基于数字化实验 学习化学抽象原理

倪姗姗

摘要：在课堂中引入“数字化实验”仪器，学生通过小组合作、设计方案、分组实验、探究“化学腐蚀速率和原电池腐蚀速率的大小”。运用压力传感器和常用的仪器药品设计出两个简单易行的实验方案，在具支试管中测量锌粒在化学腐蚀和原电池腐蚀中产生气体的压强，从压强—时间的曲线变化，得出“原电池腐蚀速率大于化学腐蚀速率”这一结论，并通过概念迁移、数据处理，定量计算出两者速率比。用简单的实验体现抽象的原理，培养学生科学探究和创新的能力，用压强表征反应速率，培养学生知识迁移和应用的能力。

关键词：数字化实验；压力传感器；化学腐蚀；原电池腐蚀；腐蚀速率比较

文章编号：1008-0546（2023）07-0079-06 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.07.015

一、问题的提出

金属的腐蚀是高中电化学知识的教学重难点，对于腐蚀速率的快慢，教材中提出“电化学腐蚀的速率大于化学腐蚀速率”[1，2]（以下简称结论1），同时给出电化学腐蚀比化学腐蚀速率“快得多”[2]（以下简称结论2）的结论。上述结论，教材中没有文字解释，也没有实验说明。在考查学生电化学知识时经常用到结论1，绝大多数的教参中都会出现这样的习题。[3-5] 教师在教学中大多数会从理论上用语言抽象地描述，学生很难有深入的理解和认识，只能机械记忆。对于结论2，学生更是没有直观认识和实验佐证。

查阅中国基础教育文献资源总库，发现对“金属腐蚀速率”的研究内容主要集中在3个方面：（一）金属腐蚀速率的影响因素。从金属的种类、溶液的类型、溶液的浓度等多方面研究不同因素对金属腐蚀速率的影响。[6-8]（二）吸氧腐蚀和析氢腐蚀的对比研究，探究两种腐蚀的条件。[9，10]（三）对比单液原电池和双液原电池的工作效率。[11，12] 而用实验来证明结论1较少，[13-15] 其共同点都是应用数字化实验进行研究，实验现象明显，得出结论1，给教师很大的启发。但都是教师设计的实验，且没有定量比较，而把金属腐蚀速率比较的数字化实验应用于课堂教学的分组实验探究中暂未发现。

本研究在高二化学班的课堂教学中应用数字化实验，学生通过小组合作探究化学腐蚀和原电池腐蚀速率的大小，进行实验。设计两个简单易行的实验方案，探讨3个方面的问题：（1）解决传统实验中现象不明显的问题； （2）通过压力传感器测量压强—时间变化的曲线，通过比较曲线斜率的大小，判断腐蚀速率的大小，得出结论1。（3）根据实验所得数据，分析处理，计算在一定条件下原电池腐蚀与化学腐蚀的速率比。

二、教学理念和设计

1. 教学思想

本节课通过发现传统实验中不易显现的现象，引入数字化实验，以小组合作的形式，进行实验探究。一方面观察数据，得出定性的结论，另一方面处理数据，得出定量的结论。以数字化实验探究为重点，同时与传统实验形成对比，将化学学科抽象原理（金属腐蚀速率）与核心素养（证据推理和科学探究等）共同融入教学（见图1）。帮助学生从直观的感性（曲线）认识中分析反应本质、理解抽象原理。

2. 教学流程

教学流程见图2。

三、教学问题解决实施

本节课以生活中金属腐蚀图片引入主题，引起学生对化学现象的思考，引发探究欲望。提出任务：如何用实验研究“化学腐蚀速率和原电池腐蚀（析氢腐蚀）速率的大小”。

1. 传统实验的结论验证

化学腐蚀和原电池腐蚀的传统实验的对比如表1。两种腐蚀的实验装置示意图见表1中图3和图4，通过观察两者产生H 2 气泡的快慢，比较两种腐蚀速率的大小。

2. 数字化实验探究

在传统的定性实验中，通过肉眼较难观察到实验现象，需借助数字化手持技术进行定量化实验研究。[16，17]

（1）探究实验设计方案

①数字化实验仪器的介绍

教师介绍数字化实验的仪器，展示压力传感器、数据采集器，演示它们与电脑之间的连接和操作，以及软件的使用等。学生了解到定量比较气体的多少，不仅可以测量体积，还可以通过压力传感器测量恒容密闭容器中气体的压强。

②方案的设计

Ⅰ设计过程

见图5。

Ⅱ实验装置

学生通过讨论得出：具支试管为最佳的反应容器。装置实物图和示意图见图6。

Ⅲ仪器药品

实验仪器：具支试管、带有滴管的单孔橡胶塞、橡胶管、压力传感器（Vernier的型号为GAS-BTA）、数据采集器（LABQ2），笔记本电脑（装有LoggerPro3.8.7软件）等。

实验药品：锌粒（台山市众城化工厂，AR）、1 mol·L -1H 2 SO 4 溶液、1 mol·L -1 CuSO 4 溶液。

（2）实验步骤、现象、结论

同学们通过讨论首先得出了实验方案1，再通过教师引导： “如何在一个实验中呈现两种腐蚀过程？”，得出实验方案2。两个实验方案的示意图见图7和图8，实验过程见图9和图10，实验结果的数据图见图11和图12（在origin软件中作图），具体内容见表2。

（3）实验过程出现的问题

学生在实验过程中出现的问题主要有以下2个方面：（1）加入CuSO 4 溶液之后采集数据时间较长，导致容器中压强过大，胶塞被气压冲开。（2）橡胶塞没有塞紧，容器漏气，导致容器内的压强一直变化不大。在出现上述问题时，以小组讨论为主，教师引导为辅，学生积极思考，共同解决问题。

3. 曲线数据的定量分析

（1）提出问題

在得出结论1之后，教师提出问题：在这个反应中，原电池腐蚀速率是化学腐蚀的几倍？

（2）讨论方案

（3）处理数据

以某一小组方案1的实验数据为例（见表3），

（4）得出结论

在此实验条件下原电池腐蚀速率约为化学腐蚀速率的4.76倍左右。（每个小组算出来的数值有所偏差，最后可以算出几个小组的平均值。且不同的药品和装置，测量和计算的结果有所不同。）学生从直观的数据得出，原电池的腐蚀速率比化学腐蚀速率“快得多”——教材中的结论2，其他条件下甚至比这个比值更大，不仅培养学生数据处理的能力，更能体会生活中金属腐蚀的严重性，以及金属防腐的重要性，激发学生将来致力于研究减缓金属腐蚀速率的有效方法的兴趣。

4. “四重表征”比较分析

在传统“三重表征”基础上发展形成的四重表征，[18，19] 即宏观—微观—曲线—符号。帮助学生多角度分析问题，理解反应本质，学习抽象原理。下文以方案2为例，从“宏观—微观—符号—曲线”4个方面进行分析（见表4）。

5. 课下问题的思考和拓展

本节课后留给同学们思考的问题： （1）原电池微观的工作原理。根据现象和结论进一步从电子、离子等角度思考原电池的微观工作原理。 （2）影响腐蚀速率的因素。由不同小组在操作不同、试剂不同等情况下得出的数据不同，思考影响腐蚀速率的具体因素。（3）拓展实验：电化学腐蚀中还有电解池腐蚀，如何用实验比较“电解池腐蚀的速率和化学腐蚀速率的大小”。带着这些问题，进一步运用探究的方法，小组的形式，培养灵活运用知识的能力，提高解决未知问题的能力。

四、教学反思和建议

1. 教学反思

（1）利用简单实验探究抽象原理

用实验室中常规、少量的药品，简单、易操作的仪器设计并进行数字化实验，得出教材中抽象的结论，耗时短，现象明显，重现性高。有效地帮助学生从直观的现象理解抽象的原理，进而分析原因，理解本质。同时便于应用于课堂教学的学生分组实验，对比过去手持技术的实验绝大多数在课余兴趣小组开展，取得了较大的突破，有利于数字化实验在课堂教学中的推广。

（2）运用数据处理体会定量研究

“重视信息技术的应用”应重视化学教材信息资源平台的建设，为各种潜力的学生和教师提供多种多样的学习资源。[20] 课程标准（2017年）的化学学科核心素养的水平划分里，多次提到“定量”。本研究利用实验所得数据，进而通过概念迁移、数据处理，得出定量结论2，学生学会运用化学符号和定量计算等手段深入学习化學知识。

（3）基于数字化实验体验探究过程

学生在设计数字化实验的过程中，学习探究方法，培养探究能力，提高学科的科学素养。同时积极思考，并依据探究目的，设计并优化实验方案，完成实验，能对观察记录的实验信息进行加工并获得结论，能和同学交流和分享，尊重事实和证据，养成独立思考、勇于质疑和勇于创新的精神。[20]

（4）通过小组合作培养合作意识

在此实验操作时，压紧橡胶塞，滴入硫酸铜溶液，采集数据，观察仪器的接口是否有脱落的可能等，诸多工作都需要各成员配合协作，小组成员各抒己见，提出方案，共同解决问题。凸显学生的主体地位，使得课堂教学变得富有活力，提升合作意识，提高自主学习能力。

2. 建议

（1）表征抽象概念的实验开发

教材中较多的反应原理比较抽象，没有实验佐证。例如单液原电池和双液原电池电流和电压的对比、电解池腐蚀速率与原电池腐蚀速率的比较等，有待于研究者对教材中抽象原理进行物理量的表征，开发简单可行的实验，帮助学生从物质的微观层面理解化学的组成、结构和性质，有助于深度学习抽象的原理知识。

（2）数字化实验在教材中应用

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中，在“教材编写建议”中明确提出“化学教材应适当增加数字化实验、定量实验和创新实践活动等，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值”[20] 。手持技术实验近几年的案例开发逐渐增多，与中学教学联系日趋紧密，课题研究越发深入，实验过程和效果朝着简洁高效的趋势发展。在编写教材时可以选择一些数字化手持技术的实验案例，供有条件的学校运用。

参考文献

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，化学课程教材研究开发中心. 普通高中教科书：化学选择性必修1化学反应原理[M]. 北京：人民教育出版社，2020：108.

[2] 宋心琦. 普通高中课程标准实验教科书：化学反应原理（选修）[M]. 北京：人民教育出版社，2009.

[3] 《高中同步辅导与检测》编写组. 金版学案高中同步辅导与检测·化学·选择性必修1：化学反应原理[M]. 广州：广东高等教育出版社，2021.

[4] 孙翔峰. 创新方案：新课标高考总复习·化学[M]. 合肥：安徽科学技术出版社，2018.

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[9] 倪霞. 运用手持技术对钢铁的腐蚀进行四重表征教学小探[J]. 化学教与学，2018（2）：2-4.

[10]林建芬，钱扬义.运用数字化手持技术对金属电化学腐蚀探究实验的改进[J]. 中学化学教学参考，2015（1）；52-53.

[11]盛晓婧. 利用数字化手持技术探究原电池电流和温度的变化[J]. 化学教育，2016（5）：61-66.

[12]王春. 运用手持技术探究单双液原电池的能量转化效率[J]. 教育与装备研究，2017（10）：71-73.

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[16]钱扬义. 手持技术在理科实验中的应用研究[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

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[20] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.