利用数字化实验发展学生化学学科核心素养

赵晓倩 高一雯 奚依 孙艳涛

摘要：以高中化学“苯酚的弱酸性”教学为例，在传统实验无法满足教学要求的情况下，借助数字化仪器验证苯酚的弱酸性，探究苯酚与石蕊反应的过程及实质，力求通过数字化实验帮助学生更深入理解苯酚的弱酸性，发展学生的化学学科核心素养。

关键词：苯酚；弱酸性；数字化实验；化学学科核心素养

文章编号：1008-0546（2023）12-0088-03 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.019

一、引言

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》凝练了化学学科核心素养，提出了将发展学生的化学学科核心素养作为高中化学课程教学任务，规定了学生必做实验；还指出了将数字化实验引入化学教材，充分发挥现代信息技术对实验教学的作用。［1］

数字化实验是指利用传感器、数据采集器和计算机及相应软件进行的实验。［2］与传统实验相比，数字化仪器具有省时、直观、精准和自动化等特点，能完成传统实验手段做不好和做不出的实验。本文以“苯酚的弱酸性”教学为例，阐述如何利用数字化实验，发展学生化學学科核心素养。

二、设计思路

苯酚是人教版高中化学选修5《有机化学基础》第三章第一节“醇酚”的内容。苯酚是最简单的一元酚，苯酚的弱酸性又是教学重难点，因此掌握其性质尤为重要。［3］大多数教师在讲解苯酚的酸性时，采用氢氧化钠溶液可使苯酚悬浊液变澄清的实验现象来验证。然而，当苯酚浓度过小时，利用上述酸碱反应则无法证明苯酚的酸性。此外，许多教师在介绍苯酚的化学性质时，常常表述为“苯酚的酸性很弱，不能使石蕊试剂变红”，而未对反应的实质进行深入阐述，学生往往会理解为“苯酚的酸性很弱，无法与石蕊发生反应”。［4-6］因此，我们采用酸度计实时显示的数据信息，证明苯酚具有弱酸性，并利用紫外分光光度计实时采集的图像信息，探究苯酚与石蕊反应的过程及实质。通过自主学习、小组合作、实验探究和汇报分享环节，加深学生对理论知识的理解，促进化学学科核心素养的形成。

三、教学过程

1.环节1：微课自学苯酚结构及物理性质

【汇报交流】课前，同学们观看微课视频，自主学习了苯酚的物理性质及结构（如表1和表2所示），对教师的预留任务进行汇报。

【设计意图】将信息技术引入课堂教学中，使学生通过自主学习，掌握苯酚的物理性质及结构，构建“符号表征”模型，形成“模型认知”的化学学科核心素养。［7］

2.环节2：比较醇、酚结构异同，推测苯酚的化学性质

【教师】上节课我们学习了乙醇的结构与性质，请同学们比较乙醇和苯酚的结构，试推测两者在性质上的差异。

【学生】两者的相同之处是都存在羟基；不同之处在于乙醇中羟基与烃基相连，而苯酚中羟基直接与苯环相连，导致两者性质上的差异。

【教师】由于苯酚中羟基和苯环直接相连，两者之间存在相互作用，使酚羟基在性质上与醇羟基有所差异。［8］苯环使羟基中O-H极性增大，易电离出 H+，使苯酚显弱酸性。［9］

【板书】苯酚的弱酸性： OH 一---（---一）H++ O-

【设计意图】对比分析苯酚与乙醇的结构差异，使学生理解“基团间的相互影响”事实，形成“官能团决定有机物性质”的思维模型，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

3.环节3：传统实验验证苯酚的酸性

【教师】请同学们根据下列实验仪器和药品，设计实验方案验证苯酚的酸性。完成实验后，每组根据实验现象进行组内讨论，由小组代表总结发言。注意：由于苯酚有毒，对皮肤有腐蚀性，同学们在分组探究实验中要小心，如不慎沾到皮肤上，应立即用酒精擦拭。

【仪器与试剂】烧杯、试管、胶头滴管、量筒、饱和苯酚溶液（悬浊液）、0.1 mol · L-1 NaOH溶液和紫色石蕊试剂。

【原理分析】A 组学生利用酸碱中和反应验证苯酚的酸性：通过观察苯酚悬浊液与氢氧化钠溶液反应后是否变澄清，验证苯酚的酸性。B组学生利用酸碱指示剂验证苯酚的酸性：通过观察向苯酚溶液中滴加石蕊试剂后溶液是否变红变红，验证苯酚的酸性。根据资料显示，苯酚俗称石炭酸，具有弱酸性，但由于苯酚的酸性太弱了，不能使石蕊变红色。

【设计意图】引导学生自主设计实验方案并探究，根据实验现象进行推理论证，培养学生“证据推理”的化学学科核心素养。

4.环节4：利用酸度计验证苯酚的弱酸性

【教师】在验证苯酚显酸性的酸碱反应中，如果将饱和苯酚溶液（悬浊液）换成0.1 mol · L-1苯酚溶液（澄清透明），将无法通过溶液由悬浊变澄清的实验现象验证苯酚的酸性。我们可以借助数字化仪器——酸度计进行实验，简单、快速地验证苯酚具有酸性，且具有弱酸性。

【微课展示】介绍酸度计的使用原理、方法。请同学们利用酸度计自主设计证明苯酚具有弱酸性的实验方案，并进行实验验证。

【实验过程】使用酸度计（如图1所示），分别测量下列溶液 pH：①0.1 mol · L-1苯酚溶液；②0.1 mol · L-1 NaOH 溶液；③1 mL 0.1 mol · L-1 NaOH 溶液和1 mL 0.1 mol ·L-1苯酚溶液的混合液。

【实验结果】①号溶液pH=5.50，可知苯酚显酸性；②号溶液pH=12.42，可知氢氧化钠显碱性；③号溶液 pH=9.09，可知苯酚钠显碱性，为强碱弱酸盐，说明苯酚为弱酸性。

【设计意图】培养学生从问题出发，自主设计实验方案进行探究，发展学生“科学探究与创新意识”的化学学科核心素养。

5.环节5：利用紫外分光光度计探究苯酚与石蕊的反应过程及实质

【教师】酸度计可以验证苯酚具有弱酸性，但我们却没有观察到苯酚使石蕊变色的现象，那么苯酚与石蕊是否可以发生化学反应？是否如资料所说“苯酚的酸性太弱，不能使石蕊变色”？

【微课展示】介绍紫外分光光度计的使用原理、方法。请同学们利用紫外分光光度计，自主设计实验方案，验证苯酚是否与石蕊发生反应。

【教师】通过紫外分光光度计，我们观察到苯酚与石蕊发生了化学反应（如表4所示）。传统实验没有观察到变色现象主要因为紫色石蕊试剂的变色范围是 pH 4.5～8.3，当 pH＜4.5溶液呈红色，pH 在4.5～8.3范围内溶液呈紫色，pH＞8.3溶液呈蓝色。0.1 mol ·L-1的苯酚溶液pH＞4.5，所以不能使紫色石蕊试剂变红。

【设计意图】利用紫外分光光度计记录苯酚与石蕊发生反应的过程，使学生深刻理解苯酚的酸性弱，无法使石蕊变红。提升学生实验探究能力，改变认知方式，发展学生“宏观辨识与微观探析”的化学学科核心素养。

四、结论

在传统实验方法做不好或做不出的情况下，将数字化技术手段引入高中化学教学中，通过pH值的直观呈现，验证了苯酚的弱酸性；将苯酚与石蕊试剂的反应过程以吸光度变化的曲线形式展现，让学生能清晰地了解其反应实质，帮助学生理解苯酚的酸性很弱，虽与紫色石蕊反应但无法观察到反应后的颜色变化，极大地促进了学生化学学科核心素养的发展。我们相信，数字化实验技术在更新化学知识、促进知识理解、改进实验方法和创新教学模式等方面会发挥更大的作用。

参考文献

［1］皇甫倩.基于化学学科核心素养的课程学习诊断［J］.教学与管理，2018（22）：47-50.

［2］朱鵬飞，马宏佳.利用数字化实验发展学生化学学科核心素养［J］.中小学数字化教学，2018（7）：4-7.

［3］胡绍平.“苯酚”教学设计［J］.化学教育（中英文），2010，31（S2）：57-60.

［4］顾敏倩.“苯酚的性质”的情境式教学［J］.中学化学教学参考，2018（20）：21-23.

［5］李春燕，李发顺.从苯酚软膏说起——“苯酚的性质和应用”教学与思考［J］.化学教育（中英文），2014，35（17）：8-12.

［6］王福成，李鹏，李向红，李冬.基于有机物结构与性质认知模型的教学设计——以“苯酚滴耳液成份的探究”为例［J］.化学教与学，2018（10）：68-71.

［7］吴君磊.基于发展学生“模型认知”素养的教学设计——以苏教版“苯酚的性质和应用”为例［J］.化学教与学，2018（1）：25-28.

［8］胡瑞.浅谈“实验探究式”教学模式在有机化学《苯酚》教学中的运用［J］.科学咨询（科技·管理），2015（2）：109-110.

［9］张水强，潘丹.基于化学核心素养的信息技术与化学学科教学的有效整合——人教版高中化学“苯酚”教学实录［J］.江西教育，2017（20）：25-27.