还记得《美丽化学》视频吗？这位老师利用数字化实验让学生爱上化学 | 数字课堂

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《美丽化学》系列视频

化学枯燥吗？清华学霸6分钟短片美到震撼！改变你对化学的印象！让你爱上化学的神奇。

近年来，教育教学的发展方向已从单纯重视知识技能的获得转向知识技能思维发展、观念形成并重。同时，高考也已从“知识立意”转向“能力立意”，其选拔性变得更加突出，学生在课堂上仅习得知识不再适应高考要求。

比如，近些年有关于“平衡”的高考试题，其考试重点已发生变化，改变了单一的纯理论考查，转而注重对图像问题的考查，包括对图像的横纵坐标的考查和对图像趋势的理解与分析等，加之“平衡”类知识本身很微观、很抽象，使这部分试题难度增大。数字化实验具有能够实时观测反应体系中的微粒变化、状态变化等优势，因而逐渐被引入化学教学。它的直观化有利于学生基于真实情境下构建有意义的知识体系。

所以，如果学生在上新课时未能充分掌握“平衡”类内容，教师务必在复习课中适当地利用数字化实验再次搭建桥梁，通过显性化的定量教学，完善学生的知识体系，以此推进学生平衡观念的形成，达成化学教学的最终目标。（视频课件，欢迎观看）

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一设计思路

化学平衡、电离平衡、水解平衡及沉淀溶解平衡等，作为高中化学知识体系中的重点平衡类知识，是落实化学学科核心素养“变化观念与平衡思想”并引导学生形成化学“平衡观”的教学知识载体。

课堂教学中，大部分教师只是通过语言，从定性的角度讲解“化学平衡移动”的相关知识，学生并不能从平衡移动实质上深刻理解平衡及平衡移动，导致在面对复杂问题情境时，不能有效提取头脑中的信息进行迁移应用。

将数字化实验引进教学，一方面能够有效“稀释”化学平衡内容难度，帮助教师更好地达成教学目标，体现化学平衡类知识对于学生能力与思维方面培养的价值；另一方面数字化实验教学利于学生真正厘清“平衡”及“平衡移动”等知识，在知识习得的过程中提升能力，发展素养。

我们通过数字化实验进行“化学平衡移动”的复习课教学，将有助于学生基于一定的数据变化进行“化学平衡移动”的深层次学习，并强化学生对“化学平衡移动”知识的再次认知。

二学情分析本课是在学生备战高考的过程中安排的“化学平衡移动”复习课。学生对“化学平衡移动”已有一定的认知，但在解决相关问题时仍存在误区，比如一味地认为“勒夏特列原理”适合解决任何有关“影响化学平衡移动因素”的问题。换句话说，这部分内容的定性教学并不能使学生完全理解“酸、碱、盐、温度等因素对电离平衡的影响”，学生学习本节内容所取得的成效只是记忆了实例，并未真正理解，遇到新的问题时他们并不能很好地选择储存在头脑中的知识加以解决。

我们采用数字化实验的教学方法，以学生已有的知识结构作为教学的起点，进行“影响化学平衡移动因素”内容的强化教学，符合学生的认知规律，预期能够达到完善知识体系的目的。

大多数学生对通过实验探索知识奥秘是充满兴趣的，因此教师可因势利导，利用数字化实验营造良好的课堂教学氛围，帮助学生从数据推理中获得知识，促进化学平衡观念的建立。

三教学目标

进一步认识酸、碱、盐、温度等因素对“化学平衡移动”的影响，能够从化学平衡本质的角度分析“化学平衡移动”中的相关离子变化，这是我们的教学目标。

具体目标之一：通过“氯气与水反应”的一系列数字化实验，从数据定量论证的视角认识酸、碱、盐、温度等因素对“化学平衡移动”的影响。具体目标之二：通过“多因素对氯气与水反应平衡体系的影响”的数字化实验，培养学生“分析与解决问题的能力”“实事求是的科学精神”“辩证唯物主义的思维品质”。

四教学过程

本节的教学重难点：酸、碱、盐、温度等因素对“氯气与水反应的平衡体系”中微粒变化的影响。教师针对这些重难点采取实验探究法、启发诱导法和总结归纳法教学。需要准备的物品包括电脑（带有威尼尔软件）、数据采集器、氯离子传感器、pH传感器、温度传感器、氧气传感器、磁力搅拌器，饱和氯水、0.1mol/L NaOH溶液、浓H₂SO₄、0.1mol/L NaCl溶液。具体教学过程如下。

01

引入新课

[复习回顾] 向CH₃COOH溶液形成的电离平衡中，分别加入适量的HCl、NaOH与CH₃COONH₄溶液之后，电离平衡状态是否会移动，溶液的酸性如何变化，CH₃COO^-的浓度如何变化？

[生]（1）加入HCl溶液之后，电离平衡向左移动，溶液中的c(H⁺)增大，溶液酸性增强，pH减小，c(CH₃COO^-)减小；（2）加入NaOH溶液之后，电离平衡向右移动，溶液中的c(H⁺)减小，溶液酸性减弱，pH增大，c(CH₃COO^-)增大；（3）加入CH₃COONH₄溶液之后，电离平衡向左移动，溶液中的c(H⁺)减小，溶液酸性减弱，pH增大，c(CH₃COO^-)增大。

[师] 对学生的回答进行综合评价与反馈。描述：关于“电离平衡移动”的内容除了定性讲解之外，通过数字化实验用数据曲线表征更能直观感受酸、碱、盐等因素对于电离平衡的影响。借助高中阶段最先接触的可逆反应“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺+ Cl^- + HCIO”来深化对“电离平衡移动”内容的学习。

[设计意图] 以问题诱导的方式测量学生对先前知识的掌握程度，利于教师对学生学习状况做诊断，从而促进教学的有效实施；同时利于将数字化实验引入教学，使化学原理性知识外显，从而激发学生的学习兴趣，构建良好教学环境。

02

高浓度H₂SO₄溶液对“氯气与水反应平衡体系”的影响

[提问] 在“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺+ Cl^- + HCIO”的电离平衡中加入适量浓H₂SO₄，平衡如何移动，溶液中的c(H⁺)、c(Cl^-)如何变化？

[生] 平衡向左移动，c(H⁺)增大，pH减小，c(Cl^-)减小。

[师] 评价与反馈。引导学生通过数字化实验来验证。

[解释与说明] 介绍数字化实验的装置及实验时的操作注意事项。

【实验1】 利用数字化实验验证浓H₂SO₄对“氯气与水反应平衡体系”的影响，引导学生观察图像变化并进行图像信息分析与整合。实验数据随时间的变化如图1、图2所示。

图1  c(Cl^-)的变化曲线（示意）

图2  PH的变化曲线（示意）

[分析与归纳] 对图像中的数据变化进行分析，最终总结归纳出：在“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”的平衡体系中加入浓H₂SO₄，平衡向左移动，c(H⁺)增大，pH减小，c(Cl^-)减小。

[设计意图] 参与数字化实验，学生能真实感受浓H₂SO₄对“氯气与水反应平衡体系”的影响，在曲线表征的情境下建构有数据支撑的知识体系；强化学生整合数据、分析数据、解决问题的能力；感受数字实验在知识形成中的重要性。

03

NaOH对“氯气与水反应平衡体系”的影响

[提问] 在“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”的平衡体系中加入适量0.1 mol/L NaOH溶液，平衡如何移动，溶液中的c(H⁺)、c(Cl^-)如何变化？

[交流与讨论] 学生相互交流，进行定性分析，然后开展实验教学。

【实验2】 利用数字化实验，将NaOH溶液对“氯气与水反应平衡体系”的pH及c(Cl^-)的变化进行数据的图像生成。具体如图3、图4所示。

图3  c(Cl^-)的变化曲线（示意）

图4  PH的变化曲线（示意）

[交流讨论] 学生分析图像信息，并与之前的定性分析结果对比，最后得出结论：加入NaOH后，OH^-中和了H⁺，破坏了电离平衡，使得平衡向c(Cl^-)增大的方向移动，即向右移动，溶液的pH增大，即c(H⁺)减小。

[总结归纳] 在“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”的平衡体系中加入NaOH溶液，平衡正向移动，且c(Cl^-)与溶液pH均增大。

[设计意图] 通过数字化实验清晰直观地展现“加入NaOH溶液后，Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”溶液中的相关变化，有助于将学生对“化学平衡移动”的定性认识过渡到定量认识，使学生的认知得以深化与提高。

04

NaCl对“氯气与水反应电离平衡”的影响

[提问3] 在“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”的平衡体系中加入适量浓度为0.1mol/LNaCl溶液，平衡如何移动，溶液中的c(H⁺)、c(Cl^-)如何变化？

【实验3】 引导学生按照之前的操作步骤进行，即向“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”的平衡体系中加入NaCl溶液，实验图像如图5、图6所示。

图5  c(Cl^-)的变化曲线（示意）

图6  PH的变化曲线（示意）

[交流与讨论] 针对图像中呈现的信息进行交流与沟通，最后根据图像变化得出结论。

[总结与归纳] 在“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺ + Cl^- + HClO”的平衡体系中加入NaCl，平衡向左移动，溶液中的c(H⁺)减小，pH增大，c(Cl^-)增大。

[设计意图] 通过数字化实验，学生能更深刻地认识到溶液中的微粒变化要经历一个过程，可以有效纠正他们的“前概念”。同时，真实数据的呈现利于学生形成通过曲线表征解决化学问题的思路，且数据变化的直观化能够帮助学生形成逻辑性良好的知识体系。

05

温度对“氯气与水反应电离平衡”的影响

[提问] 对已达到平衡的氯水进行加热，平衡将向哪个方向移动，溶液的pH及c(Cl^-)如何变化？

[生] 猜想一：平衡向右移动，c(H⁺)及c(Cl^-)同时增大，即pH减小，c(Cl^-)增大。

猜想二：平衡向左移动，c(H⁺)及c(Cl^-)同时减小，即pH增大，c(Cl^-)减小。

【实验4】 对平衡体系进行加热，利用数字化实验，将随着温度不断变化的pH及c(Cl^-)以曲线表征出来。

[数据分析] 改变温度，氯水中的pH及c(Cl^-)同时减小，均不符合学生之前的两个猜想：pH减小，c(Cl^-)增大；pH增大，c(Cl^-)减小。

[师] 陈述与说明：在判断升高温度，“氯气与水反应电离平衡”的移动方向之前，必须知道这个电离过程的吸放热情况，最终才能断定相关离子变化。所以，要进行“氯气与水反应的热效应”实验。

【实验5】 借助数字化实验，对“氯气与水反应”过程做吸放热情况分析。

[交流与讨论] 分析图像，可知“氯气与水的反应”是一个放热过程。升高温度，平衡向左移动，c(Cl^-)减小，这与之前猜想二是一致的。根据反应的放热性质，升高温度，溶液的pH肯定是增大的，但实验测定的为什么是减小的呢？

[师] pH减小，说明c(H⁺)增大。

[生] 难道是升高温度时，作为产物的HClO发生了分解，产生了HCl，从而导致酸性增强，而另一产物可能是O₂。

[师] 实验是验证猜想的有效手段，通过实验可以验证猜想是否正确。在实验4中我们通过图像知道溶液中的c(H⁺)是增大的，现在只需要测定溶液中的O₂是否发生变化，就可得出结论。

【实验6】 利用氧气传感器，通过数字化实验探究温度升高时溶液中的O₂含量变化。

[生] 根据O₂含量的变化曲线可知，温度升高时溶液中的O₂含量不断增加。由之前所做的有关溶液pH的实验可知，加热过程中HClO发生了分解，生成了HCl和O₂。

[总结归纳] 随着温度升高，我们根据勒夏特列原理可知，作为放热反应的“Cl₂ + H₂O ⇌ H⁺+ Cl^- + HClO”的平衡会向左移动，c(Cl^-)减小。但与此同时反应中会发生“HClO分解生成HCl和O₂的反应”，产生与通常情况不相符合的结果，即溶液的酸性增强，pH减小。我们查阅资料发现次氯酸分解还产生HClO₂和HClO₃两种强酸，导致溶液中c(Cl^-)减小、c(H⁺)升高。

[设计意图] 利用理论分析实验中产生矛盾结果的原因，使学生产生认知冲突，激发学生的探究兴趣，且通过此部分的教学，改变学生的思维定势，启发学生多角度分析问题，培养其辩证思维品质。

五反思与总结

本课通过数字化实验将学生接受新课教学时，从定性层面习得的“化学平衡移动”内容做定量的数据分析，并借助动态图像将“微观”转换为“宏观”，能够有效降低内容的难度且能扫除学生的知识盲点，帮助学生建构起证据支撑下的内容体系，利于学生“知其然且知其所以然”。

开展数字化实验有利于“化学平衡移动”的深度教学，有利于培养学生在证据推理方面的学科素养。此外，本节课的最后一个数字化实验“温度对氯气与水反应的影响”，与学生利用所学理论的分析是不一致的。

探究性实验，能够提高学生基于实验辨析问题的能力，也有助于推动学生发散型思维的发展，削弱定势思维对学生解决问题的影响，从而在一定程度上促进学生科学探究与创新意识的养成。

但由于高中学生对于数字化实验的操作还不是很熟练，所以在实验过程中，教师不能为了体现“以学为本”的理念而对学生完全放任，而要充分体现出教师在教学活动中的引导作用，在学生需要的时候及时给予指导，从而能更好地帮助学生完善实验操作。

数字化实验的优势是能够将有关的化学抽象知识，以曲线表征的方式直观表现出来。我们可将数字化实验适当地应用于教学。此外，课堂上数字化实验的引入还能培养学生的动手能力和探究精神及思维能力。数字化实验的适当应用，必将推动化学课程的改革和学生素养的提升。

（马善恒：安徽省合肥市第六中学教师；姚如富：合肥师范学院化学与化学工程学院教授；姚娟娟：华中师范大学化学学院研究生。注：本文系安徽省电化教育馆课题“数字实验下高中化学教学案例研究”（AH2017036）的成果。）

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文章来源：《中小学数字化教学》2018年第1期

责任编辑：祝元志

微信编辑：李中华

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