基于化学四重表征的教学设计——以“醋酸电离平衡常数的测定”一课为例

第44卷湖北师范大学学报(自然科学版)Vol.44第1期Journal of Hubei Normal University(Natural Sciences)No.1,2024
基于化学四重表征的教学设计
———以“醋酸电离平衡常数的测定”一课为例
刘江燕1,方　园1,李圳平2,
(1.湖北师范大学化学化工学院,湖北黄石　435002;
2.监利市第一中学,湖北荆州　433300)
摘要:传统课堂教学更加倾向于理论知识的单方面传授,不利于学生的全面发展。

手持技术作为一种现代化的教学辅助工具,具有实验仪器灵敏、实验现象明显、实验数据精确等优点,能够将化学反应中难以理解的微观实质可视化、数据化、曲线化,帮助学生建构化学四重表征思维。

以醋酸电离常数的测定一课为例,结合手持技术实验开展基于化学四重表征的课堂教学研究,着力发展学生的化学核心素养。

关键词:四重表征;手持技术;电离常数;化学核心素养
中图分类号:G633.8 文献标志码:C 文章编号:2096-3149(2024)01-0098-06
doi:10.3969/j.issn.2096-3149.2024.01.014
《普通高中化学标准(2017年版2020年修订)》(以下简称课程标准)强调教学要紧紧围绕发展学生的化学核心素养这一宗旨,关注信息化教育下的改革[1]。

电离平衡常数章节的学习更加偏重理论知识,学生容易产生疲劳乏困的心理,而具有实时、准确、直观等特点的手持技术实验[2],能以动态的曲线展现反应过程中pH的变化历程,帮助学生理解化学反应的实质,建构“宏观表征—微观表征—符号表征—曲线表征”化学四重表征思维[3],进而培养学生的化学核心素养。

四重表征思维是在化学三重表征“宏观-微观-符号”[4]基础上演变而来的,是现代教育技术与中学化学融合发展的产物。

醋酸电离平衡常数的测定可以采取不同的实验方法进行测定,常见的有pH法、pH滴定法、电导法和分光光度法等[5],其中pH法更顺应学生的认知发展规律,符合高中生的学情。

鉴此笔者以“醋酸电离平衡常数的测定”一课为例,结合手持技术中的pH传感器,进行了基于化学四重表征的课堂教学设计,期望能给一线教师一些启发。

1　教学设计
1.1　教材内容分析
本课题选自人教版(2019版)选择性必修第一册第三章第一节中的教学内容。

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》中规定认识弱电解质在水溶液中存在电离平衡,了解电离平衡常数的含义,在组织开展实验探究活动时,注意实验前的分析预测和对实验现象的分析解释,对假设预测、实验方案、实验结论进行完整论证,发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”和“证据推理与模型认知”等化学学科核心素养,培养系统思维能力[1]。

开展醋酸电离平衡常数的测定实验有助于加深电离平衡的理解,电离平衡章节内容既是前一章节化学平衡移动的延伸和巩固,又是后面水解平衡的移动及水解原理的应用的基础,贯穿着整个化学收稿日期:2022-03-13
基金项目:湖北师范大学2021年度研究生创新科研项目(20210115)
作者简介:刘江燕(1962—　),男,土家族,湖北利川人,教授,博士,研究方向为生物无机化学,E-mail:liujy@.
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平衡体系,起着承前启后的重要作用。

另外,电离平衡是高中化学的重点学习内容之一,本节内容通过介绍电离平衡常数等概念帮助学生体会弱电解质的电离程度很小,对电离平衡建立定量的认识;通过醋酸电离平衡常数的测定加深学生对弱电解质电离平衡的理解;通过实验验证电离平衡常数与溶液酸性强弱关系的猜想,并用实验现象和实验数据进行科学的解释,帮助学生构建完整的实验探究过程,加强开展科学探究活动的能力。

1.2　教学目标与重难点
1.2.1　教学目标
1)通过手持技术实验,培养学生的观察能力、动手能力以及思维能力;
2)学习利用pH传感器测定醋酸的电离平衡常数的方法;
3)了解电离平衡常数在生活中的应用,加深对电离平衡常数含义的理解;
4)培养学生严谨务实的科学态度,树立团结合作、实事求是、勇于探索的科学精神。

1.2.2　教学重难点
重点:醋酸电离平衡常数的测定;
难点:电离平衡常数相关概念的理解及相关计算。

1.3　教学流程设计
借助手持技术实验,按照“课前-课中-课后”教学流程进行教学设计,具体过程如图1所示。

图1　教学流程设计图
2　教学过程
2.1　课前
学生利用自习课时间预习课本,完成导学案的自主学习部分,用笔记本记录存在困惑的地方,方便上课时有针对性去解决。

2.2　课中
【展示学习目标】
1)在黑板上板书课题:第一节电离平衡第3课时电离平衡常数的测定
2)板书学习目标:①②③
3)对学习目标进行解读(见表1)
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表1　学习目标的解读
学习目标发展核心素养,体现育人价值
①了解电离平衡常数的含义,学习醋酸电离平衡常数的计算方法;学习宏观概念,感受微观粒子间的奥秘,培养学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养
②依据研究目的设计测定醋酸电离平衡常数的探究方案;设计利用pH传感器测定醋酸电离平衡常数的探究方案,培养学生“科学探究与创新意识”的核心素养
③了解电离平衡常数的应用。

举一反三,学习通过电离常数的大小比较弱电解质间的相对强
弱,落实实际应用,感受化学的魅力,培养学生“证据推理与模
型认知”的核心素养
【自学整理】
1)继续完成导学案,存在困惑的地方用红笔标记出来,讨论时解决;
2)根据自主学习的内容,继续阅读课本,为下一步的讨论做准备。

【合作探究】先“一对一”讨论,再成立合作小组,开展集体讨论,解决疑难问题,并设计探究方案。

1)探究活动一讨论醋酸溶液的电离平衡常数大小是否与浓度有关系,据此你有何启发。

2)探究活动二结合手持技术测定醋酸溶液的电离平衡常数。

3)探究活动三试比较CH3COOH的K a和H2CO3的K a1值大小,请结合手持技术设计实验方案证明你的预测。

【展示交流】派出学生代表上台发言,展示结果,合作完成实验展示。

探究活动一讨论醋酸溶液的电离平衡常数大小是否与浓度有关系,据此你有何启发。

生1:通过查阅资料,知道了醋酸溶液的电离平衡常数大小与温度有关,而与浓度没有关系。

生2:同一温度条件下,不同弱电解质的电离常数不同,这是由弱电解质的性质所决定的。

生3:电离常数越大,与之对应的弱电解质就越易电离,所以我们可以根据比较电离常数的大小判断弱电解质的相对强弱。

师:对表现好的个人和小组进行组内积分。

(积分标准:发言正确、补充或纠正他人错误的的小组积一分,发言不正确的教师给予纠正并鼓励发言但不积分)
探究活动二结合手持技术测定醋酸溶液的电离平衡常数。

师:提前配置好校准溶液及醋酸标准溶液,醋酸标准溶液的参数见表2.
表2　醋酸标准液浓度的配置
编号123456
实际取用体积/(V/mL)5.902.003.905.907.809.70浓度/(C/mol·L-1)1.03160.020630.040230.060860.080460.1007生1:(组装装置)按如图2所示,组装好实验装置,并在教师的带领下校准pH传感器。

生2:打开朗威数字化信息系统实验室专用软件,点击“开始实验”,使用pH传感器依次测定待测溶液pH值,并在相应软件位置输入对应浓度。

待pH显示值稳定后,点击“记录数据”“数据计算”。

图2　测定醋酸溶液的电离常数的装置图 图3　利用pH传感器测定醋酸溶液电离常数的结果图·001·
生3:室温下,测出的醋酸电离平衡常数为1.74×10-5,实验结果见图3,与理论值接近。

师:那同学们能够思考一下,有什么原因会造成测定的醋酸电离常数数值与理论计算值不一样吗?
生4:可能溶液中混杂了其他粒子,例如盐酸,使得测定的pH值与醋酸溶液的理论值有所偏差。

生5:溶液的配置过程不太规范,计算的醋酸溶液浓度与实际浓度有所偏差,也有可能是pH传感器使用前忘记校准了。

师:没错,这些因素都会对测定的醋酸的电离平衡常数值造成一定的影响,但我们一定要清楚的是,电离平衡常数的数值是温度的函数,与溶液浓度没有关系,只要我们操作得当,那我们得到的数值就会与理论数值接近。

(对表现好的个人和小组进行组内积分。

)
探究活动三试比较CH3COOH的K a和H2CO3的K a1值大小。

请结合手持技术设计实验方案证明你的预测。

师:提前配置100mL1mol·L-1醋酸溶液和1mol·L-1Na2CO3溶液并校准pH传感器。

生1:我们小组的猜想是K a<K a1,设计的实验方案如下:打开专用软件,点击“开始实验”,使用pH传感器测定1mol·L-1醋酸的pH值并得出电离平衡常数K a,接着向盛有20mL1mol·L-1醋酸溶液的小烧杯中滴加1mol·L-1的Na2CO3溶液,观察pH值变化趋势,从而比较两者电离平衡常数K a值的大小。

生2:操作实验。

生3:实验过程中有气泡产生,电脑显示屏上的曲线由低变高,pH数值由小变大(如图4),微粒间相互反应,证明实验过程中发生了化学方程式为2CH3COOH+Na2CO3=2CH3COONa+H2O+CO2↑的化学反应,证实CH3COOH的K a值小于H2CO3的K a1值,即我们小组的猜想是正确的。

图4　pH传感器测定CH3COOH和H2CO3反应前后pH值变化曲线图 图5　四重表征思维模型师:对表现好的个人和小组进行组内积分。

【点评拓展】
学生点评:对自己及小组成员表现进行评价。

教师点评:发表小组积分分数,对表现优秀的个人和小组进行表扬,对其他小组进行鼓励。

【整理落实】留下3分钟的时间让学生反刍消化,整理笔记。

【课堂小结】学生对今天的课堂进行总结,发表收获。

【布置作业】学生完成导学案上的课后练习区。

2.3　课后
学生利用课余时间完成课后作业,在写作业的过程中,勤加思考,查漏补缺。

教师根据学生课堂表现进行评价,反思总结。

3　讨论与建议
利用手持技术开展实验教学,可以帮助学生对电离常数有更加直观、生动的认识,使得电离常数
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章节的学习不再枯燥乏味,有效激发了学生学习化学的兴趣。

另外,手持技术呈现的数据图片以及曲线变化有效地将宏观现象与微观本质联系起来,增强了学生对曲线图像的直观感受,进一步强化学生的证据意识,打破了传统的宏观变化的视觉观察,从而帮助学生建立化学“四重表征”思维(如图5),落实学生的化学核心素养。

笔者基于教学设计中遇到的问题,提出以下建议:
1)注重导学案的编写,引导高效教学活动
一份合格的导学案能够帮助学生明确学习目标[6],引导学生高效的开展学习活动,因此教师要多花费精力和时间去钻研导学案的编写,做到全面且巧妙。

授课前同课题组的教师可以相互交流,根据所在班级的实际情况并对实际教学中可能出现的情况进行预测,制定出合理的导学案。

2)采取多样化的教学手段,关注信息化教育下的改革
实验是课堂教学的重要组成部分,手持技术的投入使用,为实验教学改革注入了新的生机与活力。

应用手持技术开展实验探究,在实验教学内容的选取上要做到难易适中,既不能过于简单浇灭了学生的学习兴趣,又不能过于复杂让学生难以接受,要顺应学生的认知发展规律,便于学生开展实验探究活动。

3)建立多元化的评价体系,落实化学核心素养
新课程倡导改革教学评价的方式,不以成绩作为考核的唯一标准。

教师在教学活动中,要鼓励同学间多合作交流,做到优势互补,共同进步,促进学生的全面发展。

在评价时要对学生的多方面表现进行综合评估,以合理的激励性评价对学生进行正向引导[7],增强学生学习的信心,培养学生的核心素养。

参考文献院
[1]中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)[S].北京:人民教育出版社,2020.
[2]钱扬义,杜永锋,李　佳,等.掌上实验室(Lab in Hand)的特点及其功能[J].电化教育研究,2003,(10):59~62.
[3]林建芬,盛晓婧,钱扬义.化学“四重表征”教学模式的理论建构与实践研究———从15年数字化手持技术实验研究
的回顾谈起[J].化学教育,2015,36(7):1~6.
[4]毕华林,黄　婕,亓英丽.化学学习中“宏观-微观-符号”三重表征的研究[J].化学教育,2005,(05):51~54.
[5]任　峰,周祖保.运用pH滴定法测定弱酸的电离常数[J].化学教育(中英文),2021,42(05):72-76.DOI:10. 13884/j.1003-3807hxjy.2020020055.
[6]仲作平.优化运用学案设计创建化学高效课堂[J].中学教学参考,2018,(08):70~71.
[7]韩以秀.关于高效课堂模式下高一新生化学学习适应性的分析[J].天天爱科学(教学研究),2021,(11): 175~176.
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Teaching design based on the“Four⁃Way Signation”of chemistry ———take the“the Determination of Acetic Acid
Ionization Constant”as an example
LIU Jiangyan1,FANG Yuan1,LI Zhenping2
(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Hubei Normal University,
Huangshi435002,China;
2.Jianli NO.1High School,Jingzhou433300,China)
Abstract:Traditional classroom teaching tends to impart theoretical knowledge unilaterally,which is not conducive to the all⁃round development of students.As a modern teaching auxiliary tool,hand⁃held technology has many advantages,such as providing sensitive experimental instruments,presenting obvious experimental phenomena and collecting accurate experimental data.It can explain the incomprehensible micro essence in chemical reaction in the form of data or curves and help students construct the chemical quadruple representational thinking.Taking the Determination of Acetic Acid Ionization Constant as an example,this paper combined hand⁃held technology experiment to carry out classroom teaching research based on chemical quadruple characterization,and strive to develop students’chemical core literacy.
Key words:four⁃way signation;hand⁃held technology;Ionization constant;chemical core literacy
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