摘 要： 基于“四重表征”教學(xué)模式，借助數(shù)字化傳感器，從pH、離子濃度和能量變化三個(gè)角度，設(shè)計(jì)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)酸堿中和反應(yīng)體系進(jìn)行全面探究。將傳感器所呈現(xiàn)的微觀圖像與指示劑的宏觀變色現(xiàn)象相結(jié)合進(jìn)行分段式數(shù)據(jù)分析，并進(jìn)行符號(hào)表征，幫助學(xué)生全面理解和掌握酸堿中和反應(yīng)的變化本質(zhì)，旨在發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維、落實(shí)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 酸堿中和反應(yīng)； 四重表征； 數(shù)字化傳感器

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）11-0075-06

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1 問題的提出

酸堿中和反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的重要反應(yīng)類型，反應(yīng)過程中存在較復(fù)雜的物質(zhì)變化與能量變化。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)往往只局限于宏觀指示劑的變色現(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)的本質(zhì)沒有進(jìn)行深入的剖析，加上由于學(xué)生自身的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析和推理能力欠佳等問題，導(dǎo)致其無(wú)法正確理解酸堿中和反應(yīng)的微觀本質(zhì)［1，2］。

手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)具有實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀、便攜等特點(diǎn)［3］，能將實(shí)驗(yàn)中的微觀變化以圖像的形式呈現(xiàn)，有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)難點(diǎn)、突破化學(xué)知識(shí)的認(rèn)知難點(diǎn)、提升概念認(rèn)知的發(fā)展水平［4］。為了更好地發(fā)揮手持技術(shù)的作用，錢揚(yáng)義等［5］提出“四重表征”教學(xué)模式，從 “宏觀-微觀-符號(hào)-圖像”四個(gè)維度對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行表征，將化學(xué)反應(yīng)的宏觀現(xiàn)象與傳感器的圖像相結(jié)合，分析反應(yīng)的微觀本質(zhì)。該模式有利于培養(yǎng)學(xué)生基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測(cè)物質(zhì)及其變化的思維能力。

目前，已有不少教師利用手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)酸堿中和反應(yīng)進(jìn)行了研究。如王曉芳等［6］對(duì)手持技術(shù)在我國(guó)近20年的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀作了分析，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在化學(xué)中的應(yīng)用提供參考；鄒麗丹、馬慧、李文良等［7～9］運(yùn)用手持技術(shù)對(duì)酸堿中和反應(yīng)體系的pH變化進(jìn)行了探討和相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生從微觀層面理解酸堿中和反應(yīng)；彭豪、陳德權(quán)等［10，11］有效運(yùn)用“四重表征”的教學(xué)模式，結(jié)合手持技術(shù)對(duì)酸堿中和反應(yīng)中的pH變化進(jìn)行探究，進(jìn)一步提升了教學(xué)效果。但現(xiàn)有

研究大多只從pH這一角度進(jìn)行探討，

對(duì)反應(yīng)本質(zhì)的分析尚不全面。

基于此，本文將以“四重表征”為教學(xué)模式，利用手持技術(shù)傳感器，選擇學(xué)生最熟悉的NaOH和HCl反應(yīng)為研究對(duì)象，利用紫色石蕊試液提供反應(yīng)時(shí)的宏觀現(xiàn)象，從pH、離子濃度、能量變化三個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)多組適合教師演示的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生多角度全方位地對(duì)酸堿中和反應(yīng)的本質(zhì)進(jìn)行理解和掌握，提升課堂教學(xué)效果。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

酸堿中和反應(yīng)中存在較復(fù)雜的物質(zhì)變化與能量變化。物質(zhì)變化主要體現(xiàn)在氫離子與氫氧根離子結(jié)合生成水，這會(huì)導(dǎo)致體系的pH和離子濃度發(fā)生變化；能量變化主要體現(xiàn)在該反應(yīng)是一個(gè)典型的放熱反應(yīng)。本研究將從pH、離子濃度和能量變化三個(gè)角度，設(shè)計(jì)多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，揭示該反應(yīng)的本質(zhì)。

角度一：酸堿中和反應(yīng)體系pH變化的探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。借助pH傳感器，記錄反應(yīng)時(shí)pH的變化規(guī)律。同時(shí)設(shè)計(jì)酸與堿稀釋時(shí)pH的變化作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，比較酸堿反應(yīng)與稀釋作用對(duì)體系pH影響的差異。

角度二：酸堿中和反應(yīng)體系離子濃度變化的探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。溶液的離子濃度與其導(dǎo)電性呈正相關(guān)，利用電導(dǎo)率傳感器可反映離子濃度的變化規(guī)律。同時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究體系中水的生成以及離子的增加對(duì)溶液導(dǎo)電性的影響。

角度三：酸堿中和反應(yīng)體系能量變化的探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。借助溫度傳感器，記錄反應(yīng)時(shí)溫度的變化規(guī)律。同時(shí)設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，排除因稀釋作用以及Na+與Cl-之間的作用而導(dǎo)致溫度變化的可能性。

實(shí)驗(yàn)中，HCl與NaOH溶液的濃度均為0.1mol/L，考慮到此濃度的酸和堿反應(yīng)放出熱量并不明4crP3CdG84XL9yj7rhN3lQ==顯，故選擇溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的兩種溶液來(lái)探究溫度的變化。整體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以“四重表征”為教學(xué)模式，其設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)藥品與裝置

實(shí)驗(yàn)藥品：0.1mol/L HCl溶液、0.1mol/L NaOH溶液、0.1mol/L NaCl溶液、10% Na2SO4溶液、10% KCl溶液、10% HCl溶液、10% NaOH溶液、紫色石蕊試劑、去離子水

實(shí)驗(yàn)儀器：100mL燒杯×2、250mL燒杯×2、50mL酸式滴定管、50mL堿式滴定管、10mL量筒、50mL量筒、磁力攪拌器、磁力攪拌子、膠頭滴管、朗威傳感器（pH、電導(dǎo)率、溫度）、數(shù)據(jù)采集器、電腦及配套軟件（DISLab 8.0）

裝置如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

按圖2所示組裝好實(shí)驗(yàn)儀器、對(duì)應(yīng)的傳感器、數(shù)據(jù)采集器及電腦軟件，設(shè)置采樣參數(shù)，添加圖像坐標(biāo)以及數(shù)據(jù)表格。反應(yīng)過程中利用磁力攪拌裝置，轉(zhuǎn)速為300rpm。

4.1 酸堿中和反應(yīng)體系pH的變化

4.1.1 酸堿反應(yīng)pH的變化

（1） 選擇pH傳感器；

（2） 向燒杯中加入20mL 0.1mol/L NaOH溶液、5滴紫色石蕊試液，向滴定管中加入30mL 0.1mol/L HCl溶液；

（3） 運(yùn)行軟件采集數(shù)據(jù)，打開滴定管，觀察pH圖像變化；

（4） 將燒杯與滴定管中的物質(zhì)對(duì)調(diào)，重復(fù)步驟（1）至（3）。

4.1.2 pH變化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

（1） 同4.1.1中的步驟（1）；

（2） 向燒杯中加入2mL 0.1mol/L NaOH溶液；

（3） 運(yùn)行軟件采集數(shù)據(jù)，用量筒分多次量取50mL去離子水加入燒杯，觀察pH圖像變化；

（4） 待pH變化非常緩慢，用燒杯分多次量取250mL去離子水加入，觀察pH圖像變化；

（5） 將燒杯中換成2mL 0.1mol/L HCl溶液，重復(fù)步驟（1）至（4）。

4.2 酸堿中和反應(yīng)體系離子濃度的變化

4.2.1 酸堿反應(yīng)電導(dǎo)率的變化

選擇電導(dǎo)率傳感器，步驟與4.1.1中的步驟（1）至（3）基本相同，觀察電導(dǎo)率圖像的變化。

4.2.2 電導(dǎo)率變化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

（1） 選擇電導(dǎo)率傳感器；

（2） 向燒杯中加入20mL 0.1mol/L NaOH溶液、5滴紫色石蕊試液，用滴定管向燒杯中滴加30mL的去離子水，觀察電導(dǎo)率圖像的變化；

（3） 將上述步驟中20mL 0.1mol/L NaOH換成20mL 0.1mol/L NaCl溶液，30mL去離子水換成30mL 0.1mol/L HCl溶液，重復(fù)步驟（1）和（2）。

4.3 酸堿中和反應(yīng)體系能量的變化

4.3.1 酸堿反應(yīng)溫度的變化

（1） 選擇溫度傳感器；

（2） 向燒杯中加入20mL 10% NaOH溶液、5滴紫色石蕊試液，向滴定管中加入30mL 10% HCl溶液；

（3） 運(yùn)行軟件采集數(shù)據(jù)，打開滴定管，觀察溫度圖像變化。

4.3.2 溫度變化的對(duì)比實(shí)驗(yàn)

（1） 將滴定管中的HCl溶液換成等量的去離子水，重復(fù)4.3.1的步驟；

（2） 將4.3.1中的20mL 10% NaOH溶液換成20mL 10% Na2SO4溶液，30mL 10% HCl溶液換成30mL 10% KCl溶液，重復(fù)4.3.1的步驟。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中的宏觀現(xiàn)象能夠通過指示劑的變色情況直觀地反映。將實(shí)驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，結(jié)果如下。

5.1 酸堿反應(yīng)pH的變化及對(duì)比實(shí)驗(yàn)

酸堿反應(yīng)pH變化及對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖3、圖4及表1、表2所示。

5.2 酸堿反應(yīng)電導(dǎo)率的變化及對(duì)比實(shí)驗(yàn)

酸堿反應(yīng)電導(dǎo)率變化及對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖5及表3所示。

5.3 酸堿反應(yīng)溫度的變化及對(duì)比實(shí)驗(yàn)

酸堿反應(yīng)溫度變化及對(duì)比實(shí)驗(yàn)如圖6及表4所示。

6 小結(jié)

本文在“四重表征”教學(xué)模式框架下，借助數(shù)字傳感器，從三個(gè)不同角度設(shè)計(jì)了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)酸堿中和反應(yīng)的本質(zhì)進(jìn)行了探究。實(shí)驗(yàn)中選擇了NaOH和HCl作為研究對(duì)象，利用紫色石蕊試液提供宏觀變色現(xiàn)象，借助pH、電導(dǎo)率、溫度傳感器呈現(xiàn)微觀變化圖像，將宏觀現(xiàn)象與變化圖像相結(jié)合分析酸堿反應(yīng)的微觀本質(zhì)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，排除反應(yīng)過程中可能會(huì)對(duì)學(xué)生理解反應(yīng)本質(zhì)造成干擾的因素，有助于學(xué)生更好地掌握反應(yīng)本質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、邏輯清晰、可重復(fù)性高，便于教師演示。

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