数字化实验转化为情境试题的策略与教学价值——以电解法测定阿伏伽德罗常数为例.pdf

2024 年第 4 期 中小学数字化教学|5化学专题在现代教育实践中，数字化实验已成为重要的教学手段，它既具备跟传统实验类似的真实性和可操作性，又可为学生提供充足可靠的实验数据及便利的实验分析工具，还极大弥补了传统实验的不足，为学生拓展了实践领域。情境试题是一种依托现实生活与科学情境，且紧密融合理论知识与实际问题的考试形式。教师设计情境试题旨在评估学生在特定情境中运用知识解决实际问题的能力，强调知识的实际与综合运用。教师用情境试题进行测试能有效激发学生的学习热情，提升其分析和解决问题的能力，进而培养其创新精神和实践能力。目前，情境试题已逐步成为各类考试的重要组成部分。笔者将以电解法测定阿伏伽德罗常数为例，阐述将数字化实验转化为情境试题的具体实施策略和数字化实验情境试题的教学价值。一、数字化实验情境试题的特点数字化实验情境试题1,2充分展现了实践性与应用性特点。此类试题以实际实验为背景，要求学生在掌握基本知识的基础上，运用所学知识解决实际问题，从而培养其问题解决能力和实践能力。同时，数字化实验情境试题涉及多个知识领域，鼓励学生在分析问题时综合运用所学知识，以提升知识整合能力并培养创新精神。教师借助为充分发挥信息技术和情境试题的教学优势，促进学生深度学习，教师有必要分析数字化实验情境试题的特点，总结并运用将数字化实验转化为情境试题的具体策略，发挥数字化实验情境试题的教学价值。电解法测定阿伏伽德罗常数的实践证明，数字化实验情境试题的设计与应用不仅有助于纠偏，避免教师步入误区，而且能突破教学难点，有效提高学生在信息整合、定量分析和概括表达等方面的高阶思维能力。关键词：化学；数字化实验；情境试题；教学价值摘要：文|佘平平 周业虹 数字化实验转化为情境试题的策略与教学价值 以电解法测定阿伏伽德罗常数为例计算机技术、网络技术和电子仪器等设备，命制数字化实验情境试题将实验过程进行数字化呈现，使得实验现象更加直观，有助于学生理解和掌握实验原理。此外，此类试题具有很强的灵活性和适应性，教师可根据学生的学习进度和能力水平进行调整（修改和更新），以满足多样化的教学需求。教师用数字化实验情境试题能全面评价学生的知识水平、应用能力和创新精神。二、将数字化实验转化为情境试题的策略如何将数字化实验转化为情境试题？教师需深入理解实验内涵，结合实际情境设计问题，并考虑试题难度与梯度。这种试题的设计与应用有助于教师更好地评估学生知识应用能力与问题解决能力，并在真实情境中促进学生运用所学知识解决问题。笔者以电解法测定阿伏伽德罗常数为例，阐述将数字化实验转化为情境试题的策略。（一）明确实验目标与要求在将数字化实验转化为情境试题过程中，教师应明确实验目标与要求。首先，需科学设置实验目标，如提高学生信息整合、定量分析和概括表达能力。其次，根据目标确定实验要求，如要求学生完成特定实验操作、收集分析数据或解决特定情境问题。以测定阿伏伽德罗常数实验为例，6|数字化实验转化为情境试题的策略与教学价值 化学专题教师将提高学生定量分析能力定为目标，要求学生借助数字化实验仪器采集数据，利用软件进行分析，并基于分析结果解决相关化学问题。（二）选择合适的数字化实验仪器在将数字化实验转化为情境试题的过程中，选择合适的数字化实验仪器与软件至关重要。例如，在阿伏伽德罗常数测定实验中，选用的数字化实验仪器应满足建立宏观与微观联系的需求。如果使用电化学方法，则需要实现宏观电量与微观电子数之间的转换。可行的做法是选用电流传感器或电压传感器结合恒定电阻，再结合电解池或原电池实验来完成阿伏伽德罗常数的测定。（三）设计合理的数字化实验内容并采集数据3针对电解法测定阿伏伽德罗常数，如何设计合理的数字化实验呢？1.设计测量电量的方案在电路中串联一个恒定 0.18 的电阻，利用数据采集器结合电压传感器测量电解过程中此电阻的电压随时间变化量，系统自动对时间积分（电压单位是 V，时间单位是 s），积分值除以0.18 可得到反应过程的电量。2.利用电镀铜实验结合电压传感器测定阿伏伽德罗常数用两块已知质量的铜片分别作为阴极和阳极，以铜氨溶液作电解液进行电解，在阴极上铜氨溶液电离的 Cu2+获得电子后析出金属铜，使得阴极质量增加；在阳极上等量的金属铜溶解进入溶液，阳极质量减少。由于铜电极通常有杂质，人们一般用阴极增重的方式计量反应的量。阴极的电极反应式为Cu(NH3)42+2e-=Cu+4NH3，阴极质量的增量和转移的电子数存在定量关系。教师测定阴极增加的质量和电路的电量1 个电子的电量（1.610-19 C），建立宏观和微观的关系，计算阿伏伽德罗常数。3.对实验结果进行数据分析以铜作为电极用 10 V 电压电解铜氨溶液 40分钟，填写实验测量数据（见表 1）。表 1 电镀铜实验结果次数电压（V）对时间（s）积分电量Q/C初始质量/g终止质量/g阴极增重/g154.563303.12812.97813.0800.102254.535302.97213.01213.1130.101354.647303.59413.02413.1280.104阿伏伽德罗常数的计算公式：NA=。计算结果如下（见表 2）。63.55电量2增重 1.6 10-19表 2 电镀铜实验计算阿伏伽德罗常数次数123阿伏伽德罗常数/mol-15.90210235.95710235.7971023（四）将“电解法测定阿伏伽德罗常数的数字化实验”转化为情境试题根据电解法测定阿伏伽德罗常数的数字化实验结果，教师设计了以下 8 道情境试题，用来评估学生对实验的理解与应用能力。这些试题要求学生熟练掌握实验的原理，并能够在实际操作中运用所学知识解决实际问题。请描述电解实验中离子的运动方向并写出电极反应方程式。命制此题旨在检验学生对电解池工作原理的理解程度。请正确连接各仪器完成实验。此题要求学生将理论与实践相结合，基于实际操作检验对实验原理的掌握程度。如果阴极产生的铜不致密，对实验会产生什么影响？如何让阴极产生的铜更加致密？命制此题旨在让学生基于实践操作理解致密铜的重要性，以减少误差。如何减小测量阴极析出铜质量的误差？此题要求学生从实验操作的角度出发，思考减小误差的方法。请描述电解法测定阿伏伽德罗常数的实验原理。命制此题旨在检验学生对实验原理的掌握程度，并锻炼学生的信息整合与概括表达能力。请列出计算阿伏伽德罗常数的表达式。此题在问题五的基础上，增加了定量分析的要求，旨在提高学生的高阶思维能力。根据实验原理，思考实验过程中2024 年第 4 期 中小学数字化教学|7化学专题需要测量哪些量？此题是第五个问题和第六个问题的反向设问，旨在评估学生对实验过程的理解程度，进一步锻炼学生的高阶思维能力。请利用相关数据计算阿伏伽德罗常数。此题要求学生理解原理，整合信息，进行定量计算，并注意物理量的量纲。此题可以检验学生对实验原理与操作的全面掌握程度。教师合理设计情境试题，能够有效评估学生对电解法测定阿伏伽德罗常数实验的理解与应用能力。同时，这些试题也具有一定的趣味性和挑战性，能够激发学生的学习热情，提高其实验技能与理论知识水平。教师可根据实际情况调整试题难度与数量，以满足不同层次学生的需求。三、数字化实验情境试题的教学价值（一）利用数字化实验情境试题纠正教学偏误中学化学教学内容是有限的，存在一定局限性，不少师生对一些问题存在认识偏差。数字化实验可以帮助教师纠正教学偏误。遗憾的是数字化实验的普及程度不高，而数字化实验情境试题能弥补这一遗憾。例如，硫酸铜溶液水解显酸性，醋酸钠溶液水解显碱性。过去，讨论正盐溶液的pH，人们只关注水解的影响。温度升高促进盐的水解人们认为硫酸铜溶液 pH 随温度升高而降低，醋酸钠溶液的 pH 随温度升高而升高。然而，北京高考 2019 年第 12 题的实验结果揭示了背后更深层次的原因。该实验中，测定了醋酸钠溶液、硫酸铜溶液和水的 pH，让学生观察其随温度变化的曲线。观察的结果令人惊讶硫酸铜溶液和醋酸钠溶液的 pH 均随着温度的升高而降低。造成这一结果的原因在于，过去师生分析盐溶液的 pH 时，忽略了水的电离程度这一重要因素。事实上，随着温度升高，水的电离程度也会随之增大，水电离产生的氢离子和氢氧根离子浓度会增大，从而影响溶液 pH。分析这类情境试题，可以更深入地理解温度、水的电离程度与盐类水解程度跟溶液 pH 的关系。这也提醒师生在分析问题时，要全面考虑各种因素，透过现象洞悉本质，并为今后的研究和实践提供更为可靠的依据。（二）借助数字化实验情境试题突破教学难点学生对于化学教学中诸多迷思概念容易混淆，根本原因在于不理解其本质。电离方程式的书写就是其中之一。许多学生在书写电离方程式时，往往错误地加上“通电”条件。这种错误的认识源于他们对电离过程的理解不深，实际上，电离过程并不需要通电。2019 年人教版化学教材对电解质给出了定义：在水溶液里或熔融状态下能够导电的化合物被称为电解质。这一定义从导电性的角度明确了电解质的特性。该解释并未揭示电解质在水中离解的本质。为了进一步阐述电离过程的自发性，教师可以借鉴化学史上的研究成果，并利用不锈钢宽范围温度传感器和电导率传感器，测量溶液的沸点和电导率相对于纯水的变化4。根据溶液的依数性，师生可以测量溶液沸点升高的数值，反推出溶液中分散微粒的质量摩尔浓度。这样一来，师生就可以从溶质在溶液中微粒数量改变情况出发，讨论溶质在溶液中的电离行为。在测量沸点的实验过程中，教师仅对体系加热而未通电。这一实验现象为解释电离过程的自发性提供了有力证据。实验结果表明，电离是电解质在溶液中受水分子的作用而自发地解离，这一过程并不需要通电。教师解释电离本质让学生清晰地理解溶液中电解质电离的原因。数字化传感器在当前并不是所有学校都具备，稀溶液的依数性也不是所有教师熟知。如果能将这一数字化实验转化成情境试题，学生在做题过程中，就会从微观角度理解电解质导电本质。情境试题可以帮助突破电离的教学难点，加深学生对化学知识的理解和掌握程度。（三）数字化实验情境试题助力学生高阶思维培养1.助力学生信息整合能力提升教师以真实且具体的问题情境为载体命制数8|数字化实验转化为情境试题的策略与教学价值 化学专题字化实验情境试题，旨在协助学生将抽象的知识与实际应用结合起来，进而更好地理解和掌握相关知识。此类试题要求学生具有扎实的知识功底和一定的信息整合能力，从复杂的情境中提炼关键信息，并利用所学知识解决问题。在作答阿伏伽德罗常数测定的数字化实验情境试题过程中，学生需利用实验数据，运用图像解析、数据处理等方法，整合相关信息并得出结论。这不仅锻炼了学生的实验技能，而且提升了他们的信息整合能力。教师可在试题中融入更多实际情境，如工业生产、日常生活等，让学生面对更为复杂的问题。2.促进学生定量分析能力提升教师设计数字化实验情境试题，基于真实、生动的实验情境，引导学生深入探究问题，让他们在解决问题的过程中提升定量分析能力。实验数据以图表、图像等形式呈现，便于学生观察、分析和解读数据，挖掘其中的规律和趋势。例如，在阿伏伽德罗常数测定的数字化实验中，学生可以对实验数据进行分析，理解阴极质量变化和电子数目之间的定量关系，建立宏观和微观的联系。在这一分析过程中，学生综合运用数学、物理、化学知识对数据进行处理、建模和解释，从而提升了定量分析能力。3.助力学生概括表达能力提升教师命制数字化实验情境试题，设置真实、生动的问题情境，引导学生深入探究问题背后的科学原理，从而提升学生的概括表达能力。这种概括表达能力包括对实验原理的解释和总结能力，对实验数据的分析和处理能力，以及对实验结果的推理和表达能力。在数字化实验情境试题的解答过程中，学生需从实验数据中提取关键信息，运用科学方法进行分析，并在此基础上科学地解释实验结果。这不仅锻炼了学生的逻辑思维和推理能力，而且有助于培养他们解决问题的能力和创新思维能力。为更好地发挥数字化实验情境试题在提升学生概括表达能力方面的作用，教师在试题设计时应注意以下几点：首先，选择具有代表性的实验，确保实验结果具有普遍性和科学性；其次，设置具有启发性和探究性的问题，引导学生深入思考和探究实验背后的科学原理；最后，提供丰富的数据和信息，让学生在分析和处理数据过程中提升定量分析和概括表达能力。总之，数字化实验情境试题在助力学生信息整合、定量分析、概括表达等高阶思维培养方面有重要的教学价值。教师科学设计情境试题，可引导学生深入探究问题背后的科学原理，培养他们的逻辑思维和推理能力，提高他们的创造力和解决问题的能力。这将为学生未来的学习和工作奠定坚实基础。注：本文系北京市教育学会“十四五”教育科研 2022年度课题“中学学科实施课程思政的研究”（课题编号：WLJX2022-002）、北京市新时代中小学名师发展工程（首都师范大学基地）、北京市东城区优秀人才培养资助项目（编号：2023-dchrcpyzz-23）的研究成果。1白涛,马红艳,钱扬义,等.从误区走向真实：基于手持技术的化学试题情境分析 J.化学教育（中英文）,2023(13):95-100.2吴锶敏,钱扬义,温金菊,等.手持技术数字化实验情境试题特征分析：20132022 年全国中考化学试题 J.化学教育（中英文）,2023(23):6-13.3王春.基于手持技术的阿伏伽德罗常数测定 J.化学教育（中英文）,2019(23):77-79.4佘平平,刘然.运用数字化实验促进学生理解电离过程的自发性 J.中小学数字化教学,2021(8):25-28.参考文献（作者佘平平系北京市第二中学高级教师；周业虹系人民教育出版社编审，中国教育学会化学教学专业委员会秘书长）责任编辑：祝元志