yùn)用宏觀、微觀、符號(hào)和曲線四重表征，直觀生動(dòng)的為學(xué)生呈現(xiàn)出“藍(lán)瓶子”實(shí)驗(yàn)中，溶液顏色和氧化還原電勢(shì)同時(shí)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(shí)驗(yàn)原理，幫助學(xué)生構(gòu)建氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，落實(shí)了宏觀辨識(shí)與微觀探析，科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)，證據(jù)推理與變化觀念。

通過(guò)數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究活動(dòng)，貫徹落實(shí)了普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求。從具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析到歸納得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程實(shí)證化、動(dòng)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(shí)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(guó)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