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数字化实验在初中化学教学中的应用以二氧化碳的释放和吸收》一课为例
摘 要：化学教学中,运用数字化技术开展实验探究,有利于揭示宏观世界与微观世界的联系,感知化学变化中的平衡与守恒思想,开展证据推理和模型认知的研究,培养学生的科学探究和创新精神,增强学生的主人翁意识和社会责任感.《二氧化碳的释放与吸收》的复习课教学,以现实问题串联“二氧化碳的温室效应”“实验室制取二氧化碳”“酸雨的pH”“二氧化碳的捕捉与释放”等的探究,借助数字化技术实现宏观与微观、定性与定量、数据与图像的有机结合,以期助力学生化学核心素养的提升.
关键词：数字化实验二氧化碳的性质与制取核心素养
一、数字化实验的优势与价值
相比于传统的实验,数字化实验主要有如下三个优势：（1）数据采集的智能化.主要表现为“数字化感知”和“实时性记录”.前者指数字化实验能以数字形式感知和记录化学实验中的各种变化,后者指数字化实验能实时、同步地记录并呈现化学实验中各种量的变化.（2）定量研究的便捷化.主要指“记录数据的准确性”和“处理数据的高效性”.数字化实验的数据、图像、仪表三大类表征形态均能对揭示物质之间的定量关系提供大量、精确的数据,使定量实验更便捷；而且,获得的数据可以通过软件提供的各种算法进行高效的处理.（3）实验现象的直观化.主要体现在“数据直观”和“现场直观”两个方面.前者指数字化实验的数据采集灵敏度高、呈现性强,能检测反应过程中许多实验现象或参数的微弱变化；后者指数字化实验能离开实验室或教室,到研究现场去进行.
化学教学中,运用数字化技术开展实验探究,有利于揭示宏观世界与微观世界的联系,感知化学变化中的平衡与守恒思想,开展证据推理（依据对现象的观察）和模型认知（通过对数据和图像的分析）的研究,培养学生的科学探究和创新精神,增强学生的主人翁意识和社会责任感,从而提升学生的化学核心素养.
二、基于数字化实验的化学教学课例
在沪教版初中化学九年级上册《二氧化碳的释放与吸收》的复习课教学中,笔者以现实问题串联有关二氧化碳性质与制取的一系列探究,借助数字化技术实现宏观与微观、定性与定量、数据与图像的有机结合,以期助力学生化学核心素养的提升.
（一）科学探究：二氧化碳的温室效应
教材中对温室效应的描述为：“当大气中二氧化碳等气体的含量升高时,会增强大气对太阳光中红外线辐射的吸收,阻止地球表面的热量向外散发,使地球表面的平均气温上升.”这样的文字描述很难带给学生直观的感受.基于此,笔者借助温度传感器做对比实验来直观探究二氧化碳的温室效应.
（教师演示实验：两个相同大小的玻璃瓶,一个瓶子里充满了二氧化碳,另一个瓶子里装的是空气.用同一束光照射3 min,连接温度传感器采集温度的数值变化,得到两条温度随时间变化的曲线,如图1.）
师根据曲线图,你能得出什么结论？
生光照时间相等,装二氧化碳的瓶子升温较快.
（教师演示实验：关灯后,继续用温度传感器采集温度的数值变化,又得到了两条曲线,如图2.）
师我们又能得出什么结论？
生光照时间相等,装二氧化碳的瓶子冷却较慢.
师实验告诉我们二氧化碳有什么作用？
生保温作用.
师“温室效应”是我们给大气的保温效应起的名称.它有什么正面意义吗？
生气候不会骤冷骤热,地球会是一个宜居的星球.
师那如果温室效应加剧呢？
生冰川融化,海平面上升；有些地方炎热得无法居住,甚至变成沙漠.
通过数字化实验探究二氧化碳的温室效应,一方面可以使学生对温室效应的认识由抽象变为具体,由片面转为全面,使他们不再简单地把温室效应看成负面效应,而认识到其正面意义；另一方面可以让学生对数字化曲线进行解读,提升了他们对数据和图像的分析表达能力.
（二）证据推理：实验室制取二氧化碳
实验室常用稀盐酸与大理石反应来制取少量二氧化碳,化学方程式为：CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑.写完化学反应方程式后,有些学生会很自然地认为实验室可以用碳酸钙粉末与稀盐酸反应来制取二氧化碳.而且,通过早先的课堂演示实验,学生知道稀硫酸不能作为实验室制取二氧化碳的液体反应物,但是较少能完整地说出理由.因此,笔者设计了师生共做的实验来说明为什么实验室会选择稀盐酸与石灰石（大理石）反应来制取二氧化碳气体.
（教师演示实验：让两名学生各拿一支套上气球的试管,气球中分别装入2 g石灰石块状固体和2 g碳酸钙粉末,试管中预先倒入5 mL稀盐酸,观察现象.）
师（对拿着装有碳酸钙粉末试管的学生）恭喜你,因为你的气球变得更大.这说明哪一支试管中的气体产生得更快呢？
生碳酸钙粉末的.
师是什么原因呢？
生碳酸钙是粉末,石灰石是块状固体,前者与稀盐酸的接触面积更大,反应更快.
师两个试管中的反应是同一个反应吗？
生是的.
师这说明一个化学反应方程式能不能说明一个化学反应的所有事实？这里的事实是指反应速率的大小、吸热或放热的多少等.
生不能.
师因此我们要说清楚实验室制取二氧化碳的方法,光写化学反应方程式行不行？
生不行.
师还需要哪些说明？
生还要说明原料是块状石灰石或大理石和稀盐酸.
师实验室制取二氧化碳必须用稀盐酸吗？能不能用稀硫酸？为什么？下面我们借助数字化实验来分析.这里老师先和大家说明一下：单位时间内密闭体系中的气压变化值越大,说明产生二氧化碳的速率越快.
（教师演示实验：在石灰石与稀盐酸反应的气压曲线上再完成石灰石与稀硫酸反应的气压曲线测绘,如图3.）
师曲线比较平缓,说明了什么？
生说明石灰石与稀硫酸反应产生二氧化碳的速率非常缓慢,不适于实验室制取二氧化碳.
师为什么会出现这样的结果呢？让我们再做一个实验.
（教师演示实验：用注射器吸取10 mL的饱和CaCl2溶液,注射入三颈烧瓶内；点击“采集”,得到如图4所示的曲线.）
师你发现了什么？
生加入饱和CaCl2溶液后反应产生二氧化碳的速率变快了.
师在反应体系中加入饱和CaCl2溶液引入了哪一种新微粒？
生Cl-.
师老师查阅文献后发现,前人已经对这个问题做过研究：Cl-能促进微溶物硫酸钙从石灰石表面脱落,使得石灰石能继续接触稀硫酸,与之反应产生二氧化碳.现在请一位同学来总结一下：为什么实验室不用稀硫酸与石灰石或大理石反应来制取二氧化碳？
生因为反应会生成微溶物硫酸钙覆盖在石灰石或大理石表面,阻止反应继续进行.
数字化实验通过连续的数据采集赋予了化学实验数字和图像双重表征.学生解读数字化曲线的过程也是基于对宏观现象（证据）的辨识来探究（推理）微观世界奥秘的过程.这正是数字化实验相较于传统实验的优势所在.
（三）平衡思想：酸雨的pH
通常把pH<5.6的降水称为酸雨.很多学生不理解为什么pH＜5.6才是酸雨,尽管他们知道二氧化碳溶于水会使雨水呈弱酸性,但5.6仍然是一个抽象的数字.为了化抽象为具象,笔者设计了如下教学过程.
师自然界的海水和雨水是二氧化碳的天然吸收剂：CO2+H2OH2CO3.（出示图5）这是一张蒸馏水吸收二氧化碳后的pH值变化图像,大家发现了什么？
生当pH为5.67时,它不再改变.
师这与我们学过的哪一个数据接近？
生酸雨的pH<5.6.
师你能说说为什么pH<5.6的雨水才被称为酸雨吗？
生因为二氧化碳饱和溶液的pH约为5.6,所以pH<5.6的雨水才能被称为酸雨.
化学学科中的变化与平衡观念是指,变化会趋于平衡,打破平衡变化又重新开始.二氧化碳溶于水最终能达到溶解与反应的平衡,二氧化碳溶于水达到饱和后的pH约为5.6.在数字化实验的基础上开展酸雨的教学,更利于学生理解和掌握酸雨的概念,体会变化与平衡的思想.
（四）社会责任：二氧化碳的吸收与释放
合理运用化学变化可以解决生活中很多亟待解决的现实问题.针对全球二氧化碳不断增多、温室效应逐渐严重的现状,人类已经在努力改变自身的行为：低碳和低碳生活成为当今社会比较热门的名词.但是,学生对低碳和低碳生活的理解并不全面,比如,对于少用空调等电器设备、少用塑料袋与低碳生活究竟有什么联系,不明所以.因此,有必要研究二氧化碳的吸收与释放,引导学生切实感受低碳生活原来就在身边,增强学好化学的使命感和责任感.
师针对大气中二氧化碳不断增多、温室效应逐渐严重的现状,很多科学家都提出了对策,吸收和释放二氧化碳成为研究的热点.比如,将二氧化碳制成生物可降解塑料,既能解决二氧化碳过多的问题,也能解决白色污染问题,一举两得,但成本有些高.实验室我们也可以来吸收和释放二氧化碳.
（教师演示实验：三颈烧瓶内预先收集了一瓶二氧化碳气体,用注射器加入20 mL NaOH溶液,利用气压传感器测定反应过程中的气压变化曲线；待数据稳定后再用分液漏斗向其中加入稀盐酸,利用气压传感器再次测定反应过程中的气压变化曲线,最终得到如图6所示的气压变化曲线.）
师你能说出曲线变化的趋势并分析其原因吗？
生曲线先下降后上升.因为NaOH溶液加入后,二氧化碳气体被吸收,生成Na2CO3溶液,烧瓶内气压变小；盐酸加入后,与Na2CO3溶液反应,又生成二氧化碳气体,烧瓶内气压变大.
（教师板书：吸收二氧化碳：CO2+2NaOHNa2CO3+H2O；释放二氧化碳：Na2CO3+2HCl2NaCl+H2O+CO2↑.）
师与其让二氧化碳产生后再想办法吸收,还不如从源头上杜绝二氧化碳的产生.低碳生活应从身边的小事做起.那么,今天你低碳了吗？（出示图7）这是一个碳足迹计算器,请同学们在iPad上动手算一算自己的日均碳排放量.
（学生分组活动：计算日均碳排放量.然后观看微课《低碳,你的选择》.）
二氧化碳的吸收和释放实验,借助气压传感器测定密闭体系的气压变化,实现定量化,能让学生直观地看到曲线的完整变化过程,充分体现了人为控制化学反应的可能性,为现实生活中吸收和释放二氧化碳提供了实验依据和理论基础.
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