王旭達(dá) 英華 李海鷹

摘要： 在化學(xué)反應(yīng)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)用控制變量的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比觀察，利用不同傳感器設(shè)計探究實(shí)驗(yàn)的新方案，引導(dǎo)學(xué)生捕獲新證據(jù)，結(jié)合理論知識進(jìn)行定量分析，“看到”化學(xué)反應(yīng)原理微觀本質(zhì)，并且根據(jù)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析情況診斷并發(fā)展學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力、宏觀辨識與微觀探析水平以及證據(jù)推理與模型認(rèn)知水平?！皾舛葘瘜W(xué)平衡的影響”和“鋼鐵吸氧腐蝕原理”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)評一體化設(shè)計突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限，利用傳感器的優(yōu)勢，幫助學(xué)生定性、定量思考改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，快速且準(zhǔn)確地獲取可視化的數(shù)據(jù)證據(jù)，有助于提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)評一體化;傳感器;化學(xué)實(shí)驗(yàn);探究;單元教學(xué)

《普通高中教科書 化學(xué) 選擇性必修1 化學(xué)反應(yīng)原理》注重從微觀層面探索化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律并用以分析和解決實(shí)際問題，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的化學(xué)觀念和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。但諸如化學(xué)平衡移動和電化學(xué)原理非常抽象，學(xué)生難以將知識內(nèi)化并轉(zhuǎn)化為能力^[1]。教師可以借助信息技術(shù)解決這一難題。傳感器能夠快速、定量、準(zhǔn)確地將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成可見信號，如光、溫度、壓強(qiáng)等信號。教師利用傳感器開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)有利于外顯化學(xué)反應(yīng)原理的本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生對反應(yīng)原理深刻理解。筆者以探究“濃度對化學(xué)平衡的影響”和“鋼鐵吸氧腐蝕原理”實(shí)驗(yàn)為例，在多種傳感器輔助下，實(shí)施教學(xué)評一體化化學(xué)單元教學(xué)設(shè)計。

一、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計與評價導(dǎo)向

（一）單元整體教學(xué)設(shè)計思路

在化學(xué)反應(yīng)原理如化學(xué)平衡移動、電化學(xué)原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者應(yīng)用控制變量的科學(xué)方法做實(shí)驗(yàn)，對比觀察，提出新目標(biāo)，選擇不同的傳感器，并利用其優(yōu)點(diǎn)設(shè)計新的探究實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生捕獲新證據(jù)，結(jié)合已學(xué)理論知識進(jìn)行定量分析，體驗(yàn)“看到”化學(xué)反應(yīng)原理微觀本質(zhì)的快樂。筆者基于傳感器設(shè)計了探究實(shí)驗(yàn)流程（如圖1）。

（二）“濃度對化學(xué)平衡的影響”和“鋼鐵吸氧腐蝕原理”實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價思路

教師在講授化學(xué)反應(yīng)原理的過程中，通常要求學(xué)生按教材上的說明做實(shí)驗(yàn)，并以此診斷學(xué)生控制變量開展實(shí)驗(yàn)的水平。筆者按照教學(xué)評一體化單元設(shè)計的思路，在課堂教學(xué)中引入傳感器，讓學(xué)生應(yīng)用傳感器設(shè)計并實(shí)施新的實(shí)驗(yàn)方案，以此診斷學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。筆者根據(jù)學(xué)生對傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析情況，診斷并發(fā)展學(xué)生數(shù)據(jù)處理能力、宏觀辨識與微觀探析水平，證據(jù)推理與模型認(rèn)知水平^[2]（如圖2）。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計案例及分析

（一）濃度對化學(xué)平衡的影響實(shí)驗(yàn)

1.學(xué)習(xí)教材內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)活動，體驗(yàn)控制變量科學(xué)方法

實(shí)驗(yàn)過程：首先，向小燒杯中加入10 mL蒸餾水，滴入5滴0.05 mol/L FeCl₃溶液、5滴0.15 mol/L KSCN溶液，用玻璃棒攪拌使其充分混合，將混合均勻的溶液平均注入a、b、c三支試管中。然后，向試管a中滴入5滴0.05 mol/L FeCl₃溶液，向試管b中滴入5滴0.15 mol/L KSCN溶液，對比、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并與試管c進(jìn)行對比。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)、分析與結(jié)論：將試管c中溶液作為對照對象，試管a、b中溶液顏色均加深，故增大平衡體系中反應(yīng)物Fe³⁺或SCN^-的濃度，F(xiàn)eCl₃+KSCN?????Fe（SCN）₃+3KCl反應(yīng)正向移動。

挑戰(zhàn)性問題：除了憑借肉眼觀察體系顏色變化，還有哪些實(shí)驗(yàn)方案可達(dá)到此實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

2.根據(jù)色度傳感器工作原理，改進(jìn)對比實(shí)驗(yàn)，捕獲新證據(jù)

了解色度傳感器工作原理：光照射到盛滿待測液的比色皿上，將測量的光透過的百分比通過計算機(jī)軟件繪制透光率圖。實(shí)驗(yàn)者根據(jù)透光率數(shù)值推斷溶液顏色的深淺，即透光率數(shù)值越小說明溶液顏色越深，反之，透光率數(shù)值越大說明溶液顏色越淺。

設(shè)計對比實(shí)驗(yàn)：向燒杯中加入20 mL 0.05 mol/L FeCl₃溶液和20 mL 0.15 mol/L KSCN溶液，振蕩，得混合溶液M。按表1給定的順序分別裝滿對應(yīng)的溶液，測量透光率，繪制曲線，觀察圖像、記錄數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)化信息，最后對比分析得出結(jié)論。為嚴(yán)格控制變量并觀察到顏色變化數(shù)值，分別向比色皿c、d中滴加1滴濃度更大的溶液，并振蕩。

經(jīng)色度傳感器測量并繪制得出的四條透光率圖線如圖3所示。

對比分析證據(jù)得出結(jié)論：當(dāng)增大反應(yīng)物濃度c（Fe³⁺）或c（SCN^-），平衡體系溶液的透光率由近80%分別明顯下降到近60%、近10%，說明體系溶液顏色加深，即Fe（SCN）₃濃度增大，學(xué)生可直觀推理得到“增大反應(yīng)物濃度化學(xué)平衡正向移動”這一結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)評價與反思：色度傳感器輔助探究濃度對化學(xué)平衡的影響，將溶液顏色變化轉(zhuǎn)化為可視的光信號圖像，這為學(xué)生判斷外界條件對化學(xué)平衡的影響提供了更可靠的直觀實(shí)驗(yàn)證據(jù)，有利于提升學(xué)生宏微結(jié)合探析化學(xué)反應(yīng)原理的本質(zhì)認(rèn)識水平。

（二）鋼鐵吸氧腐蝕原理實(shí)驗(yàn)

1.基于教材上的實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)原理外顯與證據(jù)推理過程

實(shí)驗(yàn)過程：將經(jīng)過酸洗除銹的鐵釘用飽和食鹽水浸泡一下，放入具支試管中，蓋緊膠塞，觀察現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)、分析與結(jié)論：幾分鐘后觀察到右側(cè)導(dǎo)管中液柱明顯上升。由此推理鐵釘在飽和食鹽水浸潤的環(huán)境下發(fā)生了吸氧腐蝕。

挑戰(zhàn)性問題：若使上述實(shí)驗(yàn)液柱上升得更快、正負(fù)兩極反應(yīng)物外顯，如何改進(jìn)鋼鐵吸氧腐蝕原理實(shí)驗(yàn)?zāi)兀?/p>

建立實(shí)驗(yàn)原理外顯模型：學(xué)生根據(jù)提示討論后，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案。學(xué)生模擬鐵釘?shù)某煞纸M成，聯(lián)想暖貼使用經(jīng)歷，用還原鐵粉和活性炭粉代替鐵釘;對比飽和氯化鉀溶液與飽和食鹽水浸潤鐵釘效果后，觀察到前者實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更快;為觀察到液柱更明顯上升，在小試管中加一滴紅墨水。探究實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。學(xué)生向錐形瓶中加入一定比例的鐵粉和炭粉，加入少量氯化鉀溶液模擬潮濕的中性環(huán)境，創(chuàng)建金屬電化學(xué)腐蝕模型，塞緊瓶塞，外接一盛有紅色墨水的試管，觀察導(dǎo)管中液柱變化情況。

再捕獲證據(jù)、分析推理：幾秒后即觀察到導(dǎo)管中液柱明顯上升，這說明錐形瓶內(nèi)氣壓減小，有氣體參與了鐵粉的腐蝕反應(yīng)。學(xué)生依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，推理得知氧化鐵粉的氣體應(yīng)該是氧氣，且因鐵粉與炭粉代替鐵釘、氯化鉀溶液代替氯化鈉溶液浸潤反應(yīng)物，明顯加快了鐵粉腐蝕的速率。

實(shí)驗(yàn)評價與反思：教師通過改變反應(yīng)物組成方式，有效外顯鋼鐵吸氧腐蝕反應(yīng)原理，以此評估并促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新能力和思維水平。

再提出挑戰(zhàn)性問題：除了以導(dǎo)管中液柱上升作為推理鐵釘發(fā)生吸氧腐蝕的證據(jù)，還可以使用哪些實(shí)驗(yàn)手段獲得更充分、更直接的證據(jù)來說明是何種氣體參與鐵釘腐蝕的過程？另外，聯(lián)想使用暖貼的體驗(yàn)，探究鋼鐵吸氧腐蝕過程中的能量變化情況。

2.利用氧氣傳感器和溫度傳感器的特性，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，捕獲新證據(jù)

如何利用氧氣傳感器探析氧氣參與鋼鐵電化學(xué)腐蝕的實(shí)驗(yàn)過程？學(xué)生根據(jù)氧化還原原理，預(yù)測鋼鐵吸氧腐蝕反應(yīng)中氧氣作為氧化劑參與了正極反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，利用氧氣傳感器探究并確認(rèn)參與鋼鐵吸氧腐蝕反應(yīng)的氣體種類為氧氣。實(shí)驗(yàn)時，將氧氣傳感器探頭插入與圖4相同發(fā)生金屬電化學(xué)腐蝕的錐形瓶中。

分析實(shí)驗(yàn)證據(jù)得出結(jié)論：將氧氣傳感器與計算機(jī)相連，繪制氧氣濃度變化曲線（如圖5）。

學(xué)生可清晰觀察到氧氣濃度不斷下降，確認(rèn)是氧氣參與了鋼鐵在潮濕中性環(huán)境下的腐蝕，造成導(dǎo)管中液柱上升。

學(xué)生利用溫度傳感器探析鋼鐵吸氧腐蝕能量變化實(shí)驗(yàn)過程，即把靈敏溫度傳感器探頭插入與圖4相同發(fā)生金屬電化學(xué)腐蝕的錐形瓶中。

分析實(shí)驗(yàn)證據(jù)得出結(jié)論：將靈敏溫度傳感器與計算機(jī)相連，繪制鋼鐵發(fā)生電化學(xué)腐蝕過程中的溫度變化曲線。

學(xué)生可清晰地觀察到隨著鋼鐵電化學(xué)腐蝕，錐形瓶內(nèi)溫度越來越高，從而得出鋼鐵吸氧腐蝕為放熱反應(yīng)的結(jié)論;同時發(fā)現(xiàn)幾分鐘內(nèi)溫度升高值不大，從而得出鋼鐵電化學(xué)腐蝕過程緩慢的結(jié)論，進(jìn)而推理得知原設(shè)想中模擬的暖貼工作時會持續(xù)升溫和發(fā)熱，按產(chǎn)品說明書使用不會發(fā)生燙傷情況。

實(shí)驗(yàn)評價與反思：學(xué)生用氧氣傳感器、溫度傳感器可將化學(xué)變化中的氣體反應(yīng)物濃度和溫度的變化轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號，從而更快捷、更準(zhǔn)確地獲得實(shí)驗(yàn)證據(jù)，進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)分析。教師以此診斷學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定性分析能力，即能除了觀察宏觀現(xiàn)象還能用數(shù)據(jù)、圖表方式描述實(shí)驗(yàn)證據(jù)并進(jìn)行定量分析推理得出合理結(jié)論^[3]。

3.再探鋼鐵吸氧腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新設(shè)計，外顯電極反應(yīng)原理微觀本質(zhì)

為進(jìn)一步外顯鋼鐵吸氧腐蝕過程中兩電極反應(yīng)原理，在教師引導(dǎo)下學(xué)生做了如下實(shí)驗(yàn)探究。

實(shí)驗(yàn)過程：學(xué)生制作全新的鐵釘腐蝕模型，即改用U形管盛裝氯化鉀溶液，U形管左端放一鐵釘，右端放一炭棒，用導(dǎo)線連接電流表，用以模擬鐵釘腐蝕過程中形成的微小原電池。

分析實(shí)驗(yàn)證據(jù)得出結(jié)論：實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生觀察到電流表指針明顯偏轉(zhuǎn)，根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理推理，如同“看到”了電子從鐵釘負(fù)極端定向轉(zhuǎn)移到炭棒正極端。學(xué)生同時取出鐵釘和炭棒，為檢驗(yàn)鐵釘一極即負(fù)極發(fā)生反應(yīng)Fe-2e^-= Fe²⁺，向U形管左側(cè)溶液中滴加幾滴鐵氰化鉀溶液，觀察到溶液中產(chǎn)生特征藍(lán)色沉淀。為檢驗(yàn)碳棒一極即正極發(fā)生反應(yīng)O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，學(xué)生向U形管右側(cè)滴加幾滴酚酞溶液，觀察到溶液變紅。

實(shí)驗(yàn)評價與反思：學(xué)生在探究金屬腐蝕過程中，從實(shí)驗(yàn)中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑥膬H看到液柱變化，到利用傳感器確定氧氣參與反應(yīng)及其變化過程中的能量變化，到能“看見”微觀電子轉(zhuǎn)移和電極反應(yīng)原理，認(rèn)知不斷提升。教師通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象多元化外顯，使金屬吸氧腐蝕原理認(rèn)知模型得到可視化剖析。

總之，學(xué)生借助傳感器開展實(shí)驗(yàn)探究活動，認(rèn)識到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的局限，深刻體驗(yàn)到顏色、氧氣、溫度等傳感器的優(yōu)勢，學(xué)會定性思考和定量分析，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案，快速且準(zhǔn)確地將不明顯的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可視化的透光率、濃度、溫度等數(shù)據(jù)證據(jù)，拓展了影響化學(xué)平衡的因素、金屬電化學(xué)腐蝕等化學(xué)原理的認(rèn)知視角，有助于學(xué)生提升化學(xué)反應(yīng)原理認(rèn)知結(jié)構(gòu)化水平。實(shí)踐證明，教師在化學(xué)課堂教學(xué)中科學(xué)應(yīng)用傳感器，使信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合，可以激發(fā)學(xué)生探索化學(xué)學(xué)科奧秘的興趣，推進(jìn)化學(xué)教學(xué)評一體化實(shí)施^[4]，提高學(xué)生宏觀辨識和微觀探析、變化觀念和平衡思想、證據(jù)推理和模型認(rèn)知、科學(xué)探究和創(chuàng)新意識水平，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)^[5]。

注：本文系中國教育學(xué)會課題“中學(xué)化學(xué)大單元設(shè)計教學(xué)評一體化實(shí)踐研究”和天津市基礎(chǔ)教育教學(xué)研究重點(diǎn)課題“基于教學(xué)評一體化化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計案例研究”的成果。

參考文獻(xiàn)

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[3] 房喻，徐端鈞.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）解讀[M].北京：高等教育出版社，2020.

[4] 唐云波.基于“教·學(xué)·評一體化”的小學(xué)科學(xué)概念教學(xué)[J].廣州：廣東教育出版社，2018.

[5] 劉月霞，郭華.深度學(xué)習(xí)：走向核心素養(yǎng)（理論普及讀本）[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018

（作者王旭達(dá)系天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)一級教師;英華系天津市河西區(qū)教師發(fā)展中心正高級教師;李海鷹系天津市實(shí)驗(yàn)中學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志