初中化学数字化实验探究的项目式教学实践

杨俊峰

摘要：以“探秘茶垢清洁剂”为例，基于项目式教学，对初中化学数字化实验进行探究。通过探究引导学生了解茶垢清洁剂除垢的原理，利用数字化实验对温度影响过碳酸钠分解速度进行探究，建立定性、定量探究的意识。通过对茶垢清洁剂中工业制备过碳酸钠的交流讨论，加强和落实学生实证意识和推理能力。

关键词：初中化学；项目式教学；茶垢清洁剂；化学学科核心素养

文章编号：1008-0546（2022）11-0050-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.011

项目式学习（Project Based Learning），是将传统学科体系中的教学内容进行重新整合，将要掌握的知识内容划分成若干个独立的教学项目，在教师的指导下，由学生分工协作，在限定的时间内完成项目任务，最终实现“做中学”的教学活动。[1]在初中化学数字化技术下探秘茶垢清洁剂的实验探究课中，采用项目式教学能将学生实验探究课的积极性调动起来，让学生通过每一个项目任务，体验初中化学实验探究课的趣味性、科學性、目的性，感受化学学科价值和学科魅力。

一、项目主题的确定

初中化学实验探究课，是化学多种课型模式中的一种。课堂教学中，教师通过数字化技术引导学生进行探究性学习，既能激起学生的学习兴趣，还能锤炼学生的实验动手能力以及分析和解决问题的能力，这对于提高他们的化学学科核心素养有很大的帮助。

探秘茶垢清洁剂的素材来源于生活中常用的一种除垢剂，所涉及的探究内容属于初中化学知识，具有探究价值。生活中常用清洗茶具的除垢剂有洗涤精、牙膏等，但这些除垢剂在使用过程中都需要用刷子洗刷清洗，才能把茶具清洗干净。而茶垢清洁剂则只需用热水浸泡几分钟即可除去茶垢，清洗过程既轻松又干净，非常值得学生去探究。

基于茶垢清洁剂这一素材，让学生在探究中了解其除垢的原理，对比洗涤精、牙膏等除垢剂的异同。通过氧气浓度传感器对温度影响茶垢清洁剂中的主要成分过碳酸钠分解快慢的探究分析，使学生建立定性、定量两种探究意识，提升科学思维水平。通过对过碳酸钠工业制备的交流讨论，强化落实学生的实证意识及推理能力。最终让学生学会如何正确使用茶垢清洁剂，体现化学学科价值。

二、项目教学目标

对于“探秘茶垢清洁剂”项目，为什么值得去探究，以生活中一般的清洁剂有何异同为问题驱动，引导学生运用所学化学知识探秘茶垢清洁剂，在探秘过程中让学生亲身体验用白猫洗洁精、牙膏以及茶垢清洁剂清洗茶垢，并分析洗涤剂的异同。通过探究培养学生动手体验能力，科学探究能力，对比分析能力，开拓学生的视野，激发学生创新意识。具体项目学习目标如下：

（1）通过活动探究，增进学生对生活中常见除垢剂的认识，体验茶垢清洁剂清洗茶垢，依据所学化学知识，了解其除垢的原理，体验化学服务于生活，培养学生科学探究与创新意识的化学学科核心素养。

（2）通过氧气浓度传感器探究不同温度对茶垢清洁剂中过碳酸钠分解快慢的影响，让学生建立定性、定量探究的意识，提升科学思维水平，发展实证意识与证据推理的化学学科核心素养。

（3）通过对茶垢清洁剂中过碳酸工业制备的交流讨论，着力发展学生的科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

三、项目学习流程

整个探究过程的具体项目流程如图1所示。

四、项目实施

整个项目学习实施过程，主要表现在学生的学习活动过程，以及师生的行为过程记录，从而得出项目活动的实施效果。

1．寻找生活中的清洁剂

设计意图：通过生活中常用的三种除垢剂白猫洗洁精、牙膏及茶垢清洁剂来清洗三只茶杯中茶垢，对比三种茶垢清洗的效果，增进学生对生活中常见清洁剂的认识。依据已有化学知识，了解除垢的原理，体验化学服务于生活，培养学生科学探究与创新意识。

【情境导人】展示三只粘有茶垢的玻璃杯，询问学生选择用什么样的洗涤剂来清洗茶垢？

【学生活动】请三位学生到讲台前现场演示用白猫洗洁精、牙膏、茶垢清洁剂清洗三只粘有茶垢的玻璃杯。洗完后，三位学生分享各自除垢的感受，对哪一种清洁剂感到好奇？除垢的原理分别是什么？

【课堂展示】用大屏幕展示不同清洁剂清洗茶垢的原理（如图2、图3、图4所示）。

2．认识茶垢清洁剂的去污

设计意图：通过在茶垢清洁剂中加入热水，迅速产生大量泡沫，学生感到非常好奇，让学生对气体做出合理的猜想。在此基础上运用初中化学现有知识，对气体进行检验，得出茶垢清洁与热水混合产生氧气。通过实验探究强化学生的合作意识、责任意识、安全意识，培养学生的实证意识和证据推理的核心素养。

【查阅资料】茶垢清洁剂：主要成分为过碳酸钠（其化学式可用2Na2CO3·3H2O2表示），外观为白色结晶或结晶性粉末，具有Na2CO3和H2O2的双重性质，其易溶于水，难溶于异丙醇。

【学生活动】将装有10 g茶垢清洁剂的锥形瓶，倒人5 mL的热水，并立即塞进橡皮塞，观察锥形瓶中的现象。产生的气体可能是什么呢？

【提出猜想】根据化学反应前后元素种类不变，判断可能是氧气、二氧化碳、氢气或一氧化碳。

【思考分析】老师提醒学生对于以上四种气体，都是合理的猜想吗？有学生认为猜想中的氢气是一种化学性质不稳定的气体，遇明火易爆炸，所以茶垢清洁剂与热水产生的气体不应该是氢气。还有学生提出也不可能是一氧化碳，因为一氧化碳是一种有毒气体，如果茶垢清洁剂与热水混合产生一氧化碳，那么产生的气体会使人中毒，所以也应该排除。最终可能是氧气或二氧化碳气体。

【实验论证】通过将产生的气体通人澄清石灰水，澄清石灰水没有变浑浊，由此判断气体不是二氧化碳。再将带火星的木条伸人锥形瓶中，木条复燃，则该气体为氧气。

【提出质疑】为什么使用茶垢清洁剂清洗茶垢用热水效果好？

【实验验证】根据学生们的分析，在坐标系中画出茶垢清洁剂加入冷水和热水反应产生氧气浓度的变化曲线图。

【实验验证】利用氧气浓度传感器，采用控制变量法，分别向盛有同种、等量的茶垢清洁剂的两个密闭锥形瓶中同时倾人等量冷、热水（如图5和图6所示），观察氧气浓度的变化曲线。

【得出结论】通过氧气浓度传感器采集的动态数据，截图（如图7和图8所示），可知茶垢清洁剂中加入冷水，产生氧气的速率缓慢，浓度很低。加入热水，产生氧气的速率较快，浓度很高，足以能使带火星的木条复燃。因此，在使用茶垢清洁剂清洗茶垢时，用热水清洗的效果要比冷水的效果好。借助数字化实验仪器氧气浓度传感器的使用，能让学生建立定性、定量探究的意识，提升良好的科学思维品质，发展实证意识与证据推理化学学科核心素养。

3．揭示茶垢清洁剂中过碳酸钠的制备

设计意图：通过温度的高低对茶垢清洁剂中过碳酸钠的制備产率的影响分析，让学生理解温度是影响化学反应产物的一个重要因素。了解工业生产中碳酸钠与过氧化氢的质量比不同，直接影响过碳酸钠的产率，让学生理解反应物的质量是影响化学反应的另一重要影响因素。从而，生产中既要能让原料得到充分利用，又不会产生多余的废物排放。通过实验分析培养学生科学态度与社会责任的化学核心素养。

【查阅资料】过碳酸钠难溶于异丙醇，可溶于水，易发生反应：2Na2CO3·3H2O2=2Na2CO3+3H2O2；工业上常以所含活性氧的质量分数：即过氧化氢的质量与样品的质量的百分比来衡量过碳酸钠产品的优劣。

【制备流程】（如图9所示）。

【交流讨论】

1．在工业流程中实验测定反应温度对产物的影响如表1所示：

（1）根据表1数据，你认为反应最佳的温度范围是____。

（2）尝试分析温度越高或越低，得到过碳酸钠的产率都会偏低的原因。

2．在工业生产中碳酸钠与过氧化氢的质量比不同，会直接影响过碳酸钠的产率，进而影响活性氧的含量。

（1）请根据过碳酸钠的化学式2Na2CO3·3H2O2（相对原子质量：Na-23 C-12 0-16 H-1），试计算过碳酸钠生产过程中理论上需要碳酸钠与过氧化氢的质量比为____。

（2）实际生产中碳酸钠与过氧化氢的质量比与产物过碳酸钠的产率关系如表2所示。

请根据表中数据说明碳酸钠和过氧化氢的最佳投料的质量比为____。

【总结交流】根据表2数据，反应最佳的温度范围是15～20℃。因为温度过高过氧化氢易分解，产率偏低；温度过低反应速率较慢，产率也会偏低。过碳酸钠生产过程中理论上需要碳酸钠与过氧化氢的质量比为：2x（23x2+12+16x3）：3x（lx2+16x2）=106：51。根据表中数据说明碳酸钠和过氧化氢的最佳投料的质量比为106：57.8，这样生产既能让原料得到充分利用，又不会产生多余的废物排放。

五、结语

探秘茶垢清洁剂是一节基于初中化学基础知识的实验探究课。本节课采用项目式教学模式进行，既是一次教学创新也是一次教学革新。如何设计好本节实验探究课，既要考虑初中学生现有的认知水平，又要结合学生生活中常用且感兴趣的化学物质来进行探究，才有探究的价值。在溶液章节中学生已经具备了洗洁精在清洗污垢中具有乳化作用的认知。在除垢剂的使用中，茶垢清洁剂无疑具有洗洁精和牙膏不具备的优点，去除污垢可以不用洗刷，只需浸泡几分钟即可。而且在除垢的过程中产生的气泡，又能激起学生的学习兴趣，对化学的学习显得尤为重要。

本节项目式教学课，是以学生为主体，围绕一个主题展开活动。让学生围绕探秘茶垢清洁剂设计三个子项目学习，加强每个小组学生之间的合作探究能力，以及师生之间共同协作探究能力。学生的探究活动在老师的数字化实验探究活动基础上得到升华，将学生不能动手实验的探究在老师的辅助下得到补充，而且将学生实验探究中的困惑得到解决。

数字化实验探究无疑是科学的、有说服力的实验探究。通过氧气浓度传感器对茶垢清洁剂在冷水和热水中反应产生氧气的浓度进行了动态测定，并用曲线表征，提升了学生的证据推理能力和用实验数据定性、定量解释为什么在使用茶垢清洁剂时用热水效果更好的理由。

参考文献

[1]孙文英，何耀铭化学项目式教学的实践思考——以“揭秘白猫牌蓝洁灵”为例[J]．新课程研究（基础教育），2018（25）：87-89．

[2]周玉芝．跨学科项目教学案例——魔力沙为例[J]．化学教育，2020（1）：19-23.

[3]魏明贵．手持技术在项目式教学中的应用与反思——以“神奇的除湿剂”项目教学设计为例[J]．中小学数字化教学，2019（8）：18-20．

[4]杨金燕，项目式学习在地理实践活动中的运用[J]．中学地理教学参考，2017（3）：17-20．

*本文系江苏省苏州市2021年度“十四五”教育科学规划课题“手持技术数字化实验在初中化学教学中的应用研究”（2021/LX/02/163/04）的阶段性研究成果。