摘 要：化學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，有利于揭示宏觀世界與微觀世界的聯(lián)系，感知化學(xué)變化中的平衡與守恒思想，開(kāi)展證據(jù)推理和模型認(rèn)知的研究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新精神，增強(qiáng)學(xué)生的主人翁意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感?！抖趸嫉尼尫排c吸收》的復(fù)習(xí)課教學(xué)，以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題串聯(lián)“二氧化碳的溫室效應(yīng)”“實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳”“酸雨的pH”“二氧化碳的捕捉與釋放”等的探究，借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀、定性與定量、數(shù)據(jù)與圖像的有機(jī)結(jié)合，以期助力學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提升。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn) 二氧化碳的性質(zhì)與制取 核心素養(yǎng)

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)與價(jià)值

相比于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要有如下三個(gè)優(yōu)勢(shì)：（1）數(shù)據(jù)采集的智能化。主要表現(xiàn)為“數(shù)字化感知”和“實(shí)時(shí)性記錄”。前者指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芤詳?shù)字形式感知和記錄化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種變化，后者指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?shí)時(shí)、同步地記錄并呈現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中各種量的變化。（2）定量研究的便捷化。主要指“記錄數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性”和“處理數(shù)據(jù)的高效性”。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)、圖像、儀表三大類表征形態(tài)均能對(duì)揭示物質(zhì)之間的定量關(guān)系提供大量、精確的數(shù)據(jù)，使定量實(shí)驗(yàn)更便捷；而且，獲得的數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件提供的各種算法進(jìn)行高效的處理。（3）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的直觀化。主要體現(xiàn)在“數(shù)據(jù)直觀”和“現(xiàn)場(chǎng)直觀”兩個(gè)方面。前者指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集靈敏度高、呈現(xiàn)性強(qiáng)，能檢測(cè)反應(yīng)過(guò)程中許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或參數(shù)的微弱變化；后者指數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)茈x開(kāi)實(shí)驗(yàn)室或教室，到研究現(xiàn)場(chǎng)去進(jìn)行。

化學(xué)教學(xué)中，運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，有利于揭示宏觀世界與微觀世界的聯(lián)系，感知化學(xué)變化中的平衡與守恒思想，開(kāi)展證據(jù)推理（依據(jù)對(duì)現(xiàn)象的觀察）和模型認(rèn)知（通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)和圖像的分析）的研究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究和創(chuàng)新精神，增強(qiáng)學(xué)生的主人翁意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感，從而提升學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

二、基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的化學(xué)教學(xué)課例

在滬教版初中化學(xué)九年級(jí)上冊(cè)《二氧化碳的釋放與吸收》的復(fù)習(xí)課教學(xué)中，筆者以現(xiàn)實(shí)問(wèn)題串聯(lián)有關(guān)二氧化碳性質(zhì)與制取的一系列探究，借助數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀、定性與定量、數(shù)據(jù)與圖像的有機(jī)結(jié)合，以期助力學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提升。

（一）科學(xué)探究：二氧化碳的溫室效應(yīng)

教材中對(duì)溫室效應(yīng)的描述為：“當(dāng)大氣中二氧化碳等氣體的含量升高時(shí)，會(huì)增強(qiáng)大氣對(duì)太陽(yáng)光中紅外線輻射的吸收，阻止地球表面的熱量向外散發(fā)，使地球表面的平均氣溫上升?！边@樣的文字描述很難帶給學(xué)生直觀的感受?；诖?，筆者借助溫度傳感器做對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)直觀探究二氧化碳的溫室效應(yīng)。

（教師演示實(shí)驗(yàn)：兩個(gè)相同大小的玻璃瓶，一個(gè)瓶子里充滿了二氧化碳，另一個(gè)瓶子里裝的是空氣。用同一束光照射3 min，連接溫度傳感器采集溫度的數(shù)值變化，得到兩條溫度隨時(shí)間變化的曲線，如圖1。）

師 根據(jù)曲線圖，你能得出什么結(jié)論？

生 光照時(shí)間相等，裝二氧化碳的瓶子升溫較快。

（教師演示實(shí)驗(yàn)：關(guān)燈后，繼續(xù)用溫度傳感器采集溫度的數(shù)值變化，又得到了兩條曲線，如圖2。）

師 我們又能得出什么結(jié)論？

生 光照時(shí)間相等，裝二氧化碳的瓶子冷卻較慢。

師 實(shí)驗(yàn)告訴我們二氧化碳有什么作用？

生 保溫作用。

師 “溫室效應(yīng)”是我們給大氣的保溫效應(yīng)起的名稱。它有什么正面意義嗎？

生 氣候不會(huì)驟冷驟熱，地球會(huì)是一個(gè)宜居的星球。

師 那如果溫室效應(yīng)加劇呢？

生 冰川融化，海平面上升；有些地方炎熱得無(wú)法居住，甚至變成沙漠。

通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究二氧化碳的溫室效應(yīng)，一方面可以使學(xué)生對(duì)溫室效應(yīng)的認(rèn)識(shí)由抽象變?yōu)榫唧w，由片面轉(zhuǎn)為全面，使他們不再簡(jiǎn)單地把溫室效應(yīng)看成負(fù)面效應(yīng)，而認(rèn)識(shí)到其正面意義；另一方面可以讓學(xué)生對(duì)數(shù)字化曲線進(jìn)行解讀，提升了他們對(duì)數(shù)據(jù)和圖像的分析表達(dá)能力。

（二）證據(jù)推理：實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳

實(shí)驗(yàn)室常用稀鹽酸與大理石反應(yīng)來(lái)制取少量二氧化碳，化學(xué)方程式為：CaCO3+2HClCaCl2+H2O+CO2↑。寫(xiě)完化學(xué)反應(yīng)方程式后，有些學(xué)生會(huì)很自然地認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室可以用碳酸鈣粉末與稀鹽酸反應(yīng)來(lái)制取二氧化碳。而且，通過(guò)早先的課堂演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生知道稀硫酸不能作為實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的液體反應(yīng)物，但是較少能完整地說(shuō)出理由。因此，筆者設(shè)計(jì)了師生共做的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明為什么實(shí)驗(yàn)室會(huì)選擇稀鹽酸與石灰石（大理石）反應(yīng)來(lái)制取二氧化碳?xì)怏w。

（教師演示實(shí)驗(yàn)：讓兩名學(xué)生各拿一支套上氣球的試管，氣球中分別裝入2 g石灰石塊狀固體和2 g碳酸鈣粉末，試管中預(yù)先倒入5 mL稀鹽酸，觀察現(xiàn)象。）

師 （對(duì)拿著裝有碳酸鈣粉末試管的學(xué)生）恭喜你，因?yàn)槟愕臍馇蜃兊酶?。這說(shuō)明哪一支試管中的氣體產(chǎn)生得更快呢？

生 碳酸鈣粉末的。

師 是什么原因呢？

生 碳酸鈣是粉末，石灰石是塊狀固體，前者與稀鹽酸的接觸面積更大，反應(yīng)更快。

師 兩個(gè)試管中的反應(yīng)是同一個(gè)反應(yīng)嗎？

生 是的。

師 這說(shuō)明一個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式能不能說(shuō)明一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的所有事實(shí)？這里的事實(shí)是指反應(yīng)速率的大小、吸熱或放熱的多少等。

生 不能。

師 因此我們要說(shuō)清楚實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳的方法，光寫(xiě)化學(xué)反應(yīng)方程式行不行？

生 不行。

師 還需要哪些說(shuō)明？

生 還要說(shuō)明原料是塊狀石灰石或大理石和稀鹽酸。

師 實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳必須用稀鹽酸嗎？能不能用稀硫酸？為什么？下面我們借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來(lái)分析。這里老師先和大家說(shuō)明一下：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)密閉體系中的氣壓變化值越大，說(shuō)明產(chǎn)生二氧化碳的速率越快。

（教師演示實(shí)驗(yàn)：在石灰石與稀鹽酸反應(yīng)的氣壓曲線上再完成石灰石與稀硫酸反應(yīng)的氣壓曲線測(cè)繪，如圖3。）

師 曲線比較平緩，說(shuō)明了什么？

生 說(shuō)明石灰石與稀硫酸反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的速率非常緩慢，不適于實(shí)驗(yàn)室制取二氧化碳。

師 為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？讓我們?cè)僮鲆粋€(gè)實(shí)驗(yàn)。

（教師演示實(shí)驗(yàn)：用注射器吸取10 mL的飽和CaCl2溶液，注射入三頸燒瓶?jī)?nèi)；點(diǎn)擊“采集”，得到如圖4所示的曲線。）

師 你發(fā)現(xiàn)了什么？

生 加入飽和CaCl2溶液后反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳的速率變快了。

師 在反應(yīng)體系中加入飽和CaCl2溶液引入了哪一種新微粒？

生 Cl-。

師 老師查閱文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，前人已經(jīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題做過(guò)研究：Cl-能促進(jìn)微溶物硫酸鈣從石灰石表面脫落，使得石灰石能繼續(xù)接觸稀硫酸，與之反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳?，F(xiàn)在請(qǐng)一位同學(xué)來(lái)總結(jié)一下：為什么實(shí)驗(yàn)室不用稀硫酸與石灰石或大理石反應(yīng)來(lái)制取二氧化碳？

生 因?yàn)榉磻?yīng)會(huì)生成微溶物硫酸鈣覆蓋在石灰石或大理石表面，阻止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)通過(guò)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集賦予了化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)字和圖像雙重表征。學(xué)生解讀數(shù)字化曲線的過(guò)程也是基于對(duì)宏觀現(xiàn)象（證據(jù)）的辨識(shí)來(lái)探究（推理）微觀世界奧秘的過(guò)程。這正是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)所在。

（三）平衡思想：酸雨的pH

通常把pH<5.6的降水稱為酸雨。很多學(xué)生不理解為什么pH<5.6才是酸雨，盡管他們知道二氧化碳溶于水會(huì)使雨水呈弱酸性，但5.6仍然是一個(gè)抽象的數(shù)字。為了化抽象為具象，筆者設(shè)計(jì)了如下教學(xué)過(guò)程。

師 自然界的海水和雨水是二氧化碳的天然吸收劑：CO2+H2OH2CO3。（出示圖5）這是一張蒸餾水吸收二氧化碳后的pH值變化圖像，大家發(fā)現(xiàn)了什么？

生 當(dāng)pH為5.67時(shí)，它不再改變。

師 這與我們學(xué)過(guò)的哪一個(gè)數(shù)據(jù)接近？

生 酸雨的pH<5.6。

師 你能說(shuō)說(shuō)為什么pH<5.6的雨水才被稱為酸雨嗎？

生 因?yàn)槎趸硷柡腿芤旱膒H約為5.6，所以pH<5.6的雨水才能被稱為酸雨。

化學(xué)學(xué)科中的變化與平衡觀念是指，變化會(huì)趨于平衡，打破平衡變化又重新開(kāi)始。二氧化碳溶于水最終能達(dá)到溶解與反應(yīng)的平衡，二氧化碳溶于水達(dá)到飽和后的pH約為5.6。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展酸雨的教學(xué)，更利于學(xué)生理解和掌握酸雨的概念，體會(huì)變化與平衡的思想。

（四）社會(huì)責(zé)任：二氧化碳的吸收與釋放

合理運(yùn)用化學(xué)變化可以解決生活中很多亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。針對(duì)全球二氧化碳不斷增多、溫室效應(yīng)逐漸嚴(yán)重的現(xiàn)狀，人類已經(jīng)在努力改變自身的行為：低碳和低碳生活成為當(dāng)今社會(huì)比較熱門(mén)的名詞。但是，學(xué)生對(duì)低碳和低碳生活的理解并不全面，比如，對(duì)于少用空調(diào)等電器設(shè)備、少用塑料袋與低碳生活究竟有什么聯(lián)系，不明所以。因此，有必要研究二氧化碳的吸收與釋放，引導(dǎo)學(xué)生切實(shí)感受低碳生活原來(lái)就在身邊，增強(qiáng)學(xué)好化學(xué)的使命感和責(zé)任感。

師 針對(duì)大氣中二氧化碳不斷增多、溫室效應(yīng)逐漸嚴(yán)重的現(xiàn)狀，很多科學(xué)家都提出了對(duì)策，吸收和釋放二氧化碳成為研究的熱點(diǎn)。比如，將二氧化碳制成生物可降解塑料，既能解決二氧化碳過(guò)多的問(wèn)題，也能解決白色污染問(wèn)題，一舉兩得，但成本有些高。實(shí)驗(yàn)室我們也可以來(lái)吸收和釋放二氧化碳。

（教師演示實(shí)驗(yàn)：三頸燒瓶?jī)?nèi)預(yù)先收集了一瓶二氧化碳?xì)怏w，用注射器加入20 mL NaOH溶液，利用氣壓傳感器測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中的氣壓變化曲線；待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再用分液漏斗向其中加入稀鹽酸，利用氣壓傳感器再次測(cè)定反應(yīng)過(guò)程中的氣壓變化曲線，最終得到如圖6所示的氣壓變化曲線。）

師 你能說(shuō)出曲線變化的趨勢(shì)并分析其原因嗎？

生 曲線先下降后上升。因?yàn)镹aOH溶液加入后，二氧化碳?xì)怏w被吸收，生成Na2CO3溶液，燒瓶?jī)?nèi)氣壓變?。畸}酸加入后，與Na2CO3溶液反應(yīng)，又生成二氧化碳?xì)怏w，燒瓶?jī)?nèi)氣壓變大。

（教師板書(shū)：吸收二氧化碳：CO2+2NaOHNa2CO3+H2O；釋放二氧化碳：Na2CO3+2HCl2NaCl+H2O+CO2↑。）

師 與其讓二氧化碳產(chǎn)生后再想辦法吸收，還不如從源頭上杜絕二氧化碳的產(chǎn)生。低碳生活應(yīng)從身邊的小事做起。那么，今天你低碳了嗎？（出示圖7）這是一個(gè)碳足跡計(jì)算器，請(qǐng)同學(xué)們?cè)趇Pad上動(dòng)手算一算自己的日均碳排放量。

二氧化碳的吸收和釋放實(shí)驗(yàn)，借助氣壓傳感器測(cè)定密閉體系的氣壓變化，實(shí)現(xiàn)定量化，能讓學(xué)生直觀地看到曲線的完整變化過(guò)程，充分體現(xiàn)了人為控制化學(xué)反應(yīng)的可能性，為現(xiàn)實(shí)生活中吸收和釋放二氧化碳提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

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