初中化學(xué)數(shù)字化實驗探究的項目式教學(xué)實踐

楊俊峰

摘要：以“探秘茶垢清潔劑”為例，基于項目式教學(xué)，對初中化學(xué)數(shù)字化實驗進行探究。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)字化實驗對溫度影響過碳酸鈉分解速度進行探究，建立定性、定量探究的意識。通過對茶垢清潔劑中工業(yè)制備過碳酸鈉的交流討論，加強和落實學(xué)生實證意識和推理能力。

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

文章編號：1008-0546（2022）11-0050-04

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.011

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

一、項目主題的確定

初中化學(xué)實驗探究課，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)生的實驗動手能力以及分析和解決問題的能力，這對于提高他們的化學(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，具有探究價值。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，對比洗滌精、牙膏等除垢劑的異同。通過氧氣濃度傳感器對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，提升科學(xué)思維水平。通過對過碳酸鈉工業(yè)制備的交流討論，強化落實學(xué)生的實證意識及推理能力。最終讓學(xué)生學(xué)會如何正確使用茶垢清潔劑，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科價值。

二、項目教學(xué)目標

對于“探秘茶垢清潔劑”項目，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，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)化學(xué)知識探秘茶垢清潔劑，在探秘過程中讓學(xué)生親身體驗用白貓洗潔精、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)生動手體驗?zāi)芰?，科學(xué)探究能力，對比分析能力，開拓學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識。具體項目學(xué)習(xí)目標如下：

（1）通過活動探究，增進學(xué)生對生活中常見除垢劑的認識，體驗茶垢清潔劑清洗茶垢，依據(jù)所學(xué)化學(xué)知識，了解其除垢的原理，體驗化學(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，提升科學(xué)思維水平，發(fā)展實證意識與證據(jù)推理的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（3）通過對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)度與社會責任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、項目學(xué)習(xí)流程

整個探究過程的具體項目流程如圖1所示。

四、項目實施

整個項目學(xué)習(xí)實施過程，主要表現(xiàn)在學(xué)生的學(xué)習(xí)活動過程，以及師生的行為過程記錄，從而得出項目活動的實施效果。

1．尋找生活中的清潔劑

設(shè)計意圖：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，對比三種茶垢清洗的效果，增進學(xué)生對生活中常見清潔劑的認識。依據(jù)已有化學(xué)知識，了解除垢的原理，體驗化學(xué)服務(wù)于生活，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

【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】請三位學(xué)生到講臺前現(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．認識茶垢清潔劑的去污

設(shè)計意圖：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)生對氣體做出合理的猜想。在此基礎(chǔ)上運用初中化學(xué)現(xiàn)有知識，對氣體進行檢驗，得出茶垢清潔與熱水混合產(chǎn)生氧氣。通過實驗探究強化學(xué)生的合作意識、責任意識、安全意識，培養(yǎng)學(xué)生的實證意識和證據(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】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)生對于以上四種氣體，都是合理的猜想嗎？有學(xué)生認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，因為一氧化碳是一種有毒氣體，如果茶垢清潔劑與熱水混合產(chǎn)生一氧化碳，那么產(chǎn)生的氣體會使人中毒，所以也應(yīng)該排除。最終可能是氧氣或二氧化碳氣體。

【實驗論證】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？

【實驗驗證】根據(jù)學(xué)生們的分析，在坐標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。

【實驗驗證】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密閉錐形瓶中同時傾人等量冷、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，用熱水清洗的效果要比冷水的效果好。借助數(shù)字化實驗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，提升良好的科學(xué)思維品質(zhì)，發(fā)展實證意識與證據(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)計意圖：通過溫度的高低對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，又不會產(chǎn)生多余的廢物排放。通過實驗分析培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責任的化學(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)量分數(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)流程中實驗測定反應(yīng)溫度對產(chǎn)物的影響如表1所示：

（1）根據(jù)表1數(shù)據(jù)，你認為反應(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，會直接影響過碳酸鈉的產(chǎn)率，進而影響活性氧的含量。

（1）請根據(jù)過碳酸鈉的化學(xué)式2Na2CO3·3H2O2（相對原子質(zhì)量：Na-23 C-12 0-16 H-1），試計算過碳酸鈉生產(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℃。因為溫度過高過氧化氫易分解，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)知識的實驗探究課。本節(jié)課采用項目式教學(xué)模式進行，既是一次教學(xué)創(chuàng)新也是一次教學(xué)革新。如何設(shè)計好本節(jié)實驗探究課，既要考慮初中學(xué)生現(xiàn)有的認知水平，又要結(jié)合學(xué)生生活中常用且感興趣的化學(xué)物質(zhì)來進行探究，才有探究的價值。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，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，對化學(xué)的學(xué)習(xí)顯得尤為重要。

本節(jié)項目式教學(xué)課，是以學(xué)生為主體，圍繞一個主題展開活動。讓學(xué)生圍繞探秘茶垢清潔劑設(shè)計三個子項目學(xué)習(xí)，加強每個小組學(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)生的探究活動在老師的數(shù)字化實驗探究活動基礎(chǔ)上得到升華，將學(xué)生不能動手實驗的探究在老師的輔助下得到補充，而且將學(xué)生實驗探究中的困惑得到解決。

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

參考文獻

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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)字化實驗在初中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”（2021/LX/02/163/04）的階段性研究成果。