基于數字化實驗發展證據推理與模型認知的教學設計

宋蕊

摘要：學生“證據推理與模型認知”學科核心素養的培養，需要創設真實的探究情境，讓學生從各種途徑收集大量的信息、數據、圖表等，進行證據的推理與模型的構建。數字化實驗可彌補傳統定性實驗的某些不足，提供豐富的信息與數據。本文以“氫氧化鋁的兩性”教學為例，進行了基于數字化實驗發展證據推理與模型認知的教學設計。

關鍵詞：證據推理與模型認知；數字化實驗；氫氧化鋁的兩性

文章編號：1008-0546（ 2022）12x-0029-05

中圖分類號：C632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022. 12x.007

一、設計思想

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出發展學生化學學科核心素養的要求，化學學科核心素養之一“證據推理與模型認知”是一種高級思維活動，證據推理要求學生具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。模型認知是證據推理基礎上的進階模式，學生通過建立認知模型，運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。[1]

發展證據推理與模型認知需要為學生創設真實的探究情境，通過讓學生從各種途徑收集大量的信息、數據、圖表等，將信息和學科知識有效整合在一起，并運用已有的知識進行基于證據的推理。在證據推理的基礎上，學生構建認知模型，或優化已有的認知模型，最后運用模型解決實際問題、或利用模型解釋化學現象。故發展證據推理與模型認知的教學模式有五個重要模塊：提出合理的假設／猜想、收集信息與證據、基于證據推理、構建／優化模型、應用模型。五個模塊并非孤立存在，而是互相聯系、不斷循環、螺旋上升式的關系。[2]

如圖1所示，教學通過循環上升的五個模塊，不斷提出更高階的問題與假設，在過程中不斷發展學生證據推理能力，并在螺旋上升的過程中不斷優化學生認知模型。在“氫氧化鋁的兩性”教學中，學生的氫氧化鋁溶解模型從“氫氧化鋁與強酸、強堿反應的定性認識”到“氫氧化鋁是否完全溶解取決于pH的范圍”，再到“重新從定量角度認識為何氫氧化鋁與強酸、強堿反應”，學生關于氫氧化鋁溶解的模型構建經歷了若干階段。

數字化實驗是由數據采集器和傳感器組成的定量采集數據的實驗系統，數字化實驗可以將不易觀察到的實驗現象用數據、圖表等方式呈現，通過數字化實驗進行定量實驗探究，可進一步發展學生閱讀圖表信息，分析定量數據，理解實驗現象的能力；還可以幫助學生基于數據進行證據推理，構建新的認知模型，促進對化學反應定性到定量的認識。[3]

二、“氫氧化鋁的兩性”教學設計

1．教學內容與學情分析

該教學內容為滬科版《化學高二》8.2“鋁和鋁合金的崛起”的重要組分。此前，學生已學習了氫氧化鋁溶于強酸與強堿，對氫氧化鋁的溶解性有定性的認識，還學習了強弱電解質、影響電離平衡移動的因素、水的電離與pH等相關知識。學生對氫氧化鋁與酸和堿的定性反應已經掌握，但是僅停留在簡單記憶，對于“氫氧化鋁在酸和堿中的溶解受什么影響？”“為何氫氧化鋁不溶于弱酸、弱堿？”等問題不能從本質上理解。故本節課從定量實驗的角度幫助學生建立對氫氧化鋁兩性更加準確的認識，構建氫氧化鋁在酸和堿中溶解的模型、氫氧化鋁在不同酸堿條件下的存在形式模型；并通過本節課深化對電離平衡移動影響因素的認識，感受化學反應從量變到質變的過程，也重新認識強酸弱酸、強堿弱堿的本質差異。[4-6]

2．教學目標

（1）通過實驗探究，基于實驗事實進行分析推理，結合電離平衡移動原理解釋Al（OH）3在不同酸中溶解性差異的本質原因；

（2）通過實驗探究，了解Al（OH）3在酸中的溶解存在量變到質變的變化過程，并初步建立Al（OH）3在酸中的溶解模型；

（3）通過對定量實驗的數據分析，完善Al（OH）3溶解與pH的關系模型；

（4）應用Al（OH），溶解與pH的關系模型解決問題。

3．教學環節

本節課的教學內容共三大部分：從定性與定量的角度再認識氫氧化鋁和酸、堿的反應；通過數字化實驗從宏微結合的角度了解氫氧化鋁和酸、堿反應的實質；深化對氫氧化鋁化學性質反應原理的模型構建與認知。如圖2所示，本節課以Al（OH）3在酸和堿中溶解性為骨架，設計真實情境，產生認知沖突。學生在體驗定性實驗探究和肉眼觀察的局限性后，基于證據分析推理進行數字化定量實驗設計，通過實驗數據認識Al（OH）3在酸和堿中溶解的本質，實現從對物質間化學反應的宏觀認知到微觀原理的探析。

在理解Al（OH）3的溶解本質基礎上探究Al（ OH）3在哪些pH范圍內才能完全溶解，學生通過數字化定量實驗設計、分析實驗數據，認識氫氧化鋁在不同pH環境中的存在形式，并發掘實驗數據，運用氫氧化鋁的溶解本質解釋該實驗數據圖與高中階段常見沉淀質量與NaOH體積關系圖的偏差。最后結合實驗結果與不同酸堿的pH數據，重新認識教材中Al（OH），溶于強酸、強堿，從對化學反應的定性認識與機械記憶，轉變為對化學反應變化的本質與平衡對化學反應量變到質變的影響；體會對強酸弱酸、強堿弱堿對體系pH的影響程度，重新認識強弱電解質。

三、“氫氧化鋁的兩性”數字化實驗設計

1．數字化實驗一：Al（OH），在弱酸、弱堿中的溶解程度

（1）數字化實驗設計思路

由于AI（OH）3在弱酸弱堿中不能完全溶解，肉眼無法判斷反應是否有發生，本實驗引入數字化實驗，利用溶液中離子濃度增大電導率增大的原理，使用電導率傳感器進行數字化實驗，用數字與曲線表征實驗事實，促進學生對Al（OH）3溶解本質的理解。設計Al（OH）3固體和醋酸、氨水反應的數字化實驗，探究影響Al（ OH）3溶解程度的本質原因。用等初始電導率的氯化鈉溶液和Al（OH）3固體作為對照組，排除Al（OH）3自身溶解對電導率的影響。

（2）數字化實驗儀器與藥品

實驗儀器：50mL燒杯、磁力攪拌器、Vernier電導率傳感器、Vernier數據采集器、鐵架臺。

藥品：pH=4醋酸溶液、Al（OH）3固體、與pH=4的醋酸電導率相同的NaCl溶液。

儀器設計如圖3所示。

2．數字化實驗二：Al（OH），溶解度與pH的關系模型探究

（1）數字化實驗設計思路

利用數字化實驗，通過pH探頭測定向硫酸酸化的硫酸鋁溶液中逐步滴加NaOH溶液的pH變化，觀測Al（OH）3開始沉淀、沉淀最大與完全溶解的pH。

學生通過觀察發現，利用肉眼無法準確觀察沉淀開始、沉淀最大與沉淀消失的準確節點。故對實驗裝置進行優化，利用感光度大小特征沉淀的量，從而得到Al（OH）3開始產生沉淀、沉淀完全、沉淀開始溶解和沉淀完全溶解對應的pH，根據數據得到Al（OH）3在不同pH下的存在狀態，建立Al（OH），溶解模型。培養學生利用數字化實驗進行實驗探究、優化實驗設計的能力。

通過挖掘本實驗的數據，引導學生利用本節課所學知識，從Al（OH）3在不同酸堿性環境中的反應實質，解釋該實驗數據圖與高中階段常見沉淀質量與氫氧化鈉體積關系圖的偏差：①恰好完全沉淀到完全溶解需要繼續滴加NaOH溶液提高溶液環境pH;②產生沉淀與沉淀溶解所需的NaOH溶液體積比并非3：1，有部分NaOH溶液用于提高體系的環境pH。學生利用直觀的數據，解釋為何通常認為“Al（OH）3不溶于弱酸、弱堿”，重新從定量角度認識Al（OH）3不溶于弱酸、弱堿，感受強酸強堿對體系pH的影響。

（2）數字化實驗儀器與藥品

實驗儀器：50 mL燒杯、磁力攪拌器、Vernier pH傳感器、Vernier滴數傳感器、Vernier光傳感器、臺燈、Vernier數據采集器、鐵架臺。

藥品：0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液、1.0 mol/L NaOH溶液、稀H2S04溶液。

儀器設計如圖4所示。

四、“氫氧化鋁的兩性”教學片段

1．創設情境產生疑問

[引入]老王最近胃疼和牙齦疼，吃了藥沒好，就醫后知道胃舒平和維生素C不能同時服用，藥效會抵消的。請同學們根據信息猜測在這個過程中可能發生什么，理由是什么？

[學生]維生素有酸性，有可能發生了酸堿中和反應。

[教師]但是維生素C是弱酸，Al（OH）3能溶于哪種酸呢？

[學生]強酸。

[教師lAl（OH）3能溶于弱酸嗎？我們可以進行實驗探究。請同學們探究Al（OH），在pH=4的稀鹽酸、pH=4的醋酸、pH=2.4的醋酸中的溶解程度。

[學生]Al（OH），在pH=2.4的醋酸中完全溶解了，在pH=4的鹽酸和醋酸中有一點溶解。

2．定量實驗探究-Al（OH）3能否溶于弱酸和弱堿

[教師]肉眼觀察沉淀的變化有局限性，但通過實驗，同學們認為影響Al（OH）3在不同酸中的溶解程度的因素是什么？

[學生]pH越小，溶液中氫離子濃度越大，促進Al（OH）3的堿式電離平衡向正向移動。

[教師]在pH=4的酸中是否有溶解用肉眼無法準確判斷，可以利用數字化實驗，常見的數字化實驗傳感器有電導率、濁度計、感光度計等等，同學們認為哪種傳感器用來測量Al（OH）3是否有溶解更好呢？

[學生]電導率也可以，因為溶解后離子濃度會變大；濁度計也可以；感光度計也可以。

[教師]老師這里使用了電導率傳感器進行實驗，將Al（OH）3固體加入pH=4的醋酸溶液中，請同學們觀察數據變化。

[學生仔細觀察]起始是26.3 μS/cm，加入Al（OH），固體后逐漸增大，然后逐漸平穩，最終電導率達到286.5 μS/cm，電導率增大了，說明溶液中離子濃度增大了。

[教師]哪些行為會使得離子濃度增大呢？是Al（ OH）3溶解的電離，還是電離平衡移動呢？

[學生]都有可能，需要設計對照試驗，把Al（OH），固體溶解在水中，測量電導率。

[教師]電導率雖然會隨著離子濃度的增大而增大，但隨著濃度的增加，電導率增加的幅度變小。如果初始電導率不同，電導率增大的幅度也是不同的，怎么辦？

[學生]使用電導率相同的溶液，但是這個溶液不可以和Al（OH）3反應，比如氯化鈉溶液。

[教師]非常好，那我們來觀察Al（OH），固體加入相同電導率的氯化鈉溶液中的電導率變化。

[學生仔細觀察]起始是26.3μS/cm，加入Al（OH），固體后逐漸增大，然后逐漸平穩，最終電導率達到244.4 μS/cm，電導率也增大了，但是沒有在醋酸中多。所以Al（OH）。在pH=4的醋酸中是可以部分溶解的。

[教師]Al（OH）3在酸中的溶解程度由pH的大小決定，Al（OH）3還存在酸式電離，可以溶于堿，Al（OH），真的只能溶于強堿嗎？

[學生]也許弱堿的pH夠大，Al（OH）3就可以溶解，因為氫氧根離子濃度越大，越能夠促進Al（OH）3的酸式電離正向移動?？梢杂脻獍彼M行剛才的數字化實驗。

[教師]進行Al（OH）3與氨水的導電率實驗演示，證明Al（OH）3也可部分溶解在氨水中。

3．構建Al（OH）3的溶解模型

[教師]Al（OH）3究竟在多大pH的酸堿中才能夠溶解呢？在探究前，請同學們思考下列問題，向含有少量硫酸的Al2（SO4）3溶液中逐滴滴加NaOH溶液，隨著NaOH溶液體積的增加，溶液中的沉淀如何變化？請繪制在如下坐標系中。

[學生思考并繪制]如圖5所示。

[教師]如果想測定Al（OH）3恰好在酸中和堿中完全溶解的pH，應該測量哪個節點的pH。

[學生]沉淀剛好產生的pH是在酸中完全溶解的pH，剛好完全溶解pH是在堿中完全溶解的pH。

[教師]老師利用數字化實驗，向含有少量硫酸的Al2（SO4）3溶液中逐滴滴加NaOH溶液，同時測定pH，請同學們仔細觀察，并記錄你需要的數據。同時老師也想知道沉淀最大時的pH，請同學們觀察。

[學生]在pH大概為3時開始產生沉淀，到pH大概為13時沉淀消失，但是沉淀最大點很難看清楚。

[教師]無法用肉眼觀察清楚，怎么辦呢？

[學生]借助數字化實驗儀器。

[教師]在剛剛給同學們介紹的傳感器中有一個感光度的傳感器，可以測量光的強度，透光率越高，則溶液越澄清，反之越渾濁，請同學們仔細觀察實驗現象，并根據感光度曲線判斷各節點的pH。

[學生]開始沉淀大約為3，沉淀完全溶解大約為13，pH大約為5沉淀完全，pH大約為9沉淀開始溶解。

[教師]感光度的圖像實際反應了沉淀的量，請同學們觀察圖像與我們之前繪制的m 沉淀／V NaOH圖有何不同？

[學生]實際的圖最高點并不是折線，有一段時間沉淀不變化。因為恰好完全沉淀到完全溶解需要繼續滴加NaOH溶液提高溶液環境pH。產生沉淀與沉淀溶解所需的氫氧化鈉體積比并非3：1，有一部分NaOH溶液用于提高溶液環境pH。

4．Al（OH）3的溶解模型應用

[教師]制取Al（OH）3不一定用鋁離子與氨水反應來制取，我們可以通過調節其pH來制取，工業上制取Al（OH）3也會采取用在硫酸鋁中滴加氫氧化鈉，我們應將pH控制在哪個范圍內呢？

[學生]5< pH<9

[教師]通過今天的學習，我們發現Al（OH）3的溶解程度實際取決于pH的大小，但是為何教材的結論為Al（ OH），溶于強酸強堿呢？以下為弱酸、強酸的濃度及其對應的pH（略），請同學們判斷Al（OH）3在這些酸堿中能否溶解，分析為何Al（OH）3溶于強酸強堿？

[學生]弱酸和弱堿很難達到完全溶解的pH范圍，但是很稀的強酸和強堿卻能做到。

[教師]化學反應是絕對的，但也是相對的，希望同學們對Al（OH）3的兩性有新的認知。

五、教學反思

本節課通過層層探究Al（OH）3在酸和堿中的溶解程度，讓學生體驗收集證據，對Al（OH）3的性質提出可能的假設，基于證據進行分析推理，形成科學結論，分析定性實驗現象、定量實驗數據和物質性質來建立解決復雜化學問題的思維模型；引導學生從定性角度認識“Al（OH）3能溶解與不能溶解”，轉變到定量角度認識“Al（OH）3溶解的量變到質變”，體會化學變化的絕對性與相對性，探析影響Al（OH）3溶解的本質因素。從定性角度認識“強酸與弱酸”，轉變到定量角度體會強酸、弱酸對體系pH的影響能力。從定性角度認識Al（OH）3和酸、堿反應，轉變到從酸堿性環境角度考慮物質的存在形態。通過實驗數據優化Al（OH），溶解的模型，根據所學知識解釋與傳統模型的偏差。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部，普通高中化學課程標準（2017 版）[s]．北京：人民教育出版社，2018．

[2] 陳稹天，侯丹，占小紅．基于3DTG發展學生“證據推理與模型認知”核心素養——以“科學使用含氯消毒劑”為例[J]．化學教學，2021（03）：51-56．

[3]黃毓展，蔡立媚，錢揚義，基于數字化實驗，落實“證據推理與模型認知”學科核心素養——以拓展探究復分解型離子反應發生條件的教學應用為例[J].化學教育（中英文），2021，42（15）：51-57.

[4]林琳，江家發．基于化學學科核心素養的教學設計課例——對“氫氧化鋁與氨水反應”的教學研究[J].化學教與學，2020（01）：51-55+60．

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