数字化实验在元素化合物教学中的应用-以“过氧化钠与水反应”为例 论文

数字化实验在元素化合物教学中的应用——以“过氧化钠与水反应摘要：基于化学教学的核心素养，结合数字化实验技术进行“探究过氧化钠与水反应”的教学设计。教学实践中，设计可视化实验将实验过程量化分析，提高学习的趣味性，激发学生的学习热情和创新意识。开放式情景下的对过氧化钠与水反应的深层次探究，帮助学生形成发散思维，促进其深度学习，提升化学学科核心素养。关键词：数字化实验；过氧化钠；深度探究；核心素养1.问题的提过氧化钠的性质是高中化学的重要内容，过氧化钠与水反应的实验也是学生非兴趣的一个实验，与实际生活和社会发展联系紧密。对于过氧化钠与水反应后的溶液滴加酚酞溶液先变红后褪色这一实验现象。学生在理解上存在一定的困难，学科核心养难以得到有效的提升。本文以“过氧化钠与水反应实验现象的探究”的教学为例，利用数字化实验技术，准确获取化学实验过程中原本难以测量的变化，结合开放式的自主实验探究，实现学生对化还原反应，漂白原理，中间产物等教学重、难点的深入理解，在培养学生高阶思维同时发展学生的学科核心素养。2.教学设计思本节课选自人教版必修一第三章第二节“钠的化合物的性”第一课时，内容在高中化学中具有承上启下的作用，上承氧化还原反应原理的应用，下接元素化合物性质探究。通过这节课的学习，培养学生透过实验现象，探究内在本质的能力。面对新奇验现象，需要将之前所学的知识提升到应用的层面，对学生来说是不小的挑战。为了学生在探究性的课堂中建立起研究元素化合物的思路和方法，促进学生思维能力和核素养培养，通过分析学生的知识结构，本节课融合了氧化还漂白原理等知识，综合性较强。本节课的核心内容是探究过氧化钠与水反应的现实验、对照探究实验，普适性创新实验，层层抽丝剥茧。由宏观现象加曲线表征辅助，进行实验方案的设计与评价改进，继而创新实验并在能更好的激发学生学习化学的积极性和求知欲，培养学生自主探究的能力。本节课的素养目标为：通过数字化技术，设计一过氧化钠与水是如何反应的，使学生从微观视角深层观辨识额微观探析”“科学探究与创新意识”以及“科学态度与社会责任”。使课堂的教学目标从“教会知识”向“发展素养“转”。图13.教学实3.1.【课前微课学习大家比较熟悉氧化钠的性质，利用分类观迁引出：过氧化钠也是钠的氧化物，又能与水发生怎样的反应，进行探究。通过书本3-5的实验，引出过氧化钠与水反应过程中需要探究的三点问题：探究1：试验中产生了什么气体？探究2：实验过程中是否有热量放；探究3：实验还生成了那物（异常现象得记录分析）；结合氧化还原观，请写出你认为反应的方程式。2NaO+2HO=4NaOH+O↑思考：为什么酚酞会褪色？设计意图：从学生已经学习过的知识引入，再通过书本实验中的现象引后续探究实验的期待。同时，科学探究是循序渐进的，在进行数字化实和书本实验进行回顾，发现不足。3.2【演示数字化实验利用数字化手持技术，在宏观现象探究的基础上，可以更直观的反应出实变化。探究1、探究反应过程中气体的生成情况：利用氧气传感器连接反应装置和计算机反应过程中氧气含量的变化，计算机取点绘图如图所示，说明反应过程渐升高，该反应放出氧气。探究2、探究反应过程中温度的变化：利用温度传感器连接反应装置和计算机，记过程中温度的变化，计算机取点绘图如图所示，说明反应过程中温度升应。探究3、探究反应过程中pH的变化情况：利用pH传感器连接反应装置明反应过程中溶液pH逐渐升高，该反应生成了强碱性物质氢氧化钠。图2通过pH传感器和氧气传感器对实验结果比对发现，相同时间段，pH迅速升高，而氧气是缓慢持续的产生，引发猜想，存在中间产物H2O2，NaO+2HO=2NaOH+HO（HO具有强氧化H2O=2HO+O2猜想：是过氧化氢的漂白作用设计意图：借助传感器，动态的展示了反应过程中pH和氧气生成量的动态变化过程，通过比较，捕捉到过氧化氢这个中间产物，提出猜想，引发学生的探究热情。3.3【学生分组实验探追问：是否还有其他的可能？引导学生查阅资料：设计验证实验：第一组：pH=11的NaOH溶液中滴入几滴酚酞溶液，再向其中加入几滴10%双氧水。第二组：向①反应后的溶液中加入少量的MnO，待氧气不在产生且保持恒定3min后，过滤，再向滤液中滴加几滴酚酞溶液。实验现象：实验1中溶液先变红色后褪去实验2中溶液中有大量气泡产生，溶液变红色后不再褪色实验结论：NaO与水反应产物中起漂白作用的是HO。方案评价：A、传感器等手持技术的应用能更直观的观察实验过程的动态变化。B、压强的测定不准确，难以进行定量运算等。C、传感器数量有限，普通同学接触较少。设计意图：学生们通过大胆猜想，查阅资料，自主pH=1的NaOH溶液，排除碱性过强使酚酞褪色对实验的干扰优点和不足。引导学生进一步改进方案。3.4【创新实验探究随着智能手机的发展，越来越多的传感器集成到手机之中，这其中就有气压传感器，让其与真空保鲜盒联用设计新的实验方案，这样学生随时随地都可以操作。有资料介绍，手机传感器量程为30-110KPa，分辨率为0.12KPa，比一般学校配备的压强传感器量程要小的多，但分辩率精度要高。因此，设计装置如下：将Y型试管、手机固定于3L真空保鲜盒内，通过抽气装置降低盒内0.5-0个大气压。单纯使用橡皮塞密闭的实验装置很难做到气体不外逸，尤其内部压强较体外逸越快。因此在小于1个大气压的环境中可以有效减少气体的外逸，提高实验数度。提出问题：利用手机APPphyphox软件来采集压强数据，你能进行哪些定量实验数据探究？课堂小结：设计意图：通过开放性的课堂探究实验实现了传统实验的难以达到的效深层次探讨，激发学生思维，培养了学生的科学精神。通过智能手机的学习兴趣，原来化学还可以这样“玩“。４.教学反思在传统教学内容的教授过程中结合现代教学工具手段，把温度传感器，pH传感器，氧气传感器等引入课堂，将现代教学理念渗透与实际教学环节中，提高了直观感，变不可见的pH、氧气为可见的数据和直观的曲线。不断发展了不断精进的研究手段，带来不断精确的实验结果。通过微课介绍过氧本实验的酚酞褪色引发思考，数字化实验发现中间产物，分组实验设计前微课学——课堂实验设——设计实验探——实验拓展延伸构成的实验过程，现象到微观辨析，可视化的体验了过氧化钠与水反应的全过程。把氧化还原反应，漂白原理快慢反应等化学概念直观的展现，有利于学生对书本理论的理解。因此不应为了得到固有结论而流于形“伪探究“。教学是一个引发师生思考的过重视探究中的意外和探究过程本身，充分利用实验现象进行合理分析，获得解决问题的方法，探索科学原理的本质。参考文献[1].华中师范大学等，分析化学，高等教育出版社，2011[2].李嘉，智能