基于变化观念与平衡思想核心素养下的数字化实验教学设计

1、    基于变化观念与平衡思想核心素养下的数字化实验教学设计    吕旭东摘要：以数字化实验为手段，温度为变量，在敞开体系与封闭体系中，探究碳酸氢钠溶液ph的变化规律。从“变化观念与平衡思想”的视角，帮助学生深度学习电离、水解等知识，以提升学生化学学科核心素养。关键词：变化观念与平衡思想;数字化实验;碳酸氢钠溶液;实验探究文章编号：1008-0546（2021）02-0089-04 中图分类号：g632.41 文献标识码：bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.022近年来，随着课程改革的力度不断加大和认知水平的逐步提

2、高，学生核心素养的培育成为教育工作者研究的热点。“变化观念与平衡思想”作为化学学科核心素养的五个维度之一，具有典型的学科特征和思维特征，在培育的过程中教师不仅应立足于知识性的教学，更应注重学生在学习过程中的能力培养、观念建构和思维提升。同时要求学生能在微观角度认识物质，动态方式分析变化和理论层面揭示本质，逐步形成化学学科的思想和方法。以培养学生核心素养为本，笔者设计了“探究温度对碳酸氢钠溶液ph的影响”一节数字化实验探究课，参加了2019年11月7日在芜湖举行的安徽省高中化学优质课评选活动，并获一等奖。对课堂中如何培育学生“变化观念与平衡思想”核心素养进行了探索和反思。一、教学内容和学情分析1

3、.教学内容分析人教版选修4化学反应原理第三章介绍了“水溶液中的离子平衡”，其主要内容包括弱电解质的电离平衡、盐类的水解平衡和难溶电解质的溶解平衡。从内容特点来看，该章知识比较抽象、理论性强，难度较大;从功能地位来看，它承接了第二章化学平衡的相关知识，同时又为下一章的电化学学习奠定了基础，更是学生形成微粒观、平衡观和变化观的核心章节。基于此，本课例将利用传统实验和数字实验相结合的手段，重构教学内容，引导学生进行探究式学习，旨在巩固和提升第三章的内容，落实“变化观念与平衡思想”核心素养。2.学情分析学生已经学习了水溶液中的离子平衡相关知识，对电离平衡、水解平衡、溶解平衡的建立和平衡移动有了一定的认

4、识，学生也能熟练地掌握化学平衡常数相关的定量计算，但在处理实际问题时，对微观粒子在水溶液中的变化规律还缺乏较为全面的理解。特别在深度学习水溶液中的离子平衡方面，学生由于缺乏综合分析问题的能力，处理复杂问题时，常常举手无措，不知如何应对。二、教学流程基于以上学情，教师精心设置情境，鼓励学生提出问题，师生共同设计实验方案并开展探究，在活动中形成知识，达成学科核心素养。教学流程如图1所示。三、教学过程分析1.复习旧知，导入新课教师回顾必修一教材中有关碳酸氢钠固体的相关性质，投放到大屏幕（见表1）。学生观看投影，回忆知识设计意图：通过回忆碳酸氢钠固体的性质，创设情境，明确思维方向，为探究碳酸氢钠溶液是

5、否分解做好铺垫。教师设问：碳酸氢钠溶液会分解吗？如果分解，在什么温度下分解呢？2.查阅资料，提出质疑教师查阅资料：碳酸氢钠水溶液呈极弱碱性，在50开始分解放出co2。常温下，nahco3溶液会分解吗？如果分解，有哪些方法可以证明呢？学生小组讨论，设计方案（见表2）。设计意图：激励学生敢于质疑，勇于探索的科学态度。引导学生从基于物质特性的角度设计实验方案，培养证据意识和宏观辨识的能力。3.设计实验，合作探究探究1：常温下，饱和nahco3溶液是否分解学生根据表2设计的方案，组装实验装置，分组同时进行实验。实驗一气球套在盛有饱和nahco3溶液的锥形瓶口，用磁力搅拌器不断搅拌，如图2所示。实验二用

6、二氧化碳传感器测封闭体系中饱和nahco3溶液上方co2的含量，如图3所示。实验三常温下，利用ph传感器测敞开体系饱和nahc03溶液的ph变化，如图4所示。学生各组汇报实验现象。实验一：短时间无明显现象，一段时间后气球鼓胀，如图2;实验二：co2的含量不断增大，一段时间后保持不变，如图5;实验三：溶液的ph不断增大，如图6。实验收获：常温下，饱和nahco3溶液就可以发生分解，打破了部分老师和学生原有的认知一nahco3溶液不易分解。设计意图：学生自主实验探究，激发了学习化学的兴趣，在实践的过程中获取了最直接的经验，学会合作、交流和表达。传统实验和数字化实验同时进行，充分体现了数字化实验在探

7、究微观变化方面的优势。探究2：常温下，封闭体系中饱和nahco3溶液的ph变化教师设问：常温下，在封闭体系中饱和nahco3溶液的ph将如何变化？学生根据探究1中的图5和图6实验曲线进行预测。实验四常温下，用磁力加热搅拌器不断搅拌饱和nahco3溶液，利用传感器测封闭体系中溶液的ph变化，实验曲线如图7所示。实验结果：常温下，敞开体系中饱和nahco3溶液的ph不断缓慢增大;封闭体系中溶液ph先增大，一段时间后保持不变。学生主动提出问题：溶液ph的变化是否和液面上方co2的含量存在关系呢？实验五常温下，用磁力加热搅拌器对盛有饱和nahco3溶液的三口烧瓶进行搅拌，同时用传感器测封闭条件下溶面上

8、方co2的含量和溶液ph的变化，如图8所示。实验收获：nahco3溶液分解为可逆反应，随着液面上方co2含量的增大，会抑制nahco3溶液的分解。建议碳酸氢钠溶液最好密封保存。设计意图：本环节从学生现有的认知水平出发，精心设置问题，并鼓励学生自己提出问题，由浅入深，层层递进。学生先预测实验现象，再进行实验探究，最后通过对比数字化实验曲线，得出实验结论，提升了实验求证，推理论证的能力。探究3：升温下，敞开体系饱和nahco3溶液的ph变化情况教师以上研究了常温下饱和nahco3溶液的ph变化情况，如果升温，溶液ph将如何变化呢？学生各小组讨论后猜想：溶液ph增大，或减小，或不变。实验六用磁力加热

9、搅拌器加热并搅拌烧杯中的饱和nahco3溶液，同时利用传感器测溶液的温度和ph的变化，实验结果如图9所示。注：受ph传感器适用条件的限制，温度升高到约80开始降温。学生分析图9得出ph变化特点：升温过程中，溶液的ph先基本不变（略有降低），后增大明显;降温过程中，ph仍缓慢增大。师生把曲线分成a、b、c三段进行分析（见表3）。分析原因：a段温度升高，nahco3溶液分解导致溶液碱性增强，即c（oh-）增大，但同时溶剂水的电离程度也增大，kw增大，由于两者增大的幅度相近，故ph基本不变.b段因为在该温度范围内，nahco3溶液分解产生的co2迅速逸出，加速了分解反应的平衡正向移动;c段在降温的过

10、程中，nahco3溶液持续的分解，所以ph仍缓慢增大。实验收获：升温过程中，体系中不仅仅是hco3-简单的发生电离和水解变化，同时溶剂水以及液相和气相之间都出现了平衡的移动，溶液ph的变化是综合作用的结果。设计意图：分析加热饱和碳酸氢钠溶液ph的变化情况，增强了学生归纳整理数据的能力，有助于提升学生思维的有序性、系统性。由于体系中存在多种平衡相互影响，增加了问题的复杂性，学生需要从微观粒子的相互作用视角分析物质的电离、水解和分解，从而增强了变化的观念。4.微观分析，深度思考教师反应产生的h+和反应产生的oh-相结合生成水，从而进一步促进了hco3-的电离和水解。因此，反应实质上是hco3-的电

11、离和水解共同作用的结果。反应的平衡常数远大于hco3-的电离和水解常数，当外界条件（如压强、温度）发生变化时，用反应解释溶液ph的变化更令人信服。设计意图：要求学生写出体系中存在的平衡反应式，以符号和数据进行表征，由定性到定量，提升了学生分析问题，解决问题的能力，实现了高阶思维的发展。四、课后反思1.在探究碳酸氫钠溶液ph的变化时，采用了数字化实验。与传统实验相比，数字化实验呈现出来的实时的、动态的、可视化的曲线充分激发了学生实验探究的兴趣和学习的热情，课堂上，教师只是引导者和组织者，让学生真正成为了探究活动中的践行者和体验者。另外，数字化实验由于操作简便、快速，并可精确测查数据和处理数据，所以提高了实验探究的效率，保证了课堂内容的完整性及实验数据的可靠性。2017年版课程标准提出了“注重发挥现代信息技术的作用，积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合”。随着课程改革的不断深入，数字化实验在中学化学日常教学中将会有更广泛的应用。2.本节课的教学以碳酸氢钠溶液为载体，以实验探究为手段，深度学习水溶液中的离子平衡，以提升学生“变化观念与平衡思想”核心素养（具体见图10）。在整个教学过程中，融合了符号表征、曲线表征和数据表征等多重表征，引导学生由宏观到微观、由定性到定量、由变化到平衡的认