摘要：有關(guān)濃度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響實驗中，傳統(tǒng)實驗大多以相同時間內(nèi)產(chǎn)生氣泡的多少作為定性判斷依據(jù)。魯科版高中化學(xué)必修“探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”教學(xué)中，不同濃度的鹽酸與鎂片反應(yīng)，鹽酸濃度越大，產(chǎn)生的氣泡越少。本實驗運用多種數(shù)字化傳感器從不同角度進行多重探究，得出科學(xué)嚴謹?shù)慕Y(jié)論，并對教材中的實驗提出了優(yōu)化建議。本實驗探究，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、敢于質(zhì)疑的科學(xué)精神，提升了學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)，促使學(xué)生能從各個實驗現(xiàn)象中找出證據(jù)進行分析推理，揭示化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律，提升學(xué)生證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：控制變量法 實驗 數(shù)字化傳感器 高中化學(xué)

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)是培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)的非常重要的教學(xué)手段。“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”可以理解為在實驗過程中，善于抓住實驗過程中的異?，F(xiàn)象，能提出有探究價值的問題，從問題和假設(shè)出發(fā)，依據(jù)探究目的設(shè)計實驗方案，運用數(shù)字化等現(xiàn)代手段進行實驗探究。在實驗過程中，學(xué)生要敢于質(zhì)疑、提出問題，不斷收集證據(jù)進行推理、論證，得出科學(xué)、嚴謹?shù)膶嶒灲Y(jié)論；建立數(shù)字化實驗?zāi)Ｐ?，進行科學(xué)探究，從而發(fā)展“證據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)。

一、提出假設(shè)

魯科版高中化學(xué)必修第二冊“探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”，教材中出現(xiàn)的試劑有表面積大致相同的鎂條和鐵片、塊狀碳酸鈣、碳酸鈣粉末、二氧化錳粉末，3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液、H2O2溶液（3%）。

學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗分析得出影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有溫度、濃度、壓強、催化劑、接觸面積等，并分組討論和交流，總結(jié)出探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素的實驗方案和判斷依據(jù)。推斷出其判斷反應(yīng)速率快慢的依據(jù)為：相同時間內(nèi)產(chǎn)生的氣泡。

學(xué)生設(shè)計方案時，教師應(yīng)提醒學(xué)生注意控制變量。

通過實驗，學(xué)生很容易得出溫度升高化學(xué)反應(yīng)速率加快、使用催化劑化學(xué)反應(yīng)速率加快、增大接觸面積化學(xué)反應(yīng)速率加快。但是表面積大致相同的鎂片與等體積的0.5 mol/L鹽酸溶液、3 mol/L鹽酸溶液反應(yīng)，前者產(chǎn)生的氣泡多。

設(shè)計意圖：在探究化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素中運用控制變量思想，學(xué)生能更容易理解和掌握知識。鎂片與不同濃度的鹽酸反應(yīng)結(jié)果不同，這需要啟發(fā)學(xué)生分析原因，敢于質(zhì)疑并進行后續(xù)的實驗推理論證。這是本實驗教學(xué)的問題來源，也是亮點。

二、分析問題

教師引導(dǎo)學(xué)生從離子反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等角度，全面分析該反應(yīng)的特點，總結(jié)出可以從溶液的溫度變化、產(chǎn)生氣體的壓力變化、離子濃度變化等角度來探究該反應(yīng)的快慢。

實驗方案1：表面積大致相同的鎂條分別與等體積3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液反應(yīng)，用溫度傳感器測反應(yīng)液溫度變化。

師生共同探究實驗1：用溫度傳感器實測反應(yīng)過程中溫度的變化（圖1）：

結(jié)論：液體濃度越大，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

設(shè)計意圖：由傳統(tǒng)實驗得出用氣泡的多少來判斷化學(xué)反應(yīng)速度不嚴謹后，引入數(shù)字化實驗，通過實時采集、記錄數(shù)據(jù)形成曲線圖像，能直觀得出科學(xué)嚴謹?shù)膶嶒灲Y(jié)論，并建立數(shù)字化實驗裝置模型，對后續(xù)的數(shù)字化實驗方案的設(shè)計和實施有很好的啟示?；瘜W(xué)反應(yīng)的實質(zhì)是有新物質(zhì)生成，同時伴隨能量變化。學(xué)生在已有的知識基礎(chǔ)上，用數(shù)字化實驗彌補了傳統(tǒng)實驗現(xiàn)象不明顯的缺陷，同時根據(jù)曲線得出，鎂與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生放熱，且鹽酸濃度越大，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

實驗方案2：表面積大致相同的鎂條分別與等體積3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液反應(yīng)，用壓力傳感器實測密閉體系中壓力的變化。

師生共同探究實驗2：用壓力傳感器測壓強變化（圖2）：

結(jié)論：液體濃度越大，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

設(shè)計意圖：測壓力變化需要在一個封閉的空間內(nèi)進行，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計一個封閉體系的實驗裝置，也是控制變量思想的落實。在分析過程中，學(xué)生比較容易關(guān)聯(lián)實驗1中的結(jié)論，得出“該反應(yīng)發(fā)生放熱，氣體壓力增大”的結(jié)論，對實驗結(jié)果產(chǎn)生了干擾。教師從氧化還原反應(yīng)的角度，引出氧化還原電勢傳感器的應(yīng)用。

實驗方案3：表面積大致相同的鎂條分別與3 mol/L鹽酸溶液、0.5 mol/L鹽酸溶液反應(yīng)，用氧化還原電勢傳感器測電勢變化。

師生共同探究實驗3：用氧化還原電勢傳感器測反應(yīng)快慢（圖3）：

結(jié)論：液體濃度越大，化學(xué)反應(yīng)速率越快。

設(shè)計意圖：實驗方案層層遞進、邏輯結(jié)構(gòu)清楚，根據(jù)實驗現(xiàn)象進行分析、推理、論證，有助于學(xué)生從深層次理解和落實控制變量思想；引入氧化還原電勢差概念，為后續(xù)原電池的學(xué)習(xí)奠基礎(chǔ)，有利于發(fā)展學(xué)生的高階思維。

經(jīng)過教師的引導(dǎo)和啟發(fā)，學(xué)生的思維得到拓展。此時，又有學(xué)生從控制變量的角度提出了“酸根離子是否會影響化學(xué)反應(yīng)的速率”，從而設(shè)計出實驗方案4。

實驗方案4：表面積大致相同的鎂條分別與1.2 mol/L鹽酸溶液、0.6 mol/L鹽酸溶液反應(yīng)，用壓力傳感器測壓強變化。

師生共同探究實驗4：H+濃度相同的等體積鹽酸和硫酸與鎂條反應(yīng)的快慢（圖4）：

結(jié)論：H+濃度相等時，硫酸與鎂條反應(yīng)速率較快，SO2-4可能為該反應(yīng)的催化劑。

設(shè)計意圖：進一步落實控制變量法在實驗探究中的應(yīng)用，學(xué)生能多角度思考、分析、解決問題。

三、解決問題

教師再次播放之前觀察氣泡的實驗視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，分析傳統(tǒng)實驗的不足：由于濃度大的鹽酸溶液，鎂條浮在液面上，產(chǎn)生的氣泡不經(jīng)過溶液直接溢出，所以造成濃度大的溶液產(chǎn)生氣泡少的假象。

從表1中可以分析得出濃度最大的鹽酸密度仍然小于鎂的密度，所以鎂條浮在液面上是由于濃度大的鹽酸反應(yīng)速率快，產(chǎn)生的氫氣就多，同時放出的熱量也多，產(chǎn)生的水蒸氣也多，在共同作用下鎂片浮于液面。

那么，這種解釋是否科學(xué)合理呢？硫酸的濃度密度如下表：

從表2可以分析得出，常用硫酸密度也小于鎂條的密度，由于之前實驗用的是0.6 mol/L硫酸，根據(jù)公式c=1000 ρω/W，經(jīng)過計算可得5.5%的硫酸溶液的物質(zhì)的量濃度為0.58 mol/L，約為0.6 mol/L，密度為1.035，小于鎂的密度，實驗結(jié)果同樣是鎂條浮在5.5%的硫酸的液面上，從而驗證了猜想。筆者認為應(yīng)該改鎂條為鐵片進行反應(yīng)，后續(xù)驗證實驗也證明了鐵片是在溶液底部，避免了干擾。

四、結(jié)論及反思

本研究指出了教材實驗的不足之處：氣泡多少作為判斷速率快慢的依據(jù)并不嚴謹；提出了實驗優(yōu)化方案，即改鎂片為鐵片；硫酸濃度和密度對照表的搜索，能引導(dǎo)學(xué)生在平時學(xué)習(xí)中要善于從互聯(lián)網(wǎng)獲取有用的信息；通過分析傳統(tǒng)實驗中的不足，引導(dǎo)學(xué)生遇到問題時要透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹求實的科學(xué)探究精神；運用數(shù)字化傳感器，加深學(xué)生對影響化學(xué)反應(yīng)速率快慢因素的理解和掌握，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度進行分析和探究問題。

通過本實驗探究，強化了“控制變量法”在實驗探究過程中的落實；通過發(fā)現(xiàn)、質(zhì)疑、分析、推理等方法認識了研究對象的本質(zhì)特征，建立起了提出問題—分析問題—解決問題的認知模型。本研究培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、敢于質(zhì)疑的科學(xué)精神，發(fā)展了學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)——數(shù)字化儀器進行科學(xué)探究的高階思維，提升了學(xué)生科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的核心素養(yǎng)。學(xué)生能建立起數(shù)字化實驗?zāi)Ｐ?，并從各個實驗現(xiàn)象中找出證據(jù)進行分析推理，揭示化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律，提升了學(xué)生證據(jù)推理與模型認知的核心素養(yǎng)。

責(zé)任編輯：趙瀟晗