摘要： 化學(xué)反應(yīng)原理是化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要組成。研究基于數(shù)字化實驗，結(jié)合IDEO模型以“水溶液中的離子平衡”為例進行教學(xué)實踐。通過數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)實時采集與動態(tài)展示功能，將化學(xué)反應(yīng)以可視化方式予以呈現(xiàn)，建立基于數(shù)字化實驗證據(jù)的推理以及實驗圖像的分析，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字化實驗; 核心素養(yǎng)； IDEO模型； 水溶液中的離子平衡

文章編號： 1005-6629（2024）06-0035-06 中圖分類號： G633．8 文獻標(biāo)識碼： B

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）指出：要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，倡導(dǎo)真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動［1］；精心設(shè)計數(shù)字化實驗，讓學(xué)生在實驗探究活動中學(xué)習(xí)科學(xué)方法，認(rèn)識科學(xué)探究過程，體會、認(rèn)識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學(xué)科學(xué)的重要價值［2］。數(shù)字化實驗將化學(xué)反應(yīng)的現(xiàn)象和本質(zhì)轉(zhuǎn)換為可檢測的信號，利用其定量化、可視化的特點，通過實驗數(shù)據(jù)及圖像的分析幫助學(xué)生構(gòu)建認(rèn)知模型，更好地理解化學(xué)反應(yīng)的原理及本質(zhì)［3］，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理與模型認(rèn)知素養(yǎng)，結(jié)合數(shù)字化實驗開展探究活動有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神與創(chuàng)新意識。

國內(nèi)數(shù)字化實驗自20世紀(jì)末引入化學(xué)教學(xué)領(lǐng)域后，數(shù)字化實驗的教學(xué)應(yīng)用和實驗設(shè)計的相關(guān)案例不斷涌現(xiàn)，促進了化學(xué)教學(xué)的發(fā)展［4］。但數(shù)字化實驗高效的數(shù)據(jù)處理能力也限制了學(xué)生分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)規(guī)律的能力［5］。IDEO模型通過使學(xué)生參與到設(shè)計與發(fā)現(xiàn)的數(shù)字化實驗過程中，推進數(shù)字化實驗教學(xué)設(shè)計以發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 IDEO模型

IDEO模型聚焦于在實踐中創(chuàng)造性地解決問題，在真實情境中通過活動設(shè)計來解決復(fù)雜問題。該模型包含發(fā)現(xiàn)（Discovery）、解釋（Interpretation）、設(shè)想（Ideation）、實驗（Experimentation）、拓展（Evolution）五個階段，每個階段對應(yīng)著不同的解決問題的策略方法［6］。

IDEO模型源于設(shè)計領(lǐng)域，后被應(yīng)用于教育領(lǐng)域［7，8］，胡小勇等對IDEO模型進行了總結(jié)，并介紹了其在課堂教學(xué)、課程設(shè)計中的路徑和啟示［9］。IDEO模型中程序化的流程為數(shù)字化實驗與課堂教學(xué)的有機融合提供了操作性框架，幫助教師合理優(yōu)化課堂教學(xué)中數(shù)字化實驗的設(shè)計。IDEO模型為教師將數(shù)字化實驗圖像和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為課程的載體提供了理論支持，從而使數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為教學(xué)實踐的工具而融入課堂。

2 教學(xué)內(nèi)容分析

本文選取《化學(xué)反應(yīng)原理》主題3“水溶液中的離子平衡”的復(fù)習(xí)課進行數(shù)字化實驗教學(xué)研究?！八芤褐械碾x子平衡”是溶液中平衡移動原理的延續(xù)與拓展，涵蓋了電解質(zhì)相關(guān)概念、弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類水解及其應(yīng)用等，包含溶液中離子濃度大小比較、守恒關(guān)系和圖像分析等?！八芤褐械碾x子平衡”需要從微觀角度分析物質(zhì)在水溶液中的存在狀態(tài)及行為，全面認(rèn)識電解質(zhì)溶液的性質(zhì)與變化，發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀和守恒觀。通過理論分析與實驗探究來發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力、類比遷移能力、綜合分析問題能力，結(jié)合宏觀現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，引導(dǎo)學(xué)生形成認(rèn)識水溶液中離子平衡的基本思路。

2.1 構(gòu)建認(rèn)知模型，促進核心素養(yǎng)落地

結(jié)構(gòu)化和功能化的知識有可遷移性，更加具有素養(yǎng)價值?！八芤褐械碾x子平衡”是化學(xué)平衡理論在水溶液中的應(yīng)用，學(xué)生在面對實際問題和復(fù)雜情境時不能提取相關(guān)平衡知識進行分析和判斷。通過構(gòu)建“水溶液中的離子平衡”分析模型（見圖1），形成“分析溶液組成→確定溶液中的平衡→判斷溶液中微?！钡牟呗孕阅Ｊ?，有助于知識遷移，發(fā)展化學(xué)思維，幫助學(xué)生解決新情境下的陌生問題，促進學(xué)科核心素養(yǎng)落地。

2.2 創(chuàng)設(shè)真實情境，搭建素養(yǎng)發(fā)展平臺

課標(biāo)指出，真實、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺［10］。水溶液中的離子平衡過于抽象，學(xué)生難以從微觀層面構(gòu)建相應(yīng)的認(rèn)知模型。數(shù)字化實驗?zāi)軐o明顯現(xiàn)象的離子反應(yīng)轉(zhuǎn)為是可視化的實驗數(shù)據(jù)和圖像，幫助學(xué)生了解和認(rèn)識水溶液反應(yīng)的特點，培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)。將數(shù)據(jù)和圖像作為真實問題情境來設(shè)計學(xué)生活動，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生形成認(rèn)識水溶液中離子平衡的分析模型。

本文設(shè)計了三個有代表性的數(shù)字化實驗來展示復(fù)雜情況下的水溶液中的離子平衡。

［實驗1］鹽酸滴定氨水：0.1000mol·L-1HCl溶液滴定20.00mL 0.1000mol·L－1 NH3·H2O溶液，采集溶液pH變化曲線如圖2所示。

［實驗2］氫氧化鈉滴定醋酸：0.1000mol·L－1 NaOH溶液滴定20.00mL 0.1000mol·L－1CH3COOH溶液，采集溶液pH變化曲線如圖3所示（裝置同圖2）。

［實驗3］SO2通入氫氧化鈉：SO2氣流持續(xù)通入50．00mL 0.1000mol·L－1NaOH溶液中，采集溶液pH變化曲線如圖4所示。

基于實驗3實驗數(shù)據(jù)選取緩沖溶液，進行數(shù)據(jù)拓展與分析（裝置見圖4）。

三個實驗是在強酸滴定強堿的基礎(chǔ)上進一步提高難度，選擇了強酸滴定弱堿、強堿滴定弱酸中最具有代表性的兩個實驗以及二元弱酸與強堿反應(yīng)的實驗。利用實驗1構(gòu)建真實問題情境，進行知識梳理，使零散知識結(jié)構(gòu)化，幫助學(xué)生構(gòu)建思維模型?；趯嶒瀳D像，對溶液中的微粒種類作微觀分析。通過實驗2的相似變式來診斷學(xué)生運用思維模型判斷變化體系中溶質(zhì)種類與平衡種類的能力。結(jié)合實驗3的相異變式設(shè)計拓展應(yīng)用環(huán)節(jié)。

3 學(xué)情分析

高中學(xué)生已經(jīng)建立了初步的微粒觀和平衡觀，了解不同電解質(zhì)溶液中微粒存在的形式，以及在水溶液中存在弱電解質(zhì)的電離平衡、含有弱離子鹽類中存在水解平衡等。但是這種微粒觀和平衡觀只是對單一溶液的認(rèn)識，尚未建立復(fù)雜情境下分析水溶液中離子平衡的思路，無法正確判斷混合溶液中存在的平衡是水解還是電離，還是多平衡共存，無法準(zhǔn)確分辨“中和”與“中性”的概念。對判斷陌生情境下或較復(fù)雜的電解質(zhì)溶液中粒子濃度關(guān)系、分析相關(guān)數(shù)據(jù)對應(yīng)的意義時感到困難。

學(xué)生也形成了一定守恒觀，了解水溶液中的微粒存在物料守恒、電荷守恒和質(zhì)子守恒。但是尚無法正確寫出相應(yīng)的守恒式及無法熟練應(yīng)用電荷守恒與物料守恒關(guān)系解決問題。

學(xué)生在必修及選擇性必修的學(xué)習(xí)過程中，曾做過如測定強弱電解質(zhì)的導(dǎo)電性、測定氫氧化鋇與硫酸反應(yīng)導(dǎo)電性變化以及測定中和反應(yīng)pH變化等數(shù)字化實驗，對數(shù)字化實驗的操作、數(shù)據(jù)圖像的處理等都有所了解。

4 教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過歸納分析數(shù)字化滴定曲線，構(gòu)建“分析溶液組成→確定溶液中的平衡→判斷溶液中微?！钡摹八芤褐械碾x子平衡”分析模型，能識別溶液體系中的微粒種類、微粒濃度大小，發(fā)展學(xué)生微粒觀。

（2） 通過分析滴定過程溶質(zhì)和溶液中的離子濃度大小，能應(yīng)用溶液中的多種平衡來分析問題，診斷并發(fā)展學(xué)生對兩大守恒的理解和應(yīng)用。

（3） 通過分析及繪制圖像，運用數(shù)字化實驗進行驗證，診斷并發(fā)展學(xué)生對溶液反應(yīng)過程水溶液中微粒種類和濃度變化的理解。

5 教學(xué)流程

利用數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)能直觀展示水溶液中離子的變化，在教學(xué)中利用數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的分析過程培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。本文結(jié)合IDEO模型設(shè)計課前活動和課中四個活動環(huán)節(jié)，充分利用數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)及圖像來構(gòu)建“水溶液中的離子平衡”復(fù)習(xí)課，教學(xué)流程如圖5所示。

數(shù)字化實驗教學(xué)提供了化學(xué)反應(yīng)原理課程的載體和實踐的工具，發(fā)展了學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等核心素養(yǎng)，具體分析見表1。

6 教學(xué)過程

學(xué)生課前完成“水溶液中的離子平衡”微課視頻學(xué)習(xí)和相關(guān)練習(xí)。

6.1 環(huán)節(jié)1：發(fā)現(xiàn)與解釋

學(xué)生課堂完成數(shù)字化實驗：鹽酸滴定氨水溶液，觀察溶液pH曲線變化趨勢（圖2）。根據(jù)該實驗溶液pH變化的理論曲線（圖6），構(gòu)建問題鏈幫助學(xué)生構(gòu)建“水溶液中的離子平衡”分析模型，具體見表2。

設(shè)計意圖：分析曲線所代表的溶液酸堿性的走勢，讓學(xué)生感受反應(yīng)過程中的“變化”。從特殊點A切入圖像的分析討論，依照由易到難、循序漸進的順序分析變化曲線中的四個重要節(jié)點（A、 C、 E、 F四點）與二個重要區(qū)間（AE、 EF區(qū)間）。

利用數(shù)字化實驗構(gòu)建真實問題情境，基于實驗圖像對溶液中的微粒種類作微觀分析。由簡到繁鋪設(shè)臺階，幫助學(xué)生實現(xiàn)從對簡單溶液中平衡的自主分析，到對復(fù)雜溶液中多平衡體系的綜合分析的進階。教師通過問題鏈的設(shè)計，幫助學(xué)生理解溶液中粒子濃度的變化，建立復(fù)雜水溶液的“水溶液中的離子平衡”分析模型，提升用微粒觀的視角認(rèn)識和解決化學(xué)問題的能力。

6.2 環(huán)節(jié)2：設(shè)想與實驗

學(xué)生通過實驗繪制氫氧化鈉滴定醋酸溶液的pH變化圖（圖7），解釋氫氧化鈉滴定醋酸溶液的pH變化趨勢，對假設(shè)預(yù)測、實驗方案、實驗結(jié)論進行完整論證。

小組實驗完成氫氧化鈉滴定醋酸溶液的數(shù)字化實驗，驗證繪制圖像的正確性，并完成如下練習(xí)：根據(jù)pH變化曲線對滴加NaOH溶液至10mL時溶液中的離子濃度進行大小排序，并書寫相應(yīng)的電荷守恒與物料守恒的表達式。

設(shè)計意圖：通過實驗2的相似變式設(shè)計新的情境，運用“水溶液中的離子平衡”分析模型予以解釋，并用已構(gòu)建的分析模型對NaOH滴定醋酸這一真實問題進行理論分析。通過學(xué)生繪制實驗2滴定過程中溶液pH變化趨勢圖，診斷學(xué)生運用模型判斷變化體系中溶質(zhì)種類與平衡種類的能力，發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，強化解決問題的基本思路。結(jié)合學(xué)生繪制的pH變化趨勢圖和分析過程完成對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，最后通過學(xué)生實驗2進行驗證，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

6.3 環(huán)節(jié)3：拓展

在SO2氣流持續(xù)通入NaOH溶液演示實驗的基礎(chǔ)上，學(xué)生根據(jù)采集到的溶液pH的變化曲線（圖8），判斷滴定過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)過程中溶質(zhì)的變化情況、溶液中微粒濃度的變化情況等，完成下列問題（見表3）。

設(shè)計意圖：結(jié)合實驗3的相異變式設(shè)計拓展環(huán)節(jié)。本實驗安排在兩個滴定實驗之后，學(xué)生對實驗圖像中的圖形信息與數(shù)字信息已具有一定的理解能力。學(xué)生思維起點已有所提升，能夠在提供證據(jù)的基礎(chǔ)上進行合理推理和認(rèn)知學(xué)習(xí)。借助pH傳感器，學(xué)生觀察到圖像中的兩次滴定突躍，運用分析模型分析兩次滴定突躍時溶液的pH大小，梳理溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，判斷反應(yīng)產(chǎn)物。進而通過比較多元弱酸的酸式鹽溶液中的電離平衡與水解平衡的程度，形成微粒濃度的正確排序。

6.4 環(huán)節(jié)4：應(yīng)用

［資料］緩沖溶液滴定曲線的一般特點：會呈現(xiàn)一個平臺階段，即酸堿度變化很小的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，緩沖溶液能穩(wěn)定維持在一個確定的pH。

學(xué)生結(jié)合pH曲線圖選擇對應(yīng)的緩沖溶液，并學(xué)習(xí)緩沖溶液在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，如人體血液中的碳酸氫鹽緩沖體系、磷酸鹽緩沖液等。

設(shè)計意圖：基于緩沖溶液的pH變化特點，從pH曲線選擇特定的緩沖溶液，并學(xué)習(xí)緩沖溶液在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”素養(yǎng)。

7 教學(xué)效果及反思

研究以自編高三平衡相關(guān)試卷作為前測，從高三年級選擇2個班級（共54人）進行教學(xué)實踐，其中一個班級為實驗組，另一班級為對照組，所選班級的學(xué)生學(xué)習(xí)水平、學(xué)習(xí)狀況基本相當(dāng)。實驗結(jié)束后，以自編試題為后測，測定學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的掌握程度。

分別對對照組和實驗組的前測和后測成績進行t檢驗。前測t統(tǒng)計量平均值為2.0066，對應(yīng)概率p=0．6959>0.05，說明在被試樣本中，這兩個樣本在0.05的水平上沒有顯著性差異，說明對照組和實驗組教學(xué)前學(xué)業(yè)成績上沒有顯著性差異。后測t統(tǒng)計量平均值為1.6786，對應(yīng)概率p=0.0312<0.05，說明這兩個樣本在5%的水平上有顯著性差異。實驗組在完成基于數(shù)字化實驗的化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)實踐后學(xué)業(yè)成績上發(fā)生了顯著性變化。

具體試題分析中，發(fā)現(xiàn)完成基于數(shù)字化實驗的化學(xué)反應(yīng)原理教學(xué)實踐的學(xué)生在圖像題上得分率更高。學(xué)生通過觀察曲線和數(shù)據(jù)，能更加有效地分析水溶液中的離子平衡，更準(zhǔn)確地分析出溶液中占據(jù)主導(dǎo)地位的平衡。

為進一步了解學(xué)生對數(shù)字化教學(xué)的感受，筆者又對學(xué)生進行了問卷調(diào)查［11］。關(guān)于“通過數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的分析是否更有效地理解水溶液中的離子平衡”滿分為5分的數(shù)值型問題（下同），平均得分為4.75分，68.3%的學(xué)生給了滿分，3分及以上比例超過96.7%，說明學(xué)生對數(shù)字化實驗的教學(xué)比較認(rèn)可。“通過繪制滴定曲線相較于問題是否可以提升學(xué)習(xí)體驗感”的問題，平均分為4.25分，學(xué)生較一般測試習(xí)題，更加喜歡繪圖等豐富的形式來增加學(xué)習(xí)體驗感和參與度。但是從問卷中也發(fā)現(xiàn)相較于數(shù)字化實驗，學(xué)生更喜歡現(xiàn)象比較明顯的化學(xué)實驗。

數(shù)字化實驗創(chuàng)設(shè)了大量的真實情境，結(jié)合緩沖溶液的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生了解到化學(xué)反應(yīng)原理在日常生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。在教學(xué)過程中，學(xué)生進行深度體驗，更好地從離子平衡的角度認(rèn)識電解質(zhì)及其水溶液，提高分析解決實際問題的能力，發(fā)展學(xué)生的高階思維。

通過分析數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)和圖像，幫助學(xué)生形成水溶液多平衡體系的分析模型。在師生對話與討論分析中，教師診斷學(xué)生的思維發(fā)展程度，突破學(xué)生的思維發(fā)展障礙并引導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的內(nèi)在邏輯構(gòu)建分析模型。當(dāng)換成二氧化硫與氫氧化鈉反應(yīng)時，學(xué)生能應(yīng)用“水溶液中的離子平衡”模型來分析實驗數(shù)據(jù)和解決化學(xué)問題，說明學(xué)生已形成復(fù)雜水溶液體系的分析思路，認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到較大發(fā)展。

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