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        “二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2017-11-14 08:50:09周文榮
        化學(xué)教學(xué) 2017年10期
        關(guān)鍵詞:數(shù)字化技術(shù)氫氧化鈉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        周文榮

        摘要:以初中化學(xué)“二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)”為例,分析對(duì)該實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),從四個(gè)不同視角設(shè)計(jì)數(shù)字技術(shù)用于二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,從證據(jù)意識(shí)、學(xué)科本質(zhì)、技術(shù)運(yùn)用、信息素養(yǎng)四個(gè)維度作思考,旨在樹立探究無(wú)明顯現(xiàn)象反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)意識(shí),加深對(duì)學(xué)科本質(zhì)的理解,促進(jìn)數(shù)字技術(shù)運(yùn)用,提升化學(xué)信息素養(yǎng)。

        關(guān)鍵詞:二氧化碳;氫氧化鈉;無(wú)明顯現(xiàn)象反應(yīng);數(shù)字化技術(shù);實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        文章編號(hào):1005–6629(2017)10–0058–06 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        觀察是化學(xué)學(xué)習(xí)的重要方法[1]。對(duì)于有明顯現(xiàn)象的反應(yīng),可以通過(guò)觀察獲得直接的證據(jù),例如對(duì)物質(zhì)的狀態(tài)與顏色的變化、發(fā)光、發(fā)熱、形成煙霧、放出氣體、生成沉淀等進(jìn)行分析、推理和歸納等。然而,有些化學(xué)反應(yīng)沒有明顯的現(xiàn)象,一些教師便輕描淡寫一帶而過(guò),取而代之的是大量機(jī)械訓(xùn)練,缺失了讓學(xué)生自主探究、自主體驗(yàn)的機(jī)會(huì),阻礙了學(xué)生學(xué)科能力、學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。如何探究沒有明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生過(guò)程,關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)從“無(wú)”到“有”的轉(zhuǎn)化。通過(guò)改變視角,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生明顯現(xiàn)象,收集間接證據(jù)從而來(lái)證明。筆者著重以CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O反應(yīng)為例,思考“探究無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生”的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

        1 探究“二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)評(píng)述

        1.1 研究現(xiàn)狀

        二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)是初中化學(xué)常見而又重要的反應(yīng),許多一線教師拓寬視角,深入挖掘,設(shè)計(jì)了系列方法來(lái)探究該反應(yīng)的發(fā)生。常見的方法有以下五種類型:

        1.1.1 產(chǎn)物檢驗(yàn)法

        產(chǎn)物檢驗(yàn)法主要是根據(jù)產(chǎn)物的性質(zhì),通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)是否有碳酸鈉生成,從而獲得證據(jù)證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。常見的方法見表1。

        1.1.2 壓強(qiáng)變化法

        壓強(qiáng)變化法是指在密閉容器中由于二氧化碳的消耗導(dǎo)致壓強(qiáng)變化,從而利用壓強(qiáng)變化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生明顯現(xiàn)象的方法。常見的方法見表2。

        由于氫氧化鈉溶液中含有水,水也可以吸收一些二氧化碳?xì)怏w,導(dǎo)致壓強(qiáng)減小,因此,許多教師設(shè)計(jì)了對(duì)照實(shí)驗(yàn)來(lái)排除水的干擾。常見方法見表3。

        1.1.3 定量測(cè)定法

        在通常情況下,1體積水中大約能溶解1體積二氧化碳?xì)怏w。定量測(cè)定法是利用一定體積的二氧化碳與一定體積的氫氧化鈉溶液反應(yīng),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)二氧化碳減少的體積來(lái)證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。常見方法見表4。

        1.1.4 直接證明法

        二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是在水溶液中進(jìn)行的。由于生成物碳酸鈉也易溶于水,所以觀察不到明顯明顯反應(yīng)現(xiàn)象。一些教師設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)進(jìn)行直接證明,效果明顯。具體方法見表5。

        1.1.5 pH檢驗(yàn)法

        pH檢驗(yàn)法主要是通過(guò)滴加酚酞試液、使用pH試紙、pH計(jì)(如圖1)、pH傳感器等方法,通過(guò)觀察顏色變化或pH的變化來(lái)證明CO2與NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng)。

        1.2 發(fā)展趨勢(shì)

        縱觀上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),一線教師在實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新上進(jìn)行了非常細(xì)致的、有深度的研究,為后續(xù)研究提供了寶貴的學(xué)習(xí)資源和借鑒機(jī)會(huì)。同時(shí),也給后續(xù)進(jìn)一步研究留下了一定的空間。

        (1)已有的研究主要集中在密閉容器壓強(qiáng)的變化、產(chǎn)物的檢驗(yàn)、pH的變化等視角,對(duì)于CO2濃度的變化、反應(yīng)體系能量的變化等視角還有很大的研究空間。

        (2)已有的研究主要以反應(yīng)的結(jié)果作為間接證據(jù),無(wú)法將CO2與NaOH反應(yīng)的過(guò)程從數(shù)據(jù)和視覺上連續(xù)地呈現(xiàn)出來(lái)。同時(shí),無(wú)法體現(xiàn)反應(yīng)過(guò)程中CO2濃度、反應(yīng)體系壓強(qiáng)、反應(yīng)體系能量之間的同步變化情況。

        (3)已有的研究主要集中在對(duì)裝置的設(shè)計(jì)和改進(jìn)上,雖然也有一些教師嘗試使用傳感器對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究,但主要還是停留在某一方面的視角上。隨著科技的發(fā)展,實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新逐漸從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代,數(shù)字技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,為系統(tǒng)地、多視角地探究CO2與NaOH發(fā)生反應(yīng)拓展了空間。

        2 探究數(shù)字技術(shù)用于CO2與NaOH反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦及相關(guān)應(yīng)用軟件構(gòu)成。壓強(qiáng)傳感器、二氧化碳傳感器、溫度傳感器、pH傳感器分別用于檢測(cè)密閉體系內(nèi)的氣壓、CO2濃度、溫度、溶液的pH變化,并以數(shù)字、曲線等多種形式形象地顯示出來(lái)。

        2.1 反應(yīng)容器內(nèi)壓強(qiáng)變化的視角

        2.1.1 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥品

        實(shí)驗(yàn)儀器:具支錐形瓶、注射器、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

        實(shí)驗(yàn)藥品:氫氧化鈉溶液、石灰石、稀鹽酸

        2.1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

        2.1.3 操作要點(diǎn)

        (1)檢查裝置氣密性。

        (2)按圖2連接好裝置,在具支錐形瓶中收集CO2氣體,設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。

        (3)將NaOH溶液全部推入具支錐形瓶中,點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕,觀察電腦屏幕上的曲線變化。endprint

        (4)將注射器中的NaOH溶液換成等量的水重復(fù)上面的操作。

        2.1.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3,由壓強(qiáng)傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì),且CO2與NaOH反應(yīng)比CO2與水反應(yīng)變化更明顯。上述現(xiàn)象從密閉容器內(nèi)壓強(qiáng)減小的視角說(shuō)明CO2和NaOH溶液發(fā)生了反應(yīng),而不僅僅是溶于水或與水發(fā)生了反應(yīng)。

        2.2 反應(yīng)物CO2濃度變化的視角

        2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥品

        實(shí)驗(yàn)儀器:三頸燒瓶、注射器、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、CO2傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

        實(shí)驗(yàn)藥品:NaOH溶液、石灰石、稀鹽酸

        2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置見圖4。

        2.2.3 操作要點(diǎn)

        實(shí)驗(yàn)操作步驟同“利用壓強(qiáng)傳感器探究CO2與NaOH反應(yīng)”。

        2.2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖5,由CO2傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì),且CO2與NaOH反應(yīng)比CO2與水反應(yīng)變化更明顯。上述現(xiàn)象從反應(yīng)物CO2濃度的減少視角說(shuō)明了CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng),而不僅僅是溶于水或與水發(fā)生了反應(yīng)。(說(shuō)明:目前中學(xué)實(shí)驗(yàn)室使用的各種品牌的CO2傳感器量程最大為100000ppm,所以一開始CO2濃度和時(shí)間曲線看似沒有變化,實(shí)際上也是呈不斷下降趨勢(shì)的。)

        2.3 反應(yīng)物NaOH濃度變化的視角

        2.3.1 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥品

        實(shí)驗(yàn)儀器:燒杯、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、pH傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

        實(shí)驗(yàn)藥品:NaOH溶液、石灰石、稀鹽酸

        2.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置見圖6。

        2.3.3 操作要點(diǎn)

        (1)在錐形瓶和分液漏斗中加適量大理石和稀鹽酸,將pH傳感器、裝有NaOH溶液的錐形瓶、數(shù)據(jù)采集器及電腦連接好,設(shè)置好采集頻率、采集時(shí)間。(說(shuō)明:基于初中學(xué)生的已有基礎(chǔ),同時(shí)考慮到在課上演示的實(shí)驗(yàn)效果,本實(shí)驗(yàn)使用pH在12~13之間的NaOH溶液。)

        (2)打開分液漏斗活塞,把稀鹽酸滴入錐形瓶中,點(diǎn)擊電腦屏幕上的“開始采集”按鈕,觀察電腦屏幕上的曲線變化。

        2.3.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7,由pH傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷下降的趨勢(shì)。此現(xiàn)象從另一個(gè)反應(yīng)物NaOH中OH-離子濃度減少的視角說(shuō)明了CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng)。

        2.4 反應(yīng)能量變化的視角

        2.4.1 實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)藥品

        實(shí)驗(yàn)儀器:錐形瓶、注射器、分液漏斗、錐形瓶、導(dǎo)管、橡皮塞、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電腦

        實(shí)驗(yàn)藥品:NaOH溶液、石灰石、稀鹽酸

        2.4.2 實(shí)驗(yàn)裝置

        實(shí)驗(yàn)裝置見圖8。

        2.4.3 操作要點(diǎn)

        實(shí)驗(yàn)操作步驟同“利用壓強(qiáng)傳感器探究CO2與NaOH反應(yīng)”。

        2.4.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)論

        實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖9,由溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)繪制成的曲線呈不斷上升的趨勢(shì),且CO2與NaOH反應(yīng)比CO2與水反應(yīng)變化更明顯。上述現(xiàn)象從能量變化的視角說(shuō)明了CO2和NaOH發(fā)生了反應(yīng),而不僅僅是溶于水或與水發(fā)生了反應(yīng)。

        3 基于探究CO2與NaOH反應(yīng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思考

        3.1 樹立反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)意識(shí)

        探究沒有明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生過(guò)程,要注重培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí),能對(duì)物質(zhì)的變化提出可能的假設(shè),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)收集證據(jù),基于證據(jù)進(jìn)行分析推理加以證實(shí)或證偽。證據(jù)的類型可以是感官感知的,也可以是借助技術(shù)記錄的。探究化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的證據(jù)見表6。

        3.2 體現(xiàn)化學(xué)變化的學(xué)科本質(zhì)

        從宏觀的角度,化學(xué)變化不僅僅有新物質(zhì)的生成,還常常伴隨著能量、壓強(qiáng)、濃度等的變化。CO2與NaOH反應(yīng)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)幫助我們從多個(gè)維度探究反應(yīng)的發(fā)生,體現(xiàn)了化學(xué)變化的學(xué)科本質(zhì)。從化學(xué)變化的學(xué)科本質(zhì)出發(fā),還可以設(shè)計(jì)如圖10裝置,具體操作同“利用壓強(qiáng)傳感器探究CO2與NaOH反應(yīng)”,現(xiàn)象同圖3、圖5、圖9。

        通過(guò)此實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)了觀察氣壓、CO2濃度、溫度三者的同步變化。

        3.3 拓展實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的技術(shù)視角

        創(chuàng)新實(shí)踐是中國(guó)學(xué)生發(fā)展六大核心素養(yǎng)之一,傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新重點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)裝置的整合與改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)試劑的選擇及實(shí)驗(yàn)原理的完善上。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn),可讓化學(xué)實(shí)驗(yàn)從傳統(tǒng)走向現(xiàn)代,為實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)拓展了創(chuàng)新的視角。通過(guò)不同類型傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器中用眼、手、紙和筆對(duì)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)的記錄和分析,為無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)設(shè)計(jì)“可視化”過(guò)程的實(shí)驗(yàn)打開了方便之門,為對(duì)照實(shí)驗(yàn)同步化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持,為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器無(wú)法完成的定量實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了有力保障。

        3.4 提升學(xué)生發(fā)展的信息素養(yǎng)

        隨著信息技術(shù)的發(fā)展,人類進(jìn)入了信息時(shí)代。化學(xué)信息素養(yǎng)是現(xiàn)代社會(huì)人所必須具備的基本信息素養(yǎng),是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和化學(xué)學(xué)習(xí)能力的重要組成部分,它與學(xué)生理解化學(xué)學(xué)科、學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)探究、解決化學(xué)問題等化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的形成是互相融合的,是化學(xué)教學(xué)必須協(xié)同培養(yǎng)的基本素養(yǎng)之一[4]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是滲透師生信息素養(yǎng)培育的有效途徑。教師利用數(shù)字技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí),在關(guān)注學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)的同時(shí),要注重引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用技術(shù)來(lái)解決問題,通過(guò)把技術(shù)的功能與學(xué)科知識(shí)相結(jié)合,讓學(xué)生把技術(shù)作為獲取知識(shí)和加工信息、解決問題的工具,從而有效提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王祖浩主編.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)(九年級(jí)上冊(cè))[M].上海:上海教育出版社,2012:10.

        [2]趙永勝,朱莉.驗(yàn)證二氧化碳與氫氧化鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案[J].化學(xué)教與學(xué),2013,(12):85~88.

        [3]陳立銘,李德前.基于量的角度設(shè)計(jì)“氫氧化鈉溶液與二氧化碳反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)[J].化學(xué)教育,2014,(23):50~51.

        [4]劉江田.化學(xué)信息素養(yǎng)及其考查途徑與培養(yǎng)策略[J].化學(xué)教育,2008,(12):27~30.endprint

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