数字化实验促进高阶思维发展的实践研究

摘要：化学教师发挥数字化实验独特优势能有效提升学生的高阶思维能力，促进学生思维方式转变，实现思维进阶，即从基础的描述性及记忆性向高阶的逻辑性、策略性、递进性、实践性和创新性等转变。教师利用数字技术，以碳酸钠和碳酸氢钠为载体，创新大单元设计，分课时递进式开展系列化的实验活动，实施教学评一体化，证实了科学开展数字化实验对培养学生高阶思维能力有促进作用。

关键词：数字化实验；高阶思维；单元设计；教学评一体化

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》强调：重视开展“素养为本”的教学，倡导创设真实情境，开展以化学实验为主的多种探究活动，促进学生学习方式的转变，加强探究活动中的科学思维进阶。教师采用有利于促进学生高阶思维发展的模式和策略教学，可以更好地培养学生的思维能力。学生学习化学，从简单的知识记忆和理解逐步过渡到运用所学原理解决复杂问题、深度探究和创新思考，是认知进阶发展的过程。学生思维层次从基础的描述性、记忆性向逻辑性、策略性、递进性、实践性和创新性转变[1]。这种转变使得学生不仅能够熟练掌握和应用化学基础知识，而且能结合真实情境灵活应对复杂的化学问题，具备独立研究与解决问题的能力。在开展数字化实验过程中，教师可以引导学生进行实验设计和操作，运用逻辑思维、创新思维和批判性思维来解决实际问题，增强他们的实践能力和创新意识，促进学生高阶思维发展[2]。如何有效开展数字化实验，在教学中促进学生高阶思维发展，值得教师深入思考与研究。

一、科学开展数字化实验可促进学生高阶思维发展

数字化实验是时代进步的产物，教师用其教学可将不易观察的实验现象以图像和数字等形式显示出来，能够清晰地观察微观的“量”的变化带来的宏观实验现象的变化，更加直观地揭示化学反应原理。教师对传统实验进行数字化改进，让学生获得更好的体验，理解和应用化学知识。

笔者以碳酸钠和碳酸氢钠的性质比较为例，将传统实验进行数字化改进，以激发学生“思维”为核心，探索采用“思维建模、创设情境、问题引导、循序渐进、信息剖析”等指向高阶思维发展的教学策略[3]，实现从简单到复杂、从理论思考到实践应用、从部分到整体、从要素提取到逻辑分析的思维进阶，切实提高课堂教学实效，提高学生的思维能力和科学素养。

二、基于数字化实验的碳酸钠和碳酸氢钠大单元设计

碳酸钠和碳酸氢钠是中学无机化学两种重要的化合物。在人教版化学教材中，相关内容逐步深入。从义务阶段到高中必修，再到高中选择性必修跨年级呈现。教材九年级下册介绍“盐”，高中必修上册介绍“物质的分类与转化”“离子反应”“钠的重要化合物”，高中选择性必修1介绍“盐类的水解”。教材内容的编排既遵循知识的逻辑顺序，又遵循学生认知规律，由浅入深，从生活情境出发，逐步对二者用途及其性质进行剖析。首先从物质类别、复分解反应原理角度，宏观视角认识二者盐类及其反应特征；然后提升到从电解质的电离与盐的水解角度，微观视角认识二者参与离子反应的本质。

笔者面向高中学生，以碳酸钠和碳酸氢钠为载体，借助数字化仪器，以教学评一体化的理念组织大单元教学，有利于教学内容的结构化，有助于学生在跨越年级的学习中将新知学习和高三复习内容自主衔接起来，促进学生认知水平的进阶和高阶思维的发展。大单元设计必备核心知识包含碳酸钠和碳酸氢钠固体溶解热、固体受热分解、盐溶液的pH及水解原理分析、与酸反应快慢及反应机理的探究。大单元教学评涉及4个性质、6个探究活动。笔者借助8个数字化实验，让学生亲身体验数智饕餮盛宴，促进高阶思维发展。基于数字化实验的碳酸钠和碳酸氢钠的大单元教学设计框架如图1所示。

三、碳酸钠和碳酸氢钠大单元教学评一体化促进学生高阶思维发展

笔者按照大单元设计框架，分三个课时开展主题活动，逐步进阶。

（一）碳酸钠和碳酸氢钠的性质数字化实验探究

1.思维建模，整体构建，促进主题引领下的系统性高阶思维发展

在教学过程中，教师促进学生思维的进阶不仅仅要传授知识，更要教给学生学习方法和认知策略。科学思维强调的是逻辑性、实证性和创新性。学生在对实验进行设计、实施和分析过程中，以系统化、逻辑化的思维方式，对核心物质性质展开预测、假设、分析、验证和创新等活动[4]。科学思维是建立系统性思维的重要途径，具体过程如图2所示。

2.问题引导，启发教学，促进发现问题、提出假设的逻辑性高阶思维发展

学生在研究和思考的过程中，思维会发生碰撞，产生认知冲突。他们以现有的认知水平和思维方式及解决问题的能力很难在短时间内厘清思路、解决问题。笔者遵循学生的认知规律，针对学生的认知冲突，将认知冲突和具体问题紧密结合，确定情境问题和具体主题，通过设计活动使学生产生具有逻辑相关“问题链”“思维链”[5]。这个链条是深化学生思维，引导学生开展拓展探究的最佳载体[6]。例如，笔者组织学生参与蒸馒头的活动，引导他们探究膨松剂的应用价值，预测碳酸钠、碳酸氢钠的化学性质。学生在蒸馒头的活动中不仅体验到快乐，而且产生一系列思考。这为教师提供了很好的教学素材，也提高了学生学习起点。

3.设计实验，确定方案，促进分析问题、解决问题的策略性高阶思维发展

学生在预测性质、实验方案设计、分组交流、确定方案的探究过程中深刻认识到单一物质的性质不同于两种物质性质对比，需要利用控制变量法进行分析，而灵活运用知识解决问题的本质在于区分两种物质相似性和区别。笔者以此激发学生深度思考，建立研究物质的一般思维模型，发展证据推理与模型认知素养。

学生经过讨论预测如下：（1）碳酸钠和碳酸氢钠溶液呈碱性（比较碱性强弱）；（2）碳酸钠比碳酸氢钠热稳定性强；（3）碳酸钠与酸反应不如碳酸氢钠快。

笔者考虑到学生学习必修课程阶段其探究实验能力尚处于较低水平，提供了传统的实验装置，并控制实验的开放度，让学生依据反应原理，自主选择反应物及适合的实验装置，设计实验方案，并亲自实验、观察现象、对比分析进而得出结论。然而，实际上学生无法定量感知碳酸钠和碳酸氢钠溶液碱性强弱，选择的装置较为复杂，操作失误未能得出正确一致的结果。于是，在教师的引导下，学生尝试利用数字化仪器改进传统实验。

4.借助数字化装置，改进实验，促进深度解决问题的创新性高阶思维发展

学生在了解数字化实验仪器各传感器的性能及其数据外显基本原理后，转换思路，对实验方案进行再设计，尝试亲身实践，分析实验数据，感受数字化实验的独特魅力，实现学生深度解决问题的创新思维进阶。笔者提供给学生数字化实验仪器包括智能数字实验盘、pH传感器、二氧化碳传感器、温度传感器和压强传感器等（如图3a）。

活动一：探究碳酸钠和碳酸氢钠溶于水的热效应。

为提高实验的安全性和温度测量的灵敏性，师生将温度计改为温度传感器。学生向分别盛有1 g碳酸钠和碳酸氢钠的两个烧杯中各加入1 mL水，用玻璃棒搅拌，将温度传感器分别插入其中，观察温度示数变化。观察温度－时间图（如图4）可知：溶质从开始溶解到完全溶解的动态全过程可视，碳酸钠溶于水后温度升高，说明其过程是放热过程；碳酸氢钠溶于水温度降低，说明其过程是吸热过程。

活动二：比较碳酸钠和碳酸氢钠两种物质的热稳定性。

数字化实验意图：传统实验虽能对比两种物质热稳定性，但装置较为复杂，装置气密性难以保证。学生改用二氧化碳传感器和高温传感器开展数字化实验，并配合利用较为简单的装置（如图5），可测定二氧化碳百分含量随温度升高的变化量和分解时的温度数值。

实验步骤：向硬质玻璃管中装入3 g碳酸氢钠或3 g碳酸钠，打开数字实验盘，将高温传感器探头插入大试管底部，将二氧化碳传感器置于试管口，点燃酒精灯，观察二氧化碳百分含量随温度升高变化情况。

实验数据与结果分析如下。学生分析温度-二氧化碳含量（0.0001%）数据得知：未加热前，两种物质（固体状态）周围环境中二氧化碳含量相差不大，分别为0.058%、0.0544%；当加热到80 ℃左右，碳酸氢钠周围环境中二氧化碳含量开始升高，83.2 ℃时，达到0.152%；碳酸钠周围环境中二氧化碳含量几乎不变。随着温度升高，当加热到118 ℃时，碳酸氢钠周围环境中二氧化碳含量达5.6904%；而当加热到174.2 ℃时，碳酸钠周围环境中二氧化碳含量变化不大，数值为0.0556%。由此得出结论：随着温度升高，碳酸氢钠受热易分解产生二氧化碳；相同条件下碳酸钠热的稳定性比碳酸氢钠的高。

活动三：使碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应并比较反应快慢。

数字化实验意图：气球趣味性实验虽能用气球的膨胀情况比较碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应速率大小，但是在课堂教学中，学生可能因操作失误、药品部分黏附在气球或试管内壁上而导致不具有可比性，或反应过快造成气球膨胀迅速导致漏气等。对于各组实验得出的“实验异常现象”，教师要善于抓住契机加以引导，不能简单地将现象归结于操作不当，把结论“硬生生”地引到“正确轨道”上来。笔者引导学生借助压强传感器开展数字化实验进行定量测定，帮助实验失败的小组分析原因。

实验步骤：按图6a所示实验装置进行安装。为保证液体顺利流下，采用恒压分液漏斗，将吸滤瓶侧管与压强传感器相连，检查装置气密性；将3 mL、0.05 mol/L的盐酸分别装入两个恒压分液漏斗中，向两支相同的吸滤瓶中分别加入10 mL、0.01 mol/L的碳酸钠、碳酸氢钠溶液，观察压强随时间变化的曲线，同时旋转恒压漏斗旋塞，在盐酸完全流出后立即关闭旋塞。

实验数据与结果分析：观察压强-时间图（如图6b）可知，随着盐酸的加入，碳酸氢钠比碳酸钠在单位时间内产生的气体更多，即前者反应速率大；最终碳酸氢钠与盐酸反应产生气体比碳酸钠与盐酸反应产生气体的量多。

（二）碳酸钠和碳酸氢钠在水溶液中水解原理数字化实验探究

1.应用原理，分析数据，促进实证与理论结合的推理性高阶思维发展

实验步骤：借助pH传感器测定常温下0.01 mol/L碳酸氢钠溶液、0.01 mol/L碳酸钠溶液、0.1 mol/L 碳酸钠溶液的pH，引导学生近似计算两物质的水解平衡常数，进而归纳出影响水解的因素（如盐的类型、浓度）。

（3）实验结果：①0.01 mol/L 碳酸氢钠溶液pH为8.72；②0.01 mol/L 碳酸钠溶液pH为10.73；③0.1 mol/L 碳酸钠溶液pH为11.45。

笔者引导学生先测量溶液①、②的pH，计算两者的水解平衡常数。学生得出碳酸钠水解程度远大于碳酸氢钠的结论，即Kh1>>Kh2。教师再利用水的离子积和水解平衡常数进一步推出碳酸的两步电离平衡常数Ka1>>Ka2。学生由此得出结论：生成盐的酸越弱，其盐中弱酸根离子水解程度越大。学生计算得知：碳酸氢根离子的水解平衡常数（Kh2）大于碳酸的第二步电离平衡常数（Ka2），即HCO3-的水解能力强于其电离能力。学生比较溶液②、③的pH，分析得出稀释溶液促进盐类水解的结论。

实验效果评价：该实验使用pH传感器定量测定溶液的pH，相较于传统实验中使用酚酞溶液或pH试纸观察现象，数字化实验可以定量地测定两种溶液的pH，精确地反映微小的pH变化。这不仅可以增强实验的精确性和科学性，而且有利于学生利用已有知识深度剖析溶液中的离子和水解程度，助力学生提高实验技能和科学素养。

（三）碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应机理系列数字化实验探究

1.创设情境，联系生活，促进理论应用的实践性高阶思维发展

学生思维进阶关键在于将学科理论知识应用于实际问题的解决过程中。在教学中，教师可以联系生活实际创设情境，引导学生深度探究。笔者创设如下情境：播放“神舟”十三号载人飞船上的宇航员在中国空间站“天宫课堂”演示泡腾片与水球融合的过程，引发学生思考“泡腾片为何遇水会产生气泡”，并提供有关泡腾片成分的资料，为他们学习碳酸钠、碳酸氢钠与酸反应埋下伏笔。

2.由浅入深，循序渐进，促进深度加工知识的递进性高阶思维发展

高效学习离不开积极思考和主动探索。教师在教学过程中不仅要帮助学生理解知识，而且要引导学生思考其背后的原因、逻辑。学生在比较碳酸钠和碳酸氢钠与酸反应速率大小后，对碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应机理、碳酸钠溶液与稀盐酸互滴反应机理及碳酸根离子、碳酸氢根离子与氢离子反应先后顺序进行深入思考与讨论。笔者设计了酸碱中和滴定的数字化实验，引导学生利用pH传感器和滴数传感器对不同溶液之间的反应机理进行探究。

活动一：探究碳酸钠、碳酸氢钠与盐酸反应机理。

实验操作：按照图3b安装仪器，打开磁力搅拌器，启动传感器，将0.05 mol/L盐酸逐滴加入0.05 mol/L 碳酸氢钠溶液中，观察溶液pH随盐酸体积变化的图像。随后，将碳酸氢钠溶液改为0.05 mol/L 碳酸钠溶液再次进行滴定。

实验结果如下。

①将稀盐酸滴入等浓度碳酸氢钠溶液，随着盐酸滴入量增多，pH逐渐减小，并出现一次突变（如图7），这表明碳酸氢根离子与氢离子生成二氧化碳和水，反应原理为NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

②将稀盐酸滴入等浓度碳酸钠溶液，随着盐酸滴入量增大，pH逐渐减小，并出现两次突变，且两次突变前消耗盐酸的体积比约为1∶1（如图8）。这说明在第一次突变之前主要发生氢离子与碳酸根离子的生成碳酸氢根离子的反应，随即出现第二次突变，即证明反应分两步进行，第一步Na2CO3+HCl=NaHCO3+NaCl，第二步NaHCO3+HCl=NaCl+CO2↑+H2O。

活动二：进阶实验——验证碳酸钠与稀盐酸互滴反应机理。

实验步骤与数据分析：与本课时的活动一实验步骤相似，但与活动一②实验滴加溶液顺序相反，将0.05 mol/L 碳酸钠溶液滴入等浓度盐酸中，得到的pH-滴数图（如图9）中仅出现一次突变。当碳酸钠溶液滴入盐酸这一大环境，碳酸根离子遇到局部浓度过高的氢离子，就会在短时间内捕获两个氢离子，迅速生成碳酸，因此，pH曲线只出现一次突变。这证明发生了如下反应：Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑。

活动三：碳酸根离子、碳酸氢根离子与氢离子反应先后顺序的测定。

实验步骤与数据分析：活动三实验步骤与活动一相似，仅将烧杯中溶液换为等浓度等体积的碳酸钠、碳酸氢钠混合溶液，与活动一中的第二个实验的结果相似：随着盐酸的滴入，混合溶液的pH也逐渐降低，且出现两次突变，不同的是两次突变前消耗盐酸体积比约为1∶2（如图10）。说明在碳酸根离子、碳酸氢根离子同时存在的溶液中，氢离子优先与碳酸根离子反应，再与碳酸氢根离子反应。学生由此排除了因浓度小的原因，得出碳酸根离子结合氢离子的能力比碳酸氢根离子强的结论。

实验效果评价：学生将pH传感器和滴数传感器结合使用，将传统的定性实验定量化，不仅展示静态的实验结果，而且展示了动态的滴定过程，使学生对由量决定的离子反应形成科学的认识，促进思维进阶发展。

综上所述，笔者以碳酸钠和碳酸氢钠的性质探究为例，借助数字化实验独特优势，进行大单元设计，引领学生参与教学评一体化的过程，从定性到定量、从抽象到形象，再到数字化感知、对比分析、计算、应用，实现学生思维水平从低阶向高阶的跃升，以及核心素养的发展。

参考文献

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[3] 陈进前.“模型认知”是重要思维方式[J].化学教学，2020（5）： 9-15．

[4] 马辉.浅谈基于深度学习的项目教学设计策略：以微项目“探秘神奇的医用胶”为例[J].化学教与学，2023（14）：45-47.

[5] 杨艳华，何彩霞.引导学生运用化学知识解决生活中的问题：以“生活中常见的消毒剂”单元教学为例[J].教学仪器与实验，2021（6）：41-45.

[6] 李发顺，叶跃娟．思维课堂的设计、实践与生成[J]．化学教学， 2022（10）：60-63．

（作者冯雯系天津市第二中学高级教师；英华系天津市河西区教师发展中心正高级教师；邱阳系天津市第二中学高级教师）

责任编辑：祝元志