数字化灵敏实验助力化学概念的建构

张现霞

摘要：以“电解质与非电解质”的概念建构为例，探讨数字化实验和灵敏小实验在化学概念建构过程中的设计、应用和价值。利用集成电路板式物质导电装置创设人体能导电的真实情境，提出“人体为什么能导电”的驱动性问题，引导学生利用精密电导率仪从定性走向定量开展实验探究，在数据处理和分析过程中建构电解质、非电解质等概念，从探究活动中学到知识、习得能力、发展素养。

关键词：数字化灵敏化实验；化学概念；电解质与非电解质

文章编号：1008-0546（2022）01-0091-04中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.022

*本文系上海市嘉定区教育科研一般课题“以实验为核心的高中化学课堂学生活动的设计与实践研究”（立项编号：JB20015）阶段性成果。

一、问题的提出——“电解质与非电解质”概念建构的传统教学设计

“电解质与非电解质”概念的建构是高一学生在初中物质分类的基础上，从能否导电的角度对各类化合物的再分类、再概括的过程，是离子反应、电化学原理的基础，是发展“宏观辨识与微观探析”素养的有效载体之一。

在传统的教学设计中，一般采用灯泡串联溶液的导电装置（下文称“灯泡式物质导电装置”）对化合物溶液能否导电进行实验，该实验简单、直观，但往往因灵敏度不够，无法在安全电压下解释“水是电解质”这一事实。据笔者调研，学生在以往的学习经历中通过初中“电解水”的实验知道“水能导电”，但初中“电解水”的实验需向水中加入氢氧化钠等物质增加导电能力，实际上学生缺乏“纯水可以导电”的真实体验。另外，传统教学中探究“物质在熔化时的导电性”时一般也是通过灯泡式物质导电装置完成，有时候受限于加热操作不方便、演示实验受众面小等而采用视频代替，这显然不利于学生对“电解质与非电解质”概念的建构。

为提高溶液导电能力检测的灵敏度，一系列含灵敏元件的仪器设备应运而生，如含有发光二极管的溶液导电仪、台式或笔式电导率仪。溶液导电仪（图1）能帮助学生直观地判断电解质和非电解质溶液，同时可根据发光二极管亮灯的个数鉴别强电解质和弱电解质溶液，但正是因为该装置的设计初衷是同时鉴别强电解质、弱电解质和非电解质溶液，要求配制相同浓度的溶液进行实验，故该装置适用于验证性实验，在新授课的学生探究活动中并不适用。电导率仪能从定量的角度分析纯水、酸溶液、碱溶液、盐溶液电导率值，既能发展“证据推理与模型认知”的核心素养，又能带领学生体验数据处理的一般思路和方法。

当然，传统教学中对“电解质与非电解质”概念关键词“或”“和”“化合物”的辨析是非常必要的，它能帮助学生加深对概念的理解，但缺少有效实验的概念辨析很容易演变成纯粹的、静态的文字游戏，这与“素养为本”的教学理念不符。

二、基于数字化实验和灵敏小实验建构“电解质与非电解质”概念的教学设计（见图2）

1.集成电路板式物质导电装置提高实验灵敏度

传统的灯泡式物质导电装置灵敏度差，在安全电压下无法创设“人体导电”的真实情境，也无法解释“纯水能导电”这一事实。含多个发光二极管的溶液导电仪操作繁琐，要求溶液浓度相同，不利于探究活动的开展。为解决以上问题，笔者使用一个发光二极管，做成集成电路板式的物质导电装置，并用该装置进行人体导电实验和纯水的导电实验（图3、图4）。

使用该装置探究“物质在熔化时的导电性”也特别奏效，操作简单，现象明显，如图5。实验过程中很明显地观察到硝酸钾固体熔化过程中發光二极管逐渐变亮，熔融硝酸钾在冷却凝固过程中发光二极管逐渐变暗，这能很好地帮助学生理解“物质导电的前提条件”。通过对比熔化状态的硝酸钾和熔化状态下的蔗糖导电情况，学生很容易找到“离子化合物和共价化合物的实验鉴别方法”。要向学生说明加热熔化硝酸钾需要注意的安全事项。在加热熔化蔗糖时需要特别注意温度，防止高温下蔗糖炭化生成的水使发光二极管亮起来。同时，通过对硝酸钾晶体和蔗糖晶体熔化的时间对比，带给学生“离子晶体和分子晶体熔沸点比较”的真实体验。该实验的演示过程通过投屏增加受众面，效果很好。

2.电导率仪从定性走向定量，向学生渗透数据处理与分析的一般方法

利用灯泡式物质导电装置与集成电路板式物质导电装置分别进行人体导电实验和纯水的导电实验，通过对比，学生真切地体会到提高灵敏度对化学实验的重要性，从而引入定量检测物质导电能力的仪器——电导率仪（图6），同时得出“水对人体导电有贡献”的结论，并组织小组实验用电导率仪测量纯水的电导率，通过实验发现：不同仪器检测同一物质，实验数据略有差异，这属于实验的系统误差，引导学生形成“实验中尽量使用同一台仪器测量，以避免系统误差”的实验思想。

此时，教师引入一组人体细胞内液成分和细胞外液成分的资料，引发学生再思考“人体为什么能导电”，并提出新的假设：人体中的盐对人体导电有贡献。组织学生进行小组实验，汇总实验数据（见表1），在数据处理与分析中引导学生体会“空白实验”的意义，在小组讨论中形成电离的概念。

【小组实验一】用电导率仪测量水的电导率，读数稳定后记录电导率值。

【小组实验二】测量溶液的电导率：

用洗瓶中的水溶解本组提供的固体，形成至少2 cm高度的溶液，用电导率仪测溶液的电导率，读数稳定后记录电导率值。

【小组讨论】

（1）与水相比，哪些物质的水溶液导电能力明显增强？

（2）从物质类别上看，水溶液导电能力明显增强的物质分别属于哪类物质？

（3）物质水溶液的导电能力增强，可能的原因是什么？

结合小组实验“物质在水溶液中的电导率”和演示实验“物质在熔化时的导电性”，建构电解质和非电解质的概念，并在初中常见物质分类的基础上进行“电解质和非电解质”角度的重新分类，在此过程中引导学生对“化合物”“或”“和”等字眼的辨析。最后通过一个趣味实验，辨析“电解质本身在水溶液中电离产生离子”。

【小组实验三】

步骤一：在空气中向电导率仪探头处吹CO2，观察电导率仪读数变化；

步骤二：用电导率仪测量水的电导率，用吸管向水中吹CO2，观察电导率仪读数变化。

“电解质与非电解质”概念建构完成后，再引导学生回答“人体为什么能导电”，鼓励学生课后探究人体其他生理现象与电解质的关系。

3.定量实验的延续性，为“强电解质与弱电解质”的学习做铺垫

在小组实验一中教师不对学生配制的溶液做浓度限定，同种溶液不同小组测定数值不同，导电能力不同，可以引发学生深入思考，引导学生课后设计实验：探究不同电解质在水溶液中的导电能力差异。学生根据已有的“控制变量法”思想设计出“测量相同物质的量浓度的不同溶液的电导率”，进而为“强电解质与弱电解质”的学习做好铺垫。

【小组实验】用电导率仪分别测量0.1 mol/L盐酸和0.1mol/L醋酸溶液的电导率，读数稳定后记录电导率值。

电导率仪能帮助学生突破“溶液的导电能力与离子浓度成正比”这一难点，实验中的真实体验和实验数据的科学直观比教师的理论分析更有说服力。另外，带有温度传感器的电导率仪在探究“温度对弱电解质电离平衡移动的影响”中也非常方便直观。

三、总结与思考

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。从短期效果看，传统讲授式的概念建构和实验探究体验式的概念建构效果差异可能并不大，但从学生终生发展来看，后者更注重学习方法和思维能力的培养，也更符合“学生为本”“素养为本”的思想。正如美国课程专家埃里克森所说：提高学业标准更多地是要求思维能力的提升，而不是掌握更多的事實内容；学习的重心应该从记忆事实转移到理解可迁移的核心概念和对更为根本的知识结构进行深层理解，培养和发展思维能力[1]。

随着教育现代化进程的不断推进，数字化实验、灵敏化实验在中学化学教学中的作用越来越突出[2]。本案例在“电解质与非电解质”概念的建构过程中，含发光二极管的集成电路板式物质导电小装置简单、方便，能在安全电压下创设“人体能导电”的真实情境，其灵敏度足以说明“水是电解质”，且对物质熔化状态下的导电实验也特别奏效；电导率仪的使用使得数字化实验落地，没有复杂的实验数据分析，但是蕴含数据处理思想，如空白实验的设置等；另外以电导率仪为核心的数字化实验可延续进行“强电解质与弱电解质”的概念构建、“弱电解质的电离平衡”探究等。不仅是在概念建构，在物质性质探究、分析模型建立等方面，数字化实验、灵敏化实验的应用也值得研究和挖掘。

参考文献

[1]刘徽.用概念筑起通往未来之桥——读《以概念为本的课程与教学：培养核心素养的绝佳实践》[J].现代教学，2019（17）：77-79.

[2]裴传友，马善恒，杨芹.中学化学数字化实验的发展与应用[J].化学教学，2020（2）：56-60.