摘" 要" 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以借助傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中數(shù)據(jù)的變化，將不可見(jiàn)的“離子反應(yīng)概念”變?yōu)榭梢?jiàn)的數(shù)據(jù)變化。旨在提供一種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法，助力離子反應(yīng)概念的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生完成對(duì)離子反應(yīng)實(shí)質(zhì)知識(shí)的理解和遷移。

關(guān)鍵詞" 高中化學(xué)；離子反應(yīng)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.8" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）03-0119-04

0" 引言

化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，而化學(xué)實(shí)驗(yàn)是體現(xiàn)學(xué)生能動(dòng)性的主要實(shí)踐活動(dòng)[1]。化學(xué)的學(xué)科特點(diǎn)決定了實(shí)驗(yàn)是化學(xué)課程中必不可少的一部分?！镀胀{中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出：“通過(guò)以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，強(qiáng)化科學(xué)探究意識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。”同樣強(qiáng)調(diào)了開(kāi)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性[2]。因此，在化學(xué)概念的學(xué)習(xí)中，借助實(shí)驗(yàn)手段，輔助學(xué)生理解知識(shí)、培養(yǎng)綜合實(shí)踐能力，是化學(xué)教師應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)。

離子反應(yīng)作為高中必修的開(kāi)篇內(nèi)容，為中學(xué)階段化學(xué)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)，占有極其重要的地位。溶液體系是化學(xué)反應(yīng)的重要場(chǎng)所，也是高中化學(xué)重要的研究對(duì)象。在高中階段，學(xué)生將逐步建立分析溶液體系的思路方法：分析溶液體系中的物質(zhì)（溶質(zhì)、溶劑）—分析體系中的微?！茰y(cè)微粒間的相互作用—基于現(xiàn)象證據(jù)分析相互作用的結(jié)果—形成對(duì)溶液體系變化過(guò)程的合理解釋。電解質(zhì)這節(jié)課是溶液認(rèn)識(shí)的開(kāi)端課，學(xué)生從宏觀認(rèn)識(shí)溶液中的溶質(zhì)、溶劑，發(fā)展到基于電離認(rèn)識(shí)溶液中的微粒，再到基于離子反應(yīng)理解微粒間的相互作用。在選擇性必修階段，學(xué)生還要發(fā)展根據(jù)電離的強(qiáng)弱程度，判斷體系中的微粒種類和數(shù)量；根據(jù)化學(xué)平衡原理，理解溶液中微粒間多種相互作用的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

相較于初中化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，高中化學(xué)涵蓋的知識(shí)內(nèi)容既多又繁，這種情況會(huì)使學(xué)生在學(xué)習(xí)中產(chǎn)生畏難情緒。尤其剛踏入高中的學(xué)生很難形成“離子觀”，不能真正理解物質(zhì)在溶液中以離子的形式存在這一知識(shí)。如果在高一階段無(wú)法掌握離子反應(yīng)的基礎(chǔ)，高二階段的學(xué)習(xí)則更難理解。化學(xué)教師可以利用多樣化的教學(xué)手段展示教學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生更好地理解和掌握所學(xué)習(xí)的知識(shí)，使其更快地進(jìn)入有效學(xué)習(xí)狀態(tài)[3]。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一部分，可以借助傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中數(shù)據(jù)（如氣體壓強(qiáng)，溫度等）的變化，并通過(guò)軟件展示數(shù)據(jù)[4]，將不可見(jiàn)的“概念知識(shí)”變?yōu)榭梢?jiàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，這更有助于化學(xué)概念的理解和遷移。本文從實(shí)驗(yàn)教學(xué)角度出發(fā)，旨在提供一種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法，助力離子反應(yīng)概念的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生完成對(duì)離子反應(yīng)實(shí)質(zhì)知識(shí)的理解和遷移。

1" 高中化學(xué)中離子反應(yīng)的內(nèi)容及其教學(xué)價(jià)值

高中階段對(duì)于離子反應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容主要涉及兩個(gè)方面：強(qiáng)弱電解質(zhì)和離子反應(yīng)。對(duì)應(yīng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》中的具體要求為：“學(xué)生要知道酸、堿、鹽在水溶液中能發(fā)生電離，能通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件，了解常見(jiàn)離子的檢驗(yàn)方法。”此外，不同版本的教材對(duì)于離子反應(yīng)也有獨(dú)特的安排，

如：人教版[5]中將離子反應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容安排在第一章第二節(jié)，將離子反應(yīng)作為獨(dú)立的章節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)；魯科版[6]中將離子反應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容安排在第二章第二節(jié)；蘇教版[7]中將離子反應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容安排在第三章第二單元。

這三個(gè)版本的教材在課程設(shè)計(jì)中均將離子反應(yīng)章節(jié)安排在“物質(zhì)的分類”學(xué)習(xí)內(nèi)容之后，“元素及其化合物”學(xué)習(xí)內(nèi)容之前。這樣可幫助學(xué)生理解元素化合物發(fā)生反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，同時(shí)深化對(duì)離子反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

離子反應(yīng)是高中化學(xué)的重要知識(shí)點(diǎn)，貫穿整個(gè)高中階段，這一知識(shí)點(diǎn)在高中化學(xué)的教學(xué)過(guò)程中起到承上啟下的作用。本章的學(xué)習(xí)需要完成以下學(xué)生對(duì)于離子反應(yīng)的學(xué)習(xí)，是為從微觀理解反應(yīng)原理、培養(yǎng)抽象思維能力打基礎(chǔ)。

2" 本部分內(nèi)容對(duì)《課程標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)要求的

體現(xiàn)

2.1" 所對(duì)應(yīng)的《課程標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)主題

本節(jié)內(nèi)容直接對(duì)應(yīng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》“課程內(nèi)容”中“必修課程”的主題2：常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用中的“2.3 電離與離子反應(yīng)”：認(rèn)識(shí)酸、堿、鹽等電解質(zhì)在水溶液中或熔融狀態(tài)下能發(fā)生電離。通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件，了解常見(jiàn)離子的檢驗(yàn)方法。

2.2" 所對(duì)應(yīng)的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展目標(biāo)

在“宏觀辨識(shí)與微觀探析”方面，從電離角度認(rèn)識(shí)酸、堿、鹽在水溶液中的狀態(tài)，依據(jù)宏觀現(xiàn)象判斷溶液中離子的存在和變化，基于離子和離子反應(yīng)認(rèn)識(shí)酸、堿、鹽的化學(xué)性質(zhì)及其在水溶液中的反應(yīng)。

“變化觀念”方面，發(fā)展對(duì)化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的認(rèn)識(shí)，知道酸、堿、鹽在水溶液中的反應(yīng)是離子反應(yīng)。

在“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”方面，從物質(zhì)及其變化的事實(shí)中提取證據(jù)建構(gòu)電解質(zhì)的電離、離子反應(yīng)等核心概念，初步建立基于物質(zhì)類別和反應(yīng)類型角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的思維模型。

2.3" 具體能力目標(biāo)

能運(yùn)用電離的觀點(diǎn)認(rèn)識(shí)酸、堿、鹽，用電離方程式表示某些酸、堿、鹽的電離；能依據(jù)離子反應(yīng)發(fā)生的條件判斷反應(yīng)能否發(fā)生，并用離子方程式表示有關(guān)反應(yīng)。

3" 離子反應(yīng)的重難點(diǎn)及解決辦法

“離子反應(yīng)”是高一階段必修的重難點(diǎn)知識(shí)，其教學(xué)中存在的重點(diǎn)和難點(diǎn)分析如下。

3.1" 教學(xué)重難點(diǎn)

3.1.1" 教學(xué)重點(diǎn)

掌握離子反應(yīng)概念及其發(fā)生的條件（離子反應(yīng)向著某些離子濃度減小的方向進(jìn)行），正確書(shū)寫(xiě)離子方程式。

3.1.2" 教學(xué)難點(diǎn)

理解電解質(zhì)在水溶液中反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是微粒間的相互作用，體會(huì)含有相同微粒的物質(zhì)會(huì)發(fā)生相同的離子反應(yīng)；能夠依據(jù)電解質(zhì)在水溶液中的電離結(jié)果和微粒間的相互作用推測(cè)離子反應(yīng)的發(fā)生，準(zhǔn)確書(shū)寫(xiě)常見(jiàn)酸、堿、鹽之間反應(yīng)的離子方程式；能夠運(yùn)用離子反應(yīng)完成物質(zhì)中常見(jiàn)離子的檢驗(yàn)、雜質(zhì)離子的祛除等任務(wù)。

學(xué)生在初中階段學(xué)習(xí)的離子、溶液的性質(zhì)、復(fù)分解反應(yīng)、化學(xué)方程式與高中學(xué)習(xí)的電解質(zhì)、非電解質(zhì)、電離、電離方程式內(nèi)容，存在知識(shí)的遷移和升華，容易出現(xiàn)概念混淆，如：電解質(zhì)、非電解質(zhì)的概念不明確；化學(xué)方程式與離子方程式中物質(zhì)的表示方法、符號(hào)、數(shù)量不明等問(wèn)題。這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生錯(cuò)誤判斷化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)的存在形式，難以理解反應(yīng)過(guò)程中離子作用和參與反應(yīng)的條件。

3.2" 解決辦法

3.2.1" 強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離的微觀認(rèn)知

對(duì)于該重難點(diǎn)，可以通過(guò)溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，將強(qiáng)弱電解質(zhì)與小燈泡的明暗程度建立聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生在宏觀上對(duì)強(qiáng)弱電解質(zhì)進(jìn)行辨識(shí)。此外，還可以通過(guò)離子模擬動(dòng)畫(huà)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等手段，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)于電解質(zhì)、電離、離子等概念的理解。

3.2.2" 離子反應(yīng)及其本質(zhì)

對(duì)于該重難點(diǎn)，可以借助圖示和實(shí)驗(yàn)雙重方法，采用由淺入深、層層遞進(jìn)的方式進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。首先，借助圖示將電解質(zhì)在水溶液中的微觀行為可視化，讓學(xué)生初步感受微觀粒子在水溶液中的相互作用及結(jié)果。其次，利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引出離子反應(yīng)實(shí)質(zhì)，幫助學(xué)生理解離子反應(yīng)中離子濃度的變化。

4" 設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)輔助學(xué)生對(duì)離子反應(yīng)重

難點(diǎn)的學(xué)習(xí)

離子反應(yīng)是對(duì)酸、堿、鹽等物質(zhì)在水溶液中相互反應(yīng)的原因以及內(nèi)在規(guī)律的研究。這一節(jié)共分成兩部分：第一部分為電解質(zhì)的電離；第二部分為離子反應(yīng)及其發(fā)生條件。教材中均設(shè)計(jì)2～3個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)分析和學(xué)習(xí)不同物質(zhì)所存在的狀態(tài)和性質(zhì)。

依據(jù)對(duì)離子反應(yīng)概念、教材信息、學(xué)生學(xué)情以及教學(xué)效果的認(rèn)識(shí)，為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，達(dá)到最佳的教學(xué)效果，本文設(shè)計(jì)并提供了教師演示和學(xué)生學(xué)習(xí)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

4.1" 強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離的微觀認(rèn)知

關(guān)于“強(qiáng)弱電解質(zhì)的電離”內(nèi)容的學(xué)習(xí)，三種版本的教材提供的實(shí)驗(yàn)方案相似，均通過(guò)小燈泡的明暗程度間接觀察溶液的導(dǎo)電能力，以此定性區(qū)分電解質(zhì)和非電解質(zhì)。但是實(shí)驗(yàn)演示過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)燈泡明暗程度一致的情況，無(wú)法準(zhǔn)確區(qū)分的情況。

4.1.1" 關(guān)于電解質(zhì)和非電解質(zhì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：測(cè)量電解質(zhì)和非電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率

1）實(shí)驗(yàn)器材及試劑：朗威?數(shù)據(jù)采集器（LW-D801）、電導(dǎo)率傳感器（LW-C802）、計(jì)算機(jī)、支架、磁力攪拌器、洗瓶、蒸餾水、1% 蔗糖溶液、1% NaCl溶液和1% CH3COOH溶液。

2）實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程：使用電導(dǎo)率傳感器依次測(cè)量1%蔗糖溶液、1%NaCl溶液和1%CH3COOH溶液的電導(dǎo)率，并通過(guò)軟件記錄數(shù)據(jù)，如圖1所示。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電解質(zhì)和非電解質(zhì)的區(qū)別在于其在熔融狀態(tài)或水溶液中能否導(dǎo)電，電導(dǎo)率傳感器可以測(cè)量溶液的導(dǎo)電率，因此通過(guò)數(shù)據(jù)可知，在相同濃度下幾種溶液電導(dǎo)率的比較：蔗糖＜醋酸＜氯化鈉，蔗糖為非電解質(zhì)，醋酸和氯化鈉是電解質(zhì)，其中，醋酸為弱電解質(zhì)，氯化鈉是強(qiáng)電解質(zhì)。

4.1.2" 關(guān)于電解質(zhì)和非電解質(zhì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：熔融硝酸鉀導(dǎo)電

1）實(shí)驗(yàn)器材及試劑：朗威?數(shù)據(jù)采集器（LW-D801）、電流傳感器（LW-E801）、高溫傳感器（LW-T802）、多功能學(xué)生電源（LW-Q808）、計(jì)算機(jī)、坩堝、酒精燈、石墨電極、硝酸鉀（固體）、支架、導(dǎo)線、鐵架臺(tái)。

2）實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程：根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置圖（圖2）進(jìn)行搭建，在通用軟件的組合圖線中添加電流隨時(shí)間變化的曲線，建立溫度隨時(shí)間變化的表格。打開(kāi)電源后，點(diǎn)燃酒精燈，對(duì)坩堝底部加熱。隨著溫度的升高，硝酸鉀粉末逐漸呈熔融狀，電流曲線逐步上升。待坩堝內(nèi)的硝酸鉀全部熔融后，熄滅酒精燈，隨著硝酸鉀的凝固，電流曲線逐步下降（見(jiàn)圖3）。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：通過(guò)電流—時(shí)間曲線可以發(fā)現(xiàn)，初始時(shí)電流為0 A，此時(shí)固體硝酸鉀沒(méi)有導(dǎo)電性；隨著酒精燈加熱，硝酸鉀達(dá)到熔融狀態(tài)，電路中的電流突然增大，說(shuō)明熔融硝酸鉀導(dǎo)電。產(chǎn)生本現(xiàn)象的原因是硝酸鉀為離子晶體，加熱至熔融狀態(tài)，破壞離子鍵，產(chǎn)生自由移動(dòng)的離子，因此可以導(dǎo)電。

4.2" 離子反應(yīng)及其本質(zhì)

關(guān)于“離子反應(yīng)及其本質(zhì)”內(nèi)容的學(xué)習(xí)，三種版本的教材提供三個(gè)實(shí)驗(yàn)方案具體如下。

人教版教材提供的實(shí)驗(yàn)方法是向盛有2 ml Na2SO4稀溶液中加入2 ml BaCl2稀溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析，得出離子反應(yīng)實(shí)質(zhì)的定義。

魯科版教材提供的實(shí)驗(yàn)方法是向0.01 mol/L Ba（OH）2溶液中滴加0.2 mol/L H2SO4溶液，觀察溶液中的現(xiàn)象和電導(dǎo)率的變化。

蘇教版教材提供的實(shí)驗(yàn)方法是讓碳酸鈉溶液分別與澄清石灰水、氯化鈣溶液反應(yīng)，觀察溶液中的現(xiàn)象。

4.2.1" 關(guān)于離子反應(yīng)及其實(shí)質(zhì)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：稀硫酸與Ba（OH）2反應(yīng)的實(shí)質(zhì)

1）實(shí)驗(yàn)器材及試劑：朗威?數(shù)據(jù)采集器（LW-D801）、電導(dǎo)率傳感器（LW-C802）、計(jì)算機(jī)、磁力攪拌器、燒杯、滴定管、0.01 mol/L Ba（OH）2溶液、0.2 mol/L H2SO4溶液、酚酞試劑。

2）實(shí)驗(yàn)裝置及過(guò)程：使用電導(dǎo)率傳感器測(cè)量并記錄0.01 mol/L Ba（OH）2與0.2 mol/L稀硫酸溶液反應(yīng)過(guò)程中電導(dǎo)率的變化，重點(diǎn)探究離子反應(yīng)發(fā)生的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)前，向燒杯內(nèi)的Ba（OH）2溶液中滴加幾滴酚酞試劑，此時(shí)燒杯內(nèi)溶液顏色為紅色。向滴定管內(nèi)加入適量稀硫酸溶液，并打開(kāi)滴定管的雙通閥。使稀硫酸溶液逐滴滴入燒杯內(nèi)且與氫氧化鋇溶液發(fā)生反應(yīng)，燒杯內(nèi)溶液顏色逐漸變淺，直至無(wú)色，溶液中有白色渾濁物產(chǎn)生，通過(guò)軟件可以描繪出電導(dǎo)率隨反應(yīng)時(shí)間變化的曲線（圖4）。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：由實(shí)驗(yàn)圖像可知，隨著稀硫酸加入Ba（OH）2溶液中，混合溶液的電導(dǎo)率逐漸降低，當(dāng)溶液顏色變?yōu)闊o(wú)色后，溶液的電導(dǎo)率又會(huì)升高。電導(dǎo)率降低的原因是SO42-和Ba2+生成BaSO4沉淀，同時(shí)H+與OH-生成H2O，使得溶液中的離子減少，當(dāng)電導(dǎo)率達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)，恰好完全反應(yīng)。隨后再滴加稀硫酸，使溶液中的離子逐漸增多，電導(dǎo)率隨之增大。

郝升華[8]、黃毓展等[9]、杜愛(ài)萍[10]等教師均利用電導(dǎo)率傳感器探究溶液中離子變化實(shí)驗(yàn)。這種現(xiàn)象、數(shù)據(jù)與曲線的結(jié)合，可使學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的同時(shí)加深對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的理解和掌握。

5" 結(jié)束語(yǔ)

本文借助電導(dǎo)率傳感器研究離子反應(yīng)相關(guān)概念，提供一種數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，學(xué)生能根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和曲線變化分析原因、理解和概括出離子反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。這樣的方法還可以應(yīng)用到其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，如酸堿中和反應(yīng)過(guò)程中離子變化。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常重要，但是定量分析和思考現(xiàn)象背后的原因更加重要。所以教師需要更加關(guān)注實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)多種表征方法反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化，幫助學(xué)生更加深刻和準(zhǔn)確地理解相應(yīng)的知識(shí)[11]。

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