核心素养下数字化实验教学资源案例

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摘要：数字化实验教学资源的开发，可帮助学生将抽象概念具体化、微观现象可视化，为学生提供良好的科学探究和自主学习环境，培养学生科学探究和创新的能力，提升学生化学核心素养。

关键词：核心素养；数字化实验；传感器

高中化学核心素养是高中学生发展核心素养的重要组成部分，是学生综合素质的具体体现，反映了坚持社会主义核心价值观、化学学科育人的基本要求，全面展现了化学课程学习对学生未来发展的重要价值。化学核心素养包括宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任[1]。数字化实验系统由计算机及相关配套软件、数据采集器、传感器构成[2]，具有实验过程可视化，实验数据处理与呈现现代化的特点[3]。人教版教材中很少涉及数字化实验，笔者将教材中的实验加以改进和优化，或根据教学需要将学生难以理解的微观内容设计为数字化实验，通过呈现不同的宏观图像，帮助学生降低学习难度，加深理解，提升学习效果。

一、探究不同物质水溶液的导电能力

实验原理：电导率是衡量物质导电能力强弱的物理量，电解质在水溶液中能解离成自由移动的阴、阳离子，阴、阳离子在电场的作用下可自由移动，因此电解质溶液能导电，其导电能力的强弱可由电导率测量。实验仪器：苏威尔电导率传感器、采集器、计算机、小烧杯、量筒。实验药品：浓度为0.02mol/L的氯化钠溶液和氨水、75%的乙醇溶液。实验过程：按照图1所示组装好仪器，连接数据采集器、电导率传感器及计算机，打开数字化实验系统，进入教材通用软件，打开新建实验，选择“电导率”，校准测量温度为19℃(实验室温度)。取50mL浓度为0.02mol/L的氯化钠溶液置于小烧杯中，将传感器探头插入溶液中，选定测量时间为1分钟，时间间隔为1秒，点击开始按钮进行实验。数据采集结束后保存数据。选择重叠显示，用同样的方法测定浓度为0.02moL/L的氨水及75%的乙醇溶液的电导率，得出电导率曲线。实验结果分析：从图2可知，浓度相同的氯化钠溶液和氨水相比，前者电导率大于后者，且数值相差较大，说明强电解质在溶液中的电离程度远大于弱电解质；75%的乙醇溶液的电导率几乎为零，说明非电解质在水溶液中未电离，溶液中无自由移动的阴、阳离子。此实验可让学生直观感受到强电解质、弱电解质、非电解质在水溶液中的电离情况，加深学生对电解质和非电解质概念的理解。

二、探究固体物质溶解过程的热效应

实验原理：可溶性固体在溶于水的过程中伴有能量的变化，使溶解过程中溶液的温度发生变化，其变化可用温度传感器进行测量。实验仪器：苏威尔温度传感器、数据采集器、计算机、烧杯、磁力搅拌器。实验药品：碳酸钠固体、碳酸氢钠固体、氯化钠固体、氢氧化钙固体、硝酸铵固体。实验过程：按图3组装好实验装置，打开计算机，打开数字化实验系统，进入教材通用软件，新建一个实验，选择“温度”曲线，设置测定时间5分钟，时间间隔1秒。取一个洁净的小烧杯，倒入50mL蒸馏水置于磁力搅拌器上，打开磁力搅拌器，将温度传感器插入水中，点击“开始”按钮，在烧杯中倒入5g称好的氢氧化钙固体，采集数据。用同样的操作完成其余4种固体溶解过程的温度变化曲线。实验分析：根据图4各图像曲线可知，氢氧化钙和碳酸钠的溶解过程中溶液温度升高，溶解过程为放热；氯化钠、碳酸氢钠、硝酸铵固体溶解过程中溶液温度降低，溶解过程为吸热。此外，这些图像也可以展现出不同物质的溶解速率：氢氧化钙溶解速率慢，5分钟内未完全溶解，所以，氢氧化钙溶解过程中溶液温度一直呈缓慢上升趋势。碳酸钠固体溶解速率快、放热也快，溶液温度迅速上升，至固体完全溶解时温度达到最高。氯化钠、碳酸钠、硝酸铵溶解都为吸热，硝酸铵溶解速率最快，放热最多。该组实验通过定量分析，将数据以图像呈现，让学生直观感受到了不同固体溶解过程中的热效应，同时了解了常见固体的溶解速率，为相关问题的解决提供了有力的数据支持。

三、探究温度对弱电解质电离的影响

实验原理：弱电解质的电离过程是吸热的，所以随着温度的升高，电解质的电离程度增大，使溶液中自由移动的阴、阳离子浓度增大，溶液的导电能力增强，电导率数值增大。实验仪器：苏威尔电导率传感器、数据采集器、计算机、100mL烧杯、磁力加热搅拌器。实验药品：浓度为0.005mol/L的醋酸溶液、氨水、氢氧化钠溶液。实验过程：按图5组装好实验装置，打开计算机，打开数字化实验系统，进入教材通用软件，打开新建实验，选择“电导率”曲线。取待测液各50mL置于3支大试管中，将试管水浴加热，测定加热过程中各溶液电导率的变化。实验结果分析：从图6的各图像曲线可知，在加热过程中，醋酸溶液和氨水的电导率有增大趋势，说明随着温度的升高，两溶液中自由移动离子浓度增大，其原因是：醋酸和一水合氨的电离过程是吸热，温度升高，电离程度增大，阴、阳离子浓度增大，电导率增大。氢氧化钠溶液受热电导率也会增大，但增大趋势不如前两种溶液明显，其原因是：氢氧化钠是强电解质，在水溶液中完全电离，但溶剂水是弱电解质，温度升高，水的电离程度增大，电导率增大。该实验将抽象的、微弱的变化通过直观图像呈现出来，培养了学生的变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知等化学核心素养。

四、单液原电池与双液原电池电流稳定性的检测

实验原理：单液原电池正负极在同一电解质溶液中，负极材料会与电解质溶液发生氧化还原反应，消耗负极材料，使电流不稳定。双液原电池中负极和正极在不同的电解质溶液中，负极失去的电子只能通过导线转移至正极，因此，负极材料不会被电解质溶液消耗，电流稳定。实验仪器：苏威尔微电流传感器、数据采集器、计算机、盐桥、烧杯、铜片、锌片。实验药品：浓度为0.01mol/L的ZnSO4和H2SO4。实验过程：按图7组装好实验装置，打开计算机，打开数字化实验系统，进入教材通用软件，打开新建实验，选择“微电流”曲线，设定测量时间5分钟，先测定双液原电池的微电流，再用相同的方法测定单液原电池的微电流。实验结果分析：通过图8可知，双液原电池的电流相对于单液原电池更加稳定。该实验通过图像将双液原电池和单液原电池电流的变化情况呈现出来，让学生直观感受到两种原电池的差异。同时可引导学生探究不同水果电池的电流强弱和稳定性，以提升学生科学探究和创新意识的学科核心素养。中学化学教材中的大部分实验都可开发设计为数字化实验，如可利用电导率传感器探究乙酸乙酯和油脂在酸性和碱性条件下的水解速率和水解程度；可用浊度计传感器探究难溶电解质的溶解平衡；可用温度传感器测量中和热等。

五、结语

高中化学教材实验是将难以理解的微观原理通过实验现象和数据等宏观信息呈现出来，但是有时现象不明显，甚至无现象，数据收集更是耗时、费力，学生很难了解微观世界。数字化实验可以测定出体系中某一物理量的数据变化，得出变化曲线，将化学反应中模糊的现象和抽象的本质转化为直观的数据信息，帮助学生更好地理解化学反应的本质和规律，将难以理解的知识形象化、具体化，使学生能够形成“宏观、微观、图像三重表征”的化学学科思维方式。利用数字化实验先进、简单、直观、实效、全面的特点，可以优化部分实验，降低实验的难度，增强实验的可行性，提高实验的准确度，使实验获得从质到量、从微观到宏观的升华，有利于突破教学难题，为学生自主探究学习提供图像和数据的支持。因此，数字化实验教学资源的开发利用，有助于落实学生化学学科核心素养的培养。

参考文献

[1]教育部.普通高中化学课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2018.

[2]潘洪涛.数字化综合理科实验室的硬件和软件[J].计算机教育学,2005(11):31-32.

[3]张婷,马宏佳.化学数字化实验影响学生概念改变的实证研究[J].化学教育,2017(9):39-43.

作者:赵丽霞 白永丽 余新红 单位:甘肃省岷县第一中学