基于化学学科核心素养的数字实验在高中化学教学中创新应用的案例分析

周祖保

摘要：本文主要论述了基于化学学科核心素养的数字实验在高中化学教学中创新应用案例。应用氧化还原反应电位传感器探究FeCl3溶液与不同金属单质反应，应用数字化实验技术演示实验具有直观、量化、快速呈现化学反应过程等特点。

关键词：化学核心素养  数字化实验  FeCl3溶液  金属单质  甲酸

核心素养是目前基础教育理论研究和实践关注的一大热点。核心素养是学生应具备的、能适应终身发展所需要的必备品格和关键能力，是关于学生知识、技能、情感、态度、价值观等多方面要求的综合表现。化学学科依据自身学科的特点提出了“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学精神与社会责任”“实验探究与创新意识”五个维度的学科核心素养。这就要求化学课堂教学中要转变教学观念，改变以往“知识本位”教学理念，教学过程注重培养学生能力，特别是学生终身发展所必需的能力;教学设计和教学过程要更加关注以生为本，以能力培养为本。化学学科是一门实验性学科，主要依托化学实验作为载体对学生能力进行培养和提升。随着科学技术的发展，化学实验技术在不断地更新，例如数字化实验技术在国内外都被广泛应用于化学领域，依据这些新技术可以更好地培养学生能力，更好地落实化学学科核心素养。本文具体分享我课题组所开展的关于数字化技术在高中化学课堂教学创新应用方面的一些工作。

高中化学教学需要演示或学生动手实验较多，绝大多数实验都是定性实验。这无法从微观和定量角度呈现实验结论，也不利于培养学生严谨的学习习惯。实现化学反应现象和结论以数形结合的形式定量呈现，有利于培养学生分析数据获得信息的能力，加深学生对知识的理解。例如人教版高中化学必修一第三章《铁的化合物基本性质》教学中涉及化学实验较多，这些实验主要目的是探究Fe3+和Fe2+的氧化性和还原性等方面的知识，且这些实验都是定性实验，主要通过观察颜色变化或是否有沉淀生成，而实验的溶液中成分多，观察颜色变化及沉淀生成受到干扰较大，常达不到预期的实验效果。我课题组应用氧化还原电位传感器探究FeCl3溶液与不同金属反应，有助于学生更好地理解Fe3+的氧化性。我们在实际教学中用氧化还原反应电位传感器测定铁钉与 FeCl3溶液反应溶液电势变化，实验步骤如下：取一個250 mL三颈烧瓶向其中加入100 mL的1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化还原反应电位传感器开始测定数值，然后加入一根铁钉并用磁力搅拌器带动铁钉转动，用氧化还原反应传感器记录的实验过程相关数据如图一所示：（提示：纵坐标数值越大，溶液氧化性越强，数值越小，溶液的还原性越强）

依据开始测定的纵坐标数值较大可以推断FeCl3溶液具有强氧化性，而通过定性实验学生是无法直观感受FeCl3溶液具有强氧化性;铁钉一加入，氧化还原反应电位传感器的数据就开始减小，实验现象立即直观地展示在学生面前，学生很快就能从图中看出，溶液氧化性在不断地减弱，说明溶液中生成了具有还原性的物质，然后再根据氧化还原反应的知识推断Fe与FeCl3溶液反应的离子方程式为Fe+2Fe3+3Fe2+。

在此实验的基础上我们还借助氧化还原反应电位传感器进一步探究Cu、Zn和Al等活泼性不同的金属与FeCl3溶液反应的实验，实验步骤如下：取一个250 mL三颈烧瓶向其中加入100 mL 1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化还原反应电位传感器开始测定数值，然后加入大小形状相同的铁、铜、锌和铝（四种金属都用盐酸浸泡一段时间除去表面的氧化物膜）并用磁力搅拌器搅拌，用氧化还原反应传感器记录实验前60 s内相关数据，实验所得的数据如图二所示。从数据分析图象可以看出，金属越活泼，与等浓度的FeCl3溶液反应越快，实验结果在图象中很快且直观地展现在学生面前，这是传统定性实验不能达到的实验效果。

在上述实验的基础上我们进一步探究了锌、铁、铜和铝与FeCl3溶液反应过程是否相同，实验步骤如下：取一个250 mL三颈烧瓶向其中加入100 mL的1 mol/L的FeCl3溶液，插入氧化还原反应电位传感器开始测定数值，然后加入过量的锌粒、铁、铜和铝并用磁力搅拌器搅拌，用氧化还原反应传感器记录的实验过程相关数据如图三和图四所示：从传感器记录的数据可以看出，过量的Zn和Al与FeCl3溶液反应初期过程与Cu、Fe与FeCl3溶液反应过程相似;反应一段时间过后反应曲线出现突变且后期曲线又上升，原因是初期反应是Zn+2Fe3+2Fe2++Zn2+、Al+3Fe3+3Fe2++Al3+;曲线突变时该反应基本完成，后期曲线上升原因是Zn+Fe2+Fe+Zn2+、2Al+3Fe2+3Fe+2Al3+。所以通过该实验能过定量地证明过量Zn或Al与FeCl3溶液反应过程是分两步进行的。传统定性实验难以达到这样的实验效果。

总结上述实验我们可以得到以下实验结论：

1.定量的显示Fe3+具有强氧化性。

2.对比三者与FeCl3溶液反应的曲线，观察曲线斜率大小可以直观地比较出Fe、Cu和Al与Fe3+溶液反应快慢，反应速率：Al>Fe>Cu。

3.通过实验可以直观地显示过量的Zn和Al与FeCl3溶液反应分两步进行。

运用氧化还原反应电位传感器使在课堂有限时间内无法完成的定性实验能够在短时间内直观且定量地展示给学生，大大地提高了化学课堂教学的效率。使定性实验转化为定量实验，有助于学生对知识的接受和加深理解，更有利于培养学生实事求是的科学精神，真正落实微观探析和实验探究的学科核心素养。