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基于数字化手持技术对九年级化学实验改进的实践
——以“中和反应的探究”为例
摘要:利用数字化手持技术对九年级化学教材中的实验“酸碱反应的探究”进行改进的研究。介绍了实验改进的理论基础“四重表征”:具体方案,实验研究过程,用微观表征解释曲线,理解酸碱反应的实质;阐明了利用数字化技术改进实验的实际价值和意义,对于教师教学和学生学习的促进作用。
关键词:数字化手持技术;酸碱反应的探究;实验改进;四重表征
一、问题的提出
关于酸碱中和反应的探究,九年级教科书安排的氢氧化钠溶液和稀盐酸反应的实验,只是通过肉眼观察指示剂的褪色,说明反应的发生,该实验方法只能从定性的角度粗略的判断中和反应的发生。
若将手持技术引进该实验,可以从不同的角度用直观的数据证明该实验的发生,同时了解该实验的发生过程中溶液pH值及温度的变化等,让学生意识到探究化学反应发生的方法的多样性,感受化学的魅力。学生也可以接触研究化学的重要方法——定量研究。数字化手持技术不仅可以还原中和反应的微观过程,还可以让学生体会现代化的先进科学技术带给课堂教学的魅力,从而激发学生学习化学的动力,提高学生学习化学的兴趣。
二、理论基础--“四重表征”模式
钱杨义认为“四重表征”模式指导下,学生进行手持实验的心理过程分为4个阶段:“问题表征”--“联想与匹配”--“设计实验方案”--“实施实验方案”。“四重表征”模式指导学生首先判断要采集何种数据,用何种传感器测量,再进行合理猜想与预测,设计实验方案并实施探究活动;根据数据和曲线的动态变化过程,学生再对实验进行监察、控制与调解。
本次教学中首先让学生观看新闻视频,提出本课的研究问题:酸和碱能发生反应吗和利用何种方式判断酸碱反应的发生?根据学案中提供的pH知识,让学生对实验过程中的pH值随时间变化的曲线进行预测,阐明理由。紧接着让学生先分组设计实验方案,通过讨论选出最佳实验方案。分组进行实验,观察曲线的变化,再针对预测曲线和观察曲线的差异进行比较、分析、探讨,让学生学会解释两条曲线不同的原因。观看酸碱反应的微观动画视频,分组讨论、总结,获得新知:酸碱发生反应的本质,在深化理解的同时培养学生对图像信息进行处理的能力。
三、数字化手持技术对酸碱中和反应教学改进的研究
1.实验设计和步骤
播放新闻视频“浓硫酸侧翻的紧急救援”引入课题,引发学生思考,接着教师直接在试管中演示实验“稀盐酸直接倒入氢氧化钠溶液中”,无明显现象,引起学生的认知冲突,激发学生的探究“如何判定稀盐酸和氢氧化钠溶液能否发生反应”的欲望。接着教师结合学案介绍pH的知识和pH值测定方法以及pH传感器、数据采集器和手持技术软件的功能和使用方法。分组设计,然后对比、讨论,甄选出较完善、科学的实验步骤设计,如果还有不严谨的地方,教师可以适时给出建议,帮助学生完成实验步骤的设计。
实验步骤:
①在计算机桌面上激活软件。
②连接数据采集器、计算机和pH传感器。
③用pH传感器测量稀盐酸和氢氧化钠溶液反应的pH变化,至恰好完全反应。
④用pH传感器测量稀盐酸过量时的pH变化。
2、四重表征教学模式的应用
学生通过学案已经简单了解了pH的知识点,教师先提问pH的知识,加强学生对pH的理解。同时引导学生预测稀盐酸滴入氢氧化钠溶液时的pH变化的曲线,学生代表在学案上画出预测曲线。小组交流、讨论,最终确定意见一致的最佳曲线,并解释原因。
学生分组进行实验,记录pH值变化的曲线,教师引导学生观察曲线的起点、拐点、终点及变化趋势,用手持技术测定的酸碱中和反应的实际变化曲线:
分小组对比、讨论,自己的预测曲线与实际测定曲线是否相符,差异在哪里?引导学生讨论和解释实际测量曲线的变化趋势,解释起点、拐点、恰好完全反应点、终点,并修正自己错误的曲线进行。
学生代表对测定曲线的解释:随着稀盐酸不断滴入氢氧化钠溶液中,溶液从碱性变成中性,再变成酸性,pH值都在不断减小,所以整个曲线总体呈下降趋势。开始测定的是氢氧化钠溶液,所以pH值较大,滴入稀盐酸时,氢氧化钠被消耗,碱性变弱,pH值逐渐减小。
当pH=7时,说明稀盐酸和氢氧化钠溶液恰好完全反应。继续滴入稀盐酸,溶液显酸性,所以pH7。滴入越多的稀盐酸,酸性越强,pH值越小。
教师及时肯定学生的解释,并进行强调和补充:曲线开始平缓,是因为刚开始滴入的稀盐酸量很少,消耗氢氧化钠非常少,所以开始的pH值变化不明显。随着稀盐酸的不断滴加,消耗氢氧化钠的量在增加,所以碱性快速变弱,pH值迅速减小。当pH=7时,继续滴加稀盐酸,溶液呈酸性,且酸性逐渐增强,所以pH值依旧迅速减小。后来曲线又变得平缓,是由于当盐酸浓度越来越大,已经接近滴入的稀盐酸的浓度,滴入的稀盐酸对溶液酸性影响变弱,pH值减小的趋势变缓。pH值的减小是一个渐进的过程,所以曲线是平滑的弧线,而不是直线或者折线。
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