构建知识体系培养学科思维

徐珂 陈建刚 王海燕

摘要：教学体系包含知识、能力与思维三大要素，化学学科思维培养对学生综合素养具有重要意义。通过现代数字化实验设备兼创新实验，教师重在引导，学生自主探究，构建严谨的Na2O2与H20及CO2反应实质知识体系并培养学生学科思维。巧用数字化实验设备，以直观结果呈现：Na2O2与H2O反应实质历经中间产物H2O2，H2O2分解生成O2和H2O。干燥的CO2不与Na2O2反应，含水蒸气体系CO2与Na2O2反应生成碳酸盐和氧气。通过实验过程体会科学探究方法，培养化学学科探究思维。

关键词：过氧化钠;水;二氧化碳;数字化探究;学科思维

文章编号：1008-0546（ 2021）01-0078-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.021

教学中知识的传授与思维的培养密不可分。著名的化学家戴安邦先生曾经指出“只传授化学知识和技术的化学教育是片面的，全面的化学教学要求既传授化学知识和技能，又训练科学方法和思维”。思维是认知的核心与关键[1]。对于Na2O2与H22及CO2的反应多数学生仅停留在思维记忆式方程式书写及简单应用，对于反应过程及微观实质未做深入思考，根据所倡导的素质化教育，设计思维衍生式，包含知识推理过程实验，从实验探究角度认知过氧化钠并培养化学学科思维模式，对学科素养的形成具有一定的积极意义。Na2O2与H2O反应的实验教学设计教材采用向装有Na2O2的试管中滴入水并用带火星的木条进行产物验证。Na2O2与CO2的反应教材未设置实验。在实际教学中，有采用滴水生火以及吹气生火实验，即用脱脂棉包裹Na2O2进行滴水或吹气，引发脱脂棉燃烧，从燃烧三要素推测反应放热并生成氧气[2-4]。数字化实验是当今数字化时代重要科技产物[5]，以计算机为平台，在教学中引进传感技术[6]，实验过程可视化，以曲线和数据科学直观呈现实验结果[7]。本探究结合数字化实验设备以及组装创新实验对Na2O2与H2O及CO2反应实质设计创新实验，反应过程直观呈现，并根据结果及现象进一步探究推理反应实质。创新实验探究水蒸气对Na2O2与CO2实验的影响。符合新课改提倡引导学生主动参与探索和学习，全面提升科学素养[8]，发挥数字化实验在教学中的积极作用。本文实验设计，顺应学生认知思维过程，引导通过实验由表及里全面认知Na2O2与水及CO2的反应，同时培养学科探究思维与方法。

一、Na2O2与H2O的反应

1.实验设计思路

利用温度传感器及氧气传感器对反应体系温度及氧气浓度变化进行全过程在线监测。实验载体选用有机合成中常用仪器三口烧瓶，一是多颈有利于连接不同传感器探头，同时玻璃仪器可视实验发生现象。通过观察烧瓶内部Na2O2与水反应实验现象，为下一步反应实质探究设疑（向Na2O2固体中加入含有酚酞的水，出现先变红再褪色的实验现象）。采用恒压滴液漏斗向实验装置内加入一定体积的水，整个体系保持在一个相对密封的环境中。因实验数据采集时间较短，从实验数据上可明显观察到温度的急速上升，因此忽略短时间内体系向环境散热的热量损失。实验装置图附图1。

2.实验过程及结果

如图1组装实验装置，向装有2.0gNa2O2固体的三口烧瓶中注入15mL含有酚酞的水。点击电脑软件“开始”记录过程采集数据。变化包括兩方面，一是电脑软件上数据（氧气浓度及温度）变化趋势，二是烧瓶内反应现象（变红再褪色）。变化一，可以看到实验数据走向（图2），反应引发后，反应产生氧气，随着氧气在三口烧瓶内的扩散，氧气传感器检测结果表明氧气浓度逐渐增大。温度传感器检测体系温度迅速上升，且器壁发热。温度传感器探头与反应物相接触，反应引发温度迅速上升，随着采集时间的增长，Na2O2反应完，体系向环境散热，因此温度开始下降。实验以数据说明Na2O2与水反应生成氧气同时放出大量热量。

变化二，三口烧瓶内出现先变红再褪色的实验现象。做出实验猜想并验证表1。

经验证高浓度氢氧化钠及过氧化氢溶液会使得含有酚酞的水溶液出现先变红后褪色的实验现象。那么Na2O2与水反应过程中是否有过氧化氢产生呢？根据过氧化氢的性质，受热促进分解以及典型的加人催化剂二氧化锰促进分解设计实验表2，实验数据图3。得出结论反应过程中有过氧化氢生成，加热和加入催化剂二氧化锰促进过氧化氢的分解，并且体系氧气浓度进一步增大。

3.实验结论

Na2O2是一种淡黄色固体，与水发生反应生成碱和氧气，同时伴随有大量热量放出。反应过程中有中间产物过氧化氢生成，过氧化氢进一步分解生成氧气。

二、Na2O2与CO2的反应

1.实验设计思路

水可与Na2O2发生反应，同样具有灭火性质的CO2是否可以和Na2O2发生反应？向包裹有Na2O2的脱脂棉吹气引发生火实验，并进一步验证是呼出的水蒸气与Na2O2发生了反应还是CO2与Na2O2发生反应或者是CO2和水的协同作用。

设计实验装置包括：CO2发生装置，除杂干燥装置，三组对照检验装置（1：CO2气体流经Na2O2固体，2：CO2气体流经干燥剂及Na2O2固体，3：CO2通路），三组尾管均导入盛有石灰水的试管或置有燃烧蜡烛的集气瓶进行最终产生气体检验。考虑实验装置较多，为提高实验效率与直观性，以物理电路图设计为灵感，设计微型化实验线路图。装置图如图4。实验器材包括细玻璃管，连接用乳胶管，胶带纸及一定厚度硬纸板做支撑载体。CO2发生装置上口T形管口放有浸有氯化钠的脱脂棉吸收CO2气流带出的氯化氢气体。本实验装置可一次性完成Na2O2与CO2反应的实质及现象探究。实验微型化药品用量少，实验现象明显，直观可视Na2O2反应前后由淡黄色到白色颜色的变化。通过触摸或者上贴的感温纸体会反应发生则放热。对于碳酸盐的检验可以从乳胶管连接处取下小段玻璃管直接滴人盐酸并检验所生成气体。

2.实验过程及结果

在自制下口具支大试管中加入块状碳酸钙，从注射器中注入盐酸引发反应。反应结束通过下支口放走多余的酸终止CO2气体的产生。生成的CO2气体通过T形管分3路流向。三路尾管可通人饱和澄清石灰水或置有燃烧蜡烛的集气瓶中进行产物的检验（图4连接为导人澄清石灰水中，若用燃烧蜡烛检验只需将玻璃尾管导人置有燃烧蜡烛的集气瓶）。

实验结果如表3。

3.实验结论

实验3作空白对照实验，CO2可使澄清石灰水变浑浊，且不支持燃烧，可作为灭火性物质。从实验1可观察到，当碳酸钙固体与盐酸反应制得的CO2气体直接通过Na2O2固体，发生反应且生成支持燃烧性气体氧气及碳酸盐，反应放出大量热量。从实验2观察到，经氯化钙干燥的CO2气体流經同样Na2O2药品（路线1和2使用相同两份Na2O2固体，密封干燥保存）时并未发生反应。可见，干燥的CO2不与Na2O2发生反应，含有水蒸气的CO2与Na2O2反应生成碳酸盐和氧气。因此，推理微观过程：

第一步Na2O2与水反应生成H2O2：Na2O2+2H2O=2NaOH+H2O2

第二步H2O2不稳定发生分解：2H2O2=2H2O+O2↑

第三步CO2与第一步反应中生成的NaOH反应：2NaOH +CO2=Na2CO3+H2O

上述各式相加得总反应式：2Na2O2+ 2CO2=2Na2CO3+O2，反应放热。

三、总结分析

Na2O2是学生认知的一部分重要内容，利用实验探究Na2O2的相关性质及反应本质对学生学科素养的形成有重要意义。数字化实验是数字化信息时代下科技与常规实验相结合的产物，数字化实验过程全程可视，实验结果数字化呈现，实验设计更为科学客观。本探究利用数字化实验设备，探究结果科学呈现及反应现象可视，有利于根据实验做科学推理并设计合理的进一步探究，知识学习从发现问题到解决问题，从表及里，体现知识的衍生过程与探究过程。在学习相关知识的同时培养化学思维，提升学科素养。从数字化监测数据中看到Na2O2与水反应生成氧气并且放出大量热，同时观测到体系溶液出现先变红后褪色的实验现象，因此为变红再褪色的实质设计下一步探究内容，从而得到Na2O2与水反应的本质，认识中间产物过氧化氢的存在。对于Na2O2与CO2的反应，设计实验路线图，将复杂装置程序化，实验药品微量化，实验现象更加明了直观的呈现。通过三组对照得到一定湿度的CO2与Na2O2反应生成氧气并且放热，认识反应实质。实验探究式教学不仅有利于对知识的掌握，更有利于培养学生科学探究精神及专业学科素养。

参考文献

[1]朱立峰.化学思维方法[M].广州：广东教育出版社，2013

[2]李晓军.过氧化钠与二氧化碳反应的实验设计[J].中国教育技术装备，2017，11： 37

[3] 杨玉琴，谢丹敏，李军，过氧化钠与二氧化碳反应实质的实验探究[J].实验教学研究，2005，15（6）：2-3

[4] 王冲.浅析过氧化钠与水、二氧化碳反应的本质及应用[J].中学生数理化，2009，2：70-72

[5] 万世群.浅谈高中化学数字化实验教学[J].中学时代，2014. 21： 217

[6]陆惠莲.DIS数字化系统在高中化学实验创新设计中的应用[J].中国现代教育装备，2013，16：1-21

[7] 陈晨新，薛耀峰，闫寒冰，苏小兵.国内中学理科数字化实验教学现状与分析[J]实验教学，2013，6：123-125

[8]李娜.让数字化实验DIS走进化学课堂[J].教育教学论坛，2015，5：259-260