楊俊峰

摘要：以“探秘茶垢清潔劑”為例，基于項(xiàng)目式教學(xué)，對(duì)初中化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。通過探究引導(dǎo)學(xué)生了解茶垢清潔劑除垢的原理，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度影響過碳酸鈉分解速度進(jìn)行探究，建立定性、定量探究的意識(shí)。通過對(duì)茶垢清潔劑中工業(yè)制備過碳酸鈉的交流討論，加強(qiáng)和落實(shí)學(xué)生實(shí)證意識(shí)和推理能力。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；項(xiàng)目式教學(xué)；茶垢清潔劑；化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）11-0050-04

中圖分類號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.011

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project Based Learning），是將傳統(tǒng)學(xué)科體系中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合，將要掌握的知識(shí)內(nèi)容劃分成若干個(gè)獨(dú)立的教學(xué)項(xiàng)目，在教師的指導(dǎo)下，由學(xué)生分工協(xié)作，在限定的時(shí)間內(nèi)完成項(xiàng)目任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”的教學(xué)活動(dòng)。[1]在初中化學(xué)數(shù)字化技術(shù)下探秘茶垢清潔劑的實(shí)驗(yàn)探究課中，采用項(xiàng)目式教學(xué)能將學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究課的積極性調(diào)動(dòng)起來，讓學(xué)生通過每一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，體驗(yàn)初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課的趣味性、科學(xué)性、目的性，感受化學(xué)學(xué)科價(jià)值和學(xué)科魅力。

一、項(xiàng)目主題的確定

初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課，是化學(xué)多種課型模式中的一種。課堂教學(xué)中，教師通過數(shù)字化技術(shù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，既能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能錘煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力以及分析和解決問題的能力，這對(duì)于提高他們的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有很大的幫助。

探秘茶垢清潔劑的素材來源于生活中常用的一種除垢劑，所涉及的探究內(nèi)容屬于初中化學(xué)知識(shí)，具有探究價(jià)值。生活中常用清洗茶具的除垢劑有洗滌精、牙膏等，但這些除垢劑在使用過程中都需要用刷子洗刷清洗，才能把茶具清洗干凈。而茶垢清潔劑則只需用熱水浸泡幾分鐘即可除去茶垢，清洗過程既輕松又干凈，非常值得學(xué)生去探究。

基于茶垢清潔劑這一素材，讓學(xué)生在探究中了解其除垢的原理，對(duì)比洗滌精、牙膏等除垢劑的異同。通過氧氣濃度傳感器對(duì)溫度影響茶垢清潔劑中的主要成分過碳酸鈉分解快慢的探究分析，使學(xué)生建立定性、定量兩種探究意識(shí)，提升科學(xué)思維水平。通過對(duì)過碳酸鈉工業(yè)制備的交流討論，強(qiáng)化落實(shí)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)及推理能力。最終讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何正確使用茶垢清潔劑，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價(jià)值。

二、項(xiàng)目教學(xué)目標(biāo)

對(duì)于“探秘茶垢清潔劑”項(xiàng)目，為什么值得去探究，以生活中一般的清潔劑有何異同為問題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)化學(xué)知識(shí)探秘茶垢清潔劑，在探秘過程中讓學(xué)生親身體驗(yàn)用白貓洗潔精、牙膏以及茶垢清潔劑清洗茶垢，并分析洗滌劑的異同。通過探究培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手體驗(yàn)?zāi)芰Γ茖W(xué)探究能力，對(duì)比分析能力，開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。具體項(xiàng)目學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（1）通過活動(dòng)探究，增進(jìn)學(xué)生對(duì)生活中常見除垢劑的認(rèn)識(shí)，體驗(yàn)茶垢清潔劑清洗茶垢，依據(jù)所學(xué)化學(xué)知識(shí)，了解其除垢的原理，體驗(yàn)化學(xué)服務(wù)于生活，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（2）通過氧氣濃度傳感器探究不同溫度對(duì)茶垢清潔劑中過碳酸鈉分解快慢的影響，讓學(xué)生建立定性、定量探究的意識(shí)，提升科學(xué)思維水平，發(fā)展實(shí)證意識(shí)與證據(jù)推理的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（3）通過對(duì)茶垢清潔劑中過碳酸工業(yè)制備的交流討論，著力發(fā)展學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程

整個(gè)探究過程的具體項(xiàng)目流程如圖1所示。

四、項(xiàng)目實(shí)施

整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)施過程，主要表現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)過程，以及師生的行為過程記錄，從而得出項(xiàng)目活動(dòng)的實(shí)施效果。

1．尋找生活中的清潔劑

設(shè)計(jì)意圖：通過生活中常用的三種除垢劑白貓洗潔精、牙膏及茶垢清潔劑來清洗三只茶杯中茶垢，對(duì)比三種茶垢清洗的效果，增進(jìn)學(xué)生對(duì)生活中常見清潔劑的認(rèn)識(shí)。依據(jù)已有化學(xué)知識(shí)，了解除垢的原理，體驗(yàn)化學(xué)服務(wù)于生活，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

【情境導(dǎo)人】展示三只粘有茶垢的玻璃杯，詢問學(xué)生選擇用什么樣的洗滌劑來清洗茶垢？

【學(xué)生活動(dòng)】請(qǐng)三位學(xué)生到講臺(tái)前現(xiàn)場演示用白貓洗潔精、牙膏、茶垢清潔劑清洗三只粘有茶垢的玻璃杯。洗完后，三位學(xué)生分享各自除垢的感受，對(duì)哪一種清潔劑感到好奇？除垢的原理分別是什么？

【課堂展示】用大屏幕展示不同清潔劑清洗茶垢的原理（如圖2、圖3、圖4所示）。

2．認(rèn)識(shí)茶垢清潔劑的去污

設(shè)計(jì)意圖：通過在茶垢清潔劑中加入熱水，迅速產(chǎn)生大量泡沫，學(xué)生感到非常好奇，讓學(xué)生對(duì)氣體做出合理的猜想。在此基礎(chǔ)上運(yùn)用初中化學(xué)現(xiàn)有知識(shí)，對(duì)氣體進(jìn)行檢驗(yàn)，得出茶垢清潔與熱水混合產(chǎn)生氧氣。通過實(shí)驗(yàn)探究強(qiáng)化學(xué)生的合作意識(shí)、責(zé)任意識(shí)、安全意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)證意識(shí)和證據(jù)推理的核心素養(yǎng)。

【查閱資料】茶垢清潔劑：主要成分為過碳酸鈉（其化學(xué)式可用2Na2CO3·3H2O2表示），外觀為白色結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，具有Na2CO3和H2O2的雙重性質(zhì)，其易溶于水，難溶于異丙醇。

【學(xué)生活動(dòng)】將裝有10 g茶垢清潔劑的錐形瓶，倒人5 mL的熱水，并立即塞進(jìn)橡皮塞，觀察錐形瓶中的現(xiàn)象。產(chǎn)生的氣體可能是什么呢？

【提出猜想】根據(jù)化學(xué)反應(yīng)前后元素種類不變，判斷可能是氧氣、二氧化碳、氫氣或一氧化碳。

【思考分析】老師提醒學(xué)生對(duì)于以上四種氣體，都是合理的猜想嗎？有學(xué)生認(rèn)為猜想中的氫氣是一種化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的氣體，遇明火易爆炸，所以茶垢清潔劑與熱水產(chǎn)生的氣體不應(yīng)該是氫氣。還有學(xué)生提出也不可能是一氧化碳，因?yàn)橐谎趸际且环N有毒氣體，如果茶垢清潔劑與熱水混合產(chǎn)生一氧化碳，那么產(chǎn)生的氣體會(huì)使人中毒，所以也應(yīng)該排除。最終可能是氧氣或二氧化碳?xì)怏w。

【實(shí)驗(yàn)論證】通過將產(chǎn)生的氣體通人澄清石灰水，澄清石灰水沒有變渾濁，由此判斷氣體不是二氧化碳。再將帶火星的木條伸人錐形瓶中，木條復(fù)燃，則該氣體為氧氣。

【提出質(zhì)疑】為什么使用茶垢清潔劑清洗茶垢用熱水效果好？

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】根據(jù)學(xué)生們的分析，在坐標(biāo)系中畫出茶垢清潔劑加入冷水和熱水反應(yīng)產(chǎn)生氧氣濃度的變化曲線圖。

【實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證】利用氧氣濃度傳感器，采用控制變量法，分別向盛有同種、等量的茶垢清潔劑的兩個(gè)密閉錐形瓶中同時(shí)傾人等量冷、熱水（如圖5和圖6所示），觀察氧氣濃度的變化曲線。

【得出結(jié)論】通過氧氣濃度傳感器采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，截圖（如圖7和圖8所示），可知茶垢清潔劑中加入冷水，產(chǎn)生氧氣的速率緩慢，濃度很低。加入熱水，產(chǎn)生氧氣的速率較快，濃度很高，足以能使帶火星的木條復(fù)燃。因此，在使用茶垢清潔劑清洗茶垢時(shí)，用熱水清洗的效果要比冷水的效果好。借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器氧氣濃度傳感器的使用，能讓學(xué)生建立定性、定量探究的意識(shí)，提升良好的科學(xué)思維品質(zhì)，發(fā)展實(shí)證意識(shí)與證據(jù)推理化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

3．揭示茶垢清潔劑中過碳酸鈉的制備

設(shè)計(jì)意圖：通過溫度的高低對(duì)茶垢清潔劑中過碳酸鈉的制備產(chǎn)率的影響分析，讓學(xué)生理解溫度是影響化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物的一個(gè)重要因素。了解工業(yè)生產(chǎn)中碳酸鈉與過氧化氫的質(zhì)量比不同，直接影響過碳酸鈉的產(chǎn)率，讓學(xué)生理解反應(yīng)物的質(zhì)量是影響化學(xué)反應(yīng)的另一重要影響因素。從而，生產(chǎn)中既要能讓原料得到充分利用，又不會(huì)產(chǎn)生多余的廢物排放。通過實(shí)驗(yàn)分析培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的化學(xué)核心素養(yǎng)。

【查閱資料】過碳酸鈉難溶于異丙醇，可溶于水，易發(fā)生反應(yīng)：2Na2CO3·3H2O2=2Na2CO3+3H2O2；工業(yè)上常以所含活性氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：即過氧化氫的質(zhì)量與樣品的質(zhì)量的百分比來衡量過碳酸鈉產(chǎn)品的優(yōu)劣。

【制備流程】（如圖9所示）。

【交流討論】

1．在工業(yè)流程中實(shí)驗(yàn)測定反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物的影響如表1所示：

（1）根據(jù)表1數(shù)據(jù)，你認(rèn)為反應(yīng)最佳的溫度范圍是____。

（2）嘗試分析溫度越高或越低，得到過碳酸鈉的產(chǎn)率都會(huì)偏低的原因。

2．在工業(yè)生產(chǎn)中碳酸鈉與過氧化氫的質(zhì)量比不同，會(huì)直接影響過碳酸鈉的產(chǎn)率，進(jìn)而影響活性氧的含量。

（1）請(qǐng)根據(jù)過碳酸鈉的化學(xué)式2Na2CO3·3H2O2（相對(duì)原子質(zhì)量：Na-23 C-12 0-16 H-1），試計(jì)算過碳酸鈉生產(chǎn)過程中理論上需要碳酸鈉與過氧化氫的質(zhì)量比為____。

（2）實(shí)際生產(chǎn)中碳酸鈉與過氧化氫的質(zhì)量比與產(chǎn)物過碳酸鈉的產(chǎn)率關(guān)系如表2所示。

請(qǐng)根據(jù)表中數(shù)據(jù)說明碳酸鈉和過氧化氫的最佳投料的質(zhì)量比為____。

【總結(jié)交流】根據(jù)表2數(shù)據(jù)，反應(yīng)最佳的溫度范圍是15～20℃。因?yàn)闇囟冗^高過氧化氫易分解，產(chǎn)率偏低；溫度過低反應(yīng)速率較慢，產(chǎn)率也會(huì)偏低。過碳酸鈉生產(chǎn)過程中理論上需要碳酸鈉與過氧化氫的質(zhì)量比為：2x（23x2+12+16x3）：3x（lx2+16x2）=106：51。根據(jù)表中數(shù)據(jù)說明碳酸鈉和過氧化氫的最佳投料的質(zhì)量比為106：57.8，這樣生產(chǎn)既能讓原料得到充分利用，又不會(huì)產(chǎn)生多余的廢物排放。

五、結(jié)語

探秘茶垢清潔劑是一節(jié)基于初中化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)的實(shí)驗(yàn)探究課。本節(jié)課采用項(xiàng)目式教學(xué)模式進(jìn)行，既是一次教學(xué)創(chuàng)新也是一次教學(xué)革新。如何設(shè)計(jì)好本節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課，既要考慮初中學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平，又要結(jié)合學(xué)生生活中常用且感興趣的化學(xué)物質(zhì)來進(jìn)行探究，才有探究的價(jià)值。在溶液章節(jié)中學(xué)生已經(jīng)具備了洗潔精在清洗污垢中具有乳化作用的認(rèn)知。在除垢劑的使用中，茶垢清潔劑無疑具有洗潔精和牙膏不具備的優(yōu)點(diǎn)，去除污垢可以不用洗刷，只需浸泡幾分鐘即可。而且在除垢的過程中產(chǎn)生的氣泡，又能激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)化學(xué)的學(xué)習(xí)顯得尤為重要。

本節(jié)項(xiàng)目式教學(xué)課，是以學(xué)生為主體，圍繞一個(gè)主題展開活動(dòng)。讓學(xué)生圍繞探秘茶垢清潔劑設(shè)計(jì)三個(gè)子項(xiàng)目學(xué)習(xí)，加強(qiáng)每個(gè)小組學(xué)生之間的合作探究能力，以及師生之間共同協(xié)作探究能力。學(xué)生的探究活動(dòng)在老師的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)基礎(chǔ)上得到升華，將學(xué)生不能動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的探究在老師的輔助下得到補(bǔ)充，而且將學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究中的困惑得到解決。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究無疑是科學(xué)的、有說服力的實(shí)驗(yàn)探究。通過氧氣濃度傳感器對(duì)茶垢清潔劑在冷水和熱水中反應(yīng)產(chǎn)生氧氣的濃度進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測定，并用曲線表征，提升了學(xué)生的證據(jù)推理能力和用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)定性、定量解釋為什么在使用茶垢清潔劑時(shí)用熱水效果更好的理由。

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*本文系江蘇省蘇州市2021年度“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“手持技術(shù)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（2021/LX/02/163/04）的階段性研究成果。