數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在元素化合物教學(xué)中的應(yīng)用-以“過氧化鈉與水反應(yīng)”為例 論文

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在元素化合物教學(xué)中的應(yīng)用——以“過氧化鈉與水反應(yīng)摘要：基于化學(xué)教學(xué)的核心素養(yǎng)，結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行“探究過氧化鈉與水反應(yīng)”的教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)可視化實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)過程量化分析，提高學(xué)習(xí)的趣味性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和創(chuàng)新意識。開放式情景下的對過氧化鈉與水反應(yīng)的深層次探究，幫助學(xué)生形成發(fā)散思維，促進(jìn)其深度學(xué)習(xí)，提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；過氧化鈉；深度探究；核心素養(yǎng)1.問題的提過氧化鈉的性質(zhì)是高中化學(xué)的重要內(nèi)容，過氧化鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生非興趣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，與實(shí)際生活和社會發(fā)展聯(lián)系緊密。對于過氧化鈉與水反應(yīng)后的溶液滴加酚酞溶液先變紅后褪色這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生在理解上存在一定的困難，學(xué)科核心養(yǎng)難以得到有效的提升。本文以“過氧化鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的探究”的教學(xué)為例，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，準(zhǔn)確獲取化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中原本難以測量的變化，結(jié)合開放式的自主實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對化還原反應(yīng)，漂白原理，中間產(chǎn)物等教學(xué)重、難點(diǎn)的深入理解，在培養(yǎng)學(xué)生高階思維同時(shí)發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。2.教學(xué)設(shè)計(jì)思本節(jié)課選自人教版必修一第三章第二節(jié)“鈉的化合物的性”第一課時(shí)，內(nèi)容在高中化學(xué)中具有承上啟下的作用，上承氧化還原反應(yīng)原理的應(yīng)用，下接元素化合物性質(zhì)探究。通過這節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探究內(nèi)在本質(zhì)的能力。面對新奇驗(yàn)現(xiàn)象，需要將之前所學(xué)的知識提升到應(yīng)用的層面，對學(xué)生來說是不小的挑戰(zhàn)。為了學(xué)生在探究性的課堂中建立起研究元素化合物的思路和方法，促進(jìn)學(xué)生思維能力和核素養(yǎng)培養(yǎng)，通過分析學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)，本節(jié)課融合了氧化還漂白原理等知識，綜合性較強(qiáng)。本節(jié)課的核心內(nèi)容是探究過氧化鈉與水反應(yīng)的現(xiàn)實(shí)驗(yàn)、對照探究實(shí)驗(yàn)，普適性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，層層抽絲剝繭。由宏觀現(xiàn)象加曲線表征輔助，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與評價(jià)改進(jìn)，繼而創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)并在能更好的激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生自主探究的能力。本節(jié)課的素養(yǎng)目標(biāo)為：通過數(shù)字化技術(shù)，設(shè)計(jì)一過氧化鈉與水是如何反應(yīng)的，使學(xué)生從微觀視角深層觀辨識額微觀探析”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”以及“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”。使課堂的教學(xué)目標(biāo)從“教會知識”向“發(fā)展素養(yǎng)“轉(zhuǎn)”。圖13.教學(xué)實(shí)3.1.【課前微課學(xué)習(xí)大家比較熟悉氧化鈉的性質(zhì)，利用分類觀遷引出：過氧化鈉也是鈉的氧化物，又能與水發(fā)生怎樣的反應(yīng)，進(jìn)行探究。通過書本3-5的實(shí)驗(yàn)，引出過氧化鈉與水反應(yīng)過程中需要探究的三點(diǎn)問題：探究1：試驗(yàn)中產(chǎn)生了什么氣體？探究2：實(shí)驗(yàn)過程中是否有熱量放；探究3：實(shí)驗(yàn)還生成了那物（異?，F(xiàn)象得記錄分析）；結(jié)合氧化還原觀，請寫出你認(rèn)為反應(yīng)的方程式。2NaO+2HO=4NaOH+O↑思考：為什么酚酞會褪色？設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)過的知識引入，再通過書本實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象引后續(xù)探究實(shí)驗(yàn)的期待。同時(shí)，科學(xué)探究是循序漸進(jìn)的，在進(jìn)行數(shù)字化實(shí)和書本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行回顧，發(fā)現(xiàn)不足。3.2【演示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用數(shù)字化手持技術(shù)，在宏觀現(xiàn)象探究的基礎(chǔ)上，可以更直觀的反應(yīng)出實(shí)變化。探究1、探究反應(yīng)過程中氣體的生成情況：利用氧氣傳感器連接反應(yīng)裝置和計(jì)算機(jī)反應(yīng)過程中氧氣含量的變化，計(jì)算機(jī)取點(diǎn)繪圖如圖所示，說明反應(yīng)過程漸升高，該反應(yīng)放出氧氣。探究2、探究反應(yīng)過程中溫度的變化：利用溫度傳感器連接反應(yīng)裝置和計(jì)算機(jī)，記過程中溫度的變化，計(jì)算機(jī)取點(diǎn)繪圖如圖所示，說明反應(yīng)過程中溫度升應(yīng)。探究3、探究反應(yīng)過程中pH的變化情況：利用pH傳感器連接反應(yīng)裝置明反應(yīng)過程中溶液pH逐漸升高，該反應(yīng)生成了強(qiáng)堿性物質(zhì)氫氧化鈉。圖2通過pH傳感器和氧氣傳感器對實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對發(fā)現(xiàn)，相同時(shí)間段，pH迅速升高，而氧氣是緩慢持續(xù)的產(chǎn)生，引發(fā)猜想，存在中間產(chǎn)物H2O2，NaO+2HO=2NaOH+HO（HO具有強(qiáng)氧化H2O=2HO+O2猜想：是過氧化氫的漂白作用設(shè)計(jì)意圖：借助傳感器，動態(tài)的展示了反應(yīng)過程中pH和氧氣生成量的動態(tài)變化過程，通過比較，捕捉到過氧化氫這個(gè)中間產(chǎn)物，提出猜想，引發(fā)學(xué)生的探究熱情。3.3【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探追問：是否還有其他的可能？引導(dǎo)學(xué)生查閱資料：設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)：第一組：pH=11的NaOH溶液中滴入幾滴酚酞溶液，再向其中加入幾滴10%雙氧水。第二組：向①反應(yīng)后的溶液中加入少量的MnO，待氧氣不在產(chǎn)生且保持恒定3min后，過濾，再向?yàn)V液中滴加幾滴酚酞溶液。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)1中溶液先變紅色后褪去實(shí)驗(yàn)2中溶液中有大量氣泡產(chǎn)生，溶液變紅色后不再褪色實(shí)驗(yàn)結(jié)論：NaO與水反應(yīng)產(chǎn)物中起漂白作用的是HO。方案評價(jià)：A、傳感器等手持技術(shù)的應(yīng)用能更直觀的觀察實(shí)驗(yàn)過程的動態(tài)變化。B、壓強(qiáng)的測定不準(zhǔn)確，難以進(jìn)行定量運(yùn)算等。C、傳感器數(shù)量有限，普通同學(xué)接觸較少。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生們通過大膽猜想，查閱資料，自主pH=1的NaOH溶液，排除堿性過強(qiáng)使酚酞褪色對實(shí)驗(yàn)的干擾優(yōu)點(diǎn)和不足。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)方案。3.4【創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)探究隨著智能手機(jī)的發(fā)展，越來越多的傳感器集成到手機(jī)之中，這其中就有氣壓傳感器，讓其與真空保鮮盒聯(lián)用設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案，這樣學(xué)生隨時(shí)隨地都可以操作。有資料介紹，手機(jī)傳感器量程為30-110KPa，分辨率為0.12KPa，比一般學(xué)校配備的壓強(qiáng)傳感器量程要小的多，但分辯率精度要高。因此，設(shè)計(jì)裝置如下：將Y型試管、手機(jī)固定于3L真空保鮮盒內(nèi)，通過抽氣裝置降低盒內(nèi)0.5-0個(gè)大氣壓。單純使用橡皮塞密閉的實(shí)驗(yàn)裝置很難做到氣體不外逸，尤其內(nèi)部壓強(qiáng)較體外逸越快。因此在小于1個(gè)大氣壓的環(huán)境中可以有效減少氣體的外逸，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)度。提出問題：利用手機(jī)APPphyphox軟件來采集壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，你能進(jìn)行哪些定量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探究？課堂小結(jié)：設(shè)計(jì)意圖：通過開放性的課堂探究實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的難以達(dá)到的效深層次探討，激發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神。通過智能手機(jī)的學(xué)習(xí)興趣，原來化學(xué)還可以這樣“玩“。４.教學(xué)反思在傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容的教授過程中結(jié)合現(xiàn)代教學(xué)工具手段，把溫度傳感器，pH傳感器，氧氣傳感器等引入課堂，將現(xiàn)代教學(xué)理念滲透與實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)中，提高了直觀感，變不可見的pH、氧氣為可見的數(shù)據(jù)和直觀的曲線。不斷發(fā)展了不斷精進(jìn)的研究手段，帶來不斷精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過微課介紹過氧本實(shí)驗(yàn)的酚酞褪色引發(fā)思考，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)中間產(chǎn)物，分組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)前微課學(xué)——課堂實(shí)驗(yàn)設(shè)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探——實(shí)驗(yàn)拓展延伸構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)過程，現(xiàn)象到微觀辨析，可視化的體驗(yàn)了過氧化鈉與水反應(yīng)的全過程。把氧化還原反應(yīng)，漂白原理快慢反應(yīng)等化學(xué)概念直觀的展現(xiàn)，有利于學(xué)生對書本理論的理解。因此不應(yīng)為了得到固有結(jié)論而流于形“偽探究“。教學(xué)是一個(gè)引發(fā)師生思考的過重視探究中的意外和探究過程本身，充分利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行合理分析，獲得解決問題的方法，探索科學(xué)原理的本質(zhì)。參考文獻(xiàn)[1].華中師范大學(xué)等，分析化學(xué)，高等教育出版社，2011[2].李嘉，智能