基于高中化学核心素养下的数字化实验探究 论文

基于高中化学核心素养下的数字化实验探究摘要：本文归纳总结了近年部分数字化实验的成果，从数字化实验深化学生化学

认知，数字化实验改进部分高中化学传统实验，数字化实验进行化学学科问题的辨析三个方面阐述了如何通过数字化化学实验的探究活动，贯彻落实普通高中化学课程标准要

求。从具体实验数据分析到归纳得出实验结论，实现化学反应过程实证化、动态化、定量化，激发学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，落实高中生化学核心素养

的培养。关键词：数字化实验，化学核心素养，实验探究

引言：教育部印发的《普通高中化学课程标准（2017

年版

2020

年修订）》中指出“开展以化学实验为主的多种研究活动，培养学生的证据意识，能基于分析推理加以

证实或证伪。”本文归纳总结了从新课程以来部分数字化实验的成果，从数字化实验深化学生化学认知，数字化实验改进部分高中化学传统实验，数字化实验进行化学学科问

题的辨析三个方面阐述基于高中化学核心素养下的数字化实验探究。一、利用数字化实验深化学生化学认知

普通高中化学课程标准对学生的化学认识发展提出了一些要求，例如：理解基本的化学概念和原理，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律；获得有关化学实验

的基础知识和基本技能，学习实验研究的方法，能设计并完成一些化学实验；等等。[1]各种传感器更敏感、更广泛、更准确，通过数字化实验强大的感知功能，感知物质的变

化，帮助学生直观的观察物质的变化过程。例如：氧气传感器测量气体中

O

浓度的变化，2pH传感器测量溶液中pH的变化，乙醇传感器测量气体中乙醇蒸汽的变化等等。

案例一：在进行新教材乙醇的大单元教学设计中，验证米酒中是否存在乙醇，刚开始设计了取一定量的米酒滴入

KMnO

溶液，观察

KMnO

溶液褪色。学生提出了米酒是

44一种混合物，里面的成分非常复杂，还有含有氨基酸和其他有机酸，这些也可以使

KMnO溶液褪色。那如何来证明米酒中确实含有乙醇呢？传统的实验已经不能很好解4决，我们经过商议确定利用乙醇易挥发的性质，采用乙醇传感器测定在锥形瓶的气体中

乙醇体积分数的变化。实验药品：米酒。实验仪器：锥形瓶，乙醇传感器，数据采集器，笔记本电脑。

12

图

1

乙醇传感器测定乙醇量的变化装置图图

2

乙醇体积分数变化

学生从乙醇体积分数变化的曲线图中很快可以观察到乙醇含量从0增加到0.46%，从而很快确定出米酒中含有乙醇，从而快速判断出米酒中确实含有乙醇。

二、利用数字化实验改进部分高中化学传统实验数字化实验将传统实验与信息化技术相结合，利用计算机处理数据的高效和快捷

性，将化学变化过程中的各种物理量定量以图像的形式直观呈现出来，解决了传统实验[2]

只能定性不能定量的问题，定量无法体现过程的问题。学生通过对数字图像的分析过程，落实了证据推理和变化观念的化学核心素养，感受到化学实验的魅力，提高了学生

学习化学的兴趣。案例二：在探究乙醇与钠反应断裂的究竟是哪种H的实验中，传统实验采用钠和乙

醇在圆底烧瓶中反应，利用排水法收集产生的

H

，计算钠的物质的量与

H

的物质的量，2222

再利用两者的物质的量之比，从而得出乙醇与钠反应断裂的是乙醇中的哪种H。但是该实验钠和乙醇的用量较大，而且实验的偏差较大，因此我们就采用了压强传感器来对该

实验进行改进。实验药品：2mL乙醇，钠。

实验仪器：两颈烧瓶，移液管，压强传感器，数据采集器，笔记本电脑。图

3

乙醇与钠反应数字化实验装置图

该实验不仅要求金属钠过量，而且金属钠一定要进行处理，将钠处理为钠球，如何处理呢，在装有煤油的试管中放入新切的金属钠，微热将其熔化为光亮的钠球。这样处

理的目的是使钠与乙醇充分反应。图4乙醇与钠反应数字化曲线图

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计算过程：n（乙醇）=

ꢀꢀ/ꢀ

=

(0.7894g/ꢀꢀ×0.2mꢀ)/(46ꢀ/ꢀꢀꢀ)

≈

0.00343mol利用克拉伯龙方程：

pV=

nRT

n(氢气）=pV/RT

=

(8.54ꢀꢀꢀ×0.40ꢀ)/(8.31ꢀ/ꢀꢀꢀ×292ꢀ)

≈

0.00141mol考虑乙醇在反应中的损失，多组实验证明损失率约为17.78%

故：

n（乙醇）/n(氢气）

=

(0.00343ꢀꢀꢀ×82.22%)/0.00141ꢀꢀꢀ

≈

2.00学生从而推理出断链的乙醇羟基中的H。

培养学生的证据意识，能基于证据通过推理从而确认出乙醇的结构。三、利用数字化实验进行化学学科问题的辨析

在高中化学的学习中，有很多抽象、难懂的概念和原理，学生学习时容易产生认知[3]

障碍，很难进行后续的学习。利用数字化实验可以去研究化学学科的问题，对一些传统化学实验不太好说明的化学问题进行辨析，还原化学实验的本来面目，增进学生对化

学现象和现象背后化学原理的理解，得出正确的结论。案例三：“蓝瓶子”中为何会出现颜色的周期性变化呢？传统的实验不太好，我们

研究小组进过文献的研究，采用氧化还原反应传感器对这一现象展开了实验探究。实验药品：50mL0.5mol/L氢氧化钠溶液、50mL0.1mol/L葡萄糖溶液、6滴0.2%亚

甲基蓝溶液；实验仪器：①三颈烧瓶、②采集器、③氧化还原反应传感器、④120度玻璃导管、⑤玩

具打气筒、⑥秒表、⑦铁架台。图

5

氧化还原传感器的蓝瓶子实验探究装置

用玩具打气筒，匀速向溶液中鼓入空气

8次，溶液颜色迅速变蓝。静置一段时间后，溶液缓慢褪色；待溶液退至接近无色时，再匀速向溶液中鼓入空气8次，溶液颜色又迅

42

速变蓝。再静置一段时间后，溶液又缓慢褪色。重复上述实验操作5次。图

6

蓝瓶子实验氧化还原电势变化曲线图

本实验采用生活中常见的玩具打气筒和秒表，通过传统实验和数字化实验相结合，探究得出蓝瓶子实验中溶液颜色改变的过程中氧化还原电位发生了改变；通过鼓入空

气，溶液由无色迅速变为蓝色，而溶液的氧化还原电位从最低点迅速上升，当瓶中溶液蓝色最深，电位达到最高点；停止通入氧气，溶液由蓝色缓慢变为无色，而溶液的氧化

还原电位从最高点缓慢下降，结合亚甲基蓝的性质得出亚甲基蓝不仅是显色剂还是该反[4]

应的催化剂。运用宏观、微观、符号和曲线四重表征，直观生动的为学生呈现出“蓝瓶子”实验中，溶液颜色和氧化还原电势同时发生周期性变化，极大的激发学生学习兴

趣，启发学生思考实验原理，帮助学生构建氧化还原反应的本质，落实了宏观辨识与微观探析，科学探究与创新意识，证据推理与变化观念。

通过数字化化学实验的探究活动，贯彻落实了普通高中化学课程标准要求。从具体实验数据分析到归纳得出实验结论，实现化学反应过程实证化、动态化、定量化，激发

学生学习化学的兴趣，促进学生学习方式的转变，落实高中生化学核心素养的培养。参考文献

[1]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）[M].人民教