基于数字化实验发展证据推理与模型认知的教学设计--以“氢氧化铝的两性”教学为例.pdf
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1、化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(http:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)教学设计研究 教学设计研究 一、设计思想普通高中化学课程标准(2017年版)提出发展学生化学学科核心素养的要求,化学学科核心素养之一“证据推理与模型认知”是一种高级思维活动,证据推理要求学生具有证据意识,能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设,通过分析推理加以证实或证伪;建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。模型认知是证据推理基础上的进阶模式,学生通过建立认知模型,运用模型解释化学现象,揭示现象的本质和规律。1发展证据推理与模型认知需要为学生创设真实的探究情境,通过让
2、学生从各种途径收集大量的信息、数据、图表等,将信息和学科知识有效整合在一起,并运用已有的知识进行基于证据的推理。在证据推理的基础上,学生构建认知模型,或优化已有的认知模型,最后运用模型解决实际问题、或利用模型解释化学现象。故发展证据推理与模型认知的教学模式有五个重要模块:提出合理的假设/猜想、收集信息与证据、基于证据推理、构建/优化模型、应用模型。五个模块并非孤立存在,而是互相联系、不断循环、螺旋上升式的关系。2如图1所示,教学通过循环上升的五个模块,不断提出更高阶的问题与假设,在过程中不断发展学生证据推理能力,并在螺旋上升的过程中不断优化学生认知模型。在“氢氧化铝的两性”教学中,学生的氢氧化
3、铝溶解模型从“氢氧化铝与强酸、强碱反应的定性认识”到“氢氧化铝是否完全溶解取决于pH的范围”,再到“重新从定量角度认识为何氢氧化铝与强酸、强碱反应”,学生关于氢氧化铝溶解的模型构建经历了若干阶段。提出合理的假设/猜想提出合理的假设/猜想收集信息与证据收集信息与证据基于证据推理基于证据推理构建/优化模型构建/优化模型应用模型应用模型设计并实施实验整合提炼证据设计并实施实验整合提炼证据图1发展证据推理与模型认知的教学设计思路真实情境引入数字化实验是由数据采集器和传感器组成的定量采集数据的实验系统,数字化实验可以将不易观察到的实验现象用数据、图表等方式呈现,通过数字化实验进行定量实验探究,可进一步发
4、展学生阅读图表信息,分析定量数据,理解实验现象的能力;还可以帮助学生基于数据进行证据推理,构建新的认知模型,促进对化学反应定性到定量的认识。3二、“氢氧化铝的两性”教学设计1.教学内容与学情分析该教学内容为沪科版 化学 高二 8.2“铝和铝合金的崛起”的重要组分。此前,学生已学习了氢氧化铝溶于强酸与强碱,对氢氧化铝的溶解性有定性的认识,还学习了强弱电解质、影响电离平衡移动的因素、基于数字化实验发展证据推理与模型认知的教学设计以“氢氧化铝的两性”教学为例宋蕊(上海财经大学附属北郊高级中学上海200081)摘要:学生“证据推理与模型认知”学科核心素养的培养,需要创设真实的探究情境,让学生从各种途径
5、收集大量的信息、数据、图表等,进行证据的推理与模型的构建。数字化实验可弥补传统定性实验的某些不足,提供丰富的信息与数据。本文以“氢氧化铝的两性”教学为例,进行了基于数字化实验发展证据推理与模型认知的教学设计。关键词:证据推理与模型认知;数字化实验;氢氧化铝的两性文章编号:1008-0546(2022)12x-0029-05中图分类号:G632.41文献标识码:Bdoi:10.3969/j.issn.1008-0546.2022.12x.007 29化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(http:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)水的电离与pH等相关知识。学
6、生对氢氧化铝与酸和碱的定性反应已经掌握,但是仅停留在简单记忆,对于“氢氧化铝在酸和碱中的溶解受什么影响?”“为何氢氧化铝不溶于弱酸、弱碱?”等问题不能从本质上理解。故本节课从定量实验的角度帮助学生建立对氢氧化铝两性更加准确的认识,构建氢氧化铝在酸和碱中溶解的模型、氢氧化铝在不同酸碱条件下的存在形式模型;并通过本节课深化对电离平衡移动影响因素的认识,感受化学反应从量变到质变的过程,也重新认识强酸弱酸、强碱弱碱的本质差异。4-62.教学目标(1)通过实验探究,基于实验事实进行分析推理,结合电离平衡移动原理解释Al(OH)3在不同酸中溶解性差异的本质原因;(2)通过实验探究,了解Al(OH)3在酸中
7、的溶解存在量变到质变的变化过程,并初步建立Al(OH)3在酸中的溶解模型;(3)通过对定量实验的数据分析,完善Al(OH)3溶解与pH的关系模型;(4)应用Al(OH)3溶解与pH的关系模型解决问题。3.教学环节本节课的教学内容共三大部分:从定性与定量的角度再认识氢氧化铝和酸、碱的反应;通过数字化实验从宏微结合的角度了解氢氧化铝和酸、碱反应的实质;深化对氢氧化铝化学性质反应原理的模型构建与认知。如图2所示,本节课以Al(OH)3在酸和碱中溶解性为骨架,设计真实情境,产生认知冲突。学生在体验定性实验探究和肉眼观察的局限性后,基于证据分析推理进行数字化定量实验设计,通过实验数据认识Al(OH)3在
8、酸和碱中溶解的本质,实现从对物质间化学反应的宏观认知到微观原理的探析。在理解Al(OH)3的溶解本质基础上探究Al(OH)3在哪些pH范围内才能完全溶解,学生通过数字化定量实验设计、分析实验数据,认识氢氧化铝在不同pH环境中的存在形式,并发掘实验数据,运用氢氧化铝的溶解本质解释该实验数据图与高中阶段常见沉淀质量与NaOH体积关系图的偏差。最后结合实验结果与不同酸碱的pH数据,重新认识教材中Al(OH)3溶于强酸、强碱,从对化学反应的定性认识与机械记忆,转变为对化学反应变化的本质与平衡对化学反应量变到质变的影响;体会对强酸弱酸、强碱弱碱对体系pH的影响程度,重新认识强弱电解质。引入:胃舒平与维生
9、素C的反应产生认知冲突定性实验探究:Al(OH)3在强酸、弱酸中的溶解性证据推理:Al(OH)3在强酸、弱酸中的溶解性本质定量实验探究:Al(OH)3在pH=4的醋酸中的溶解程度模型初建:Al(OH)3在酸中的溶解度模型定量实验探究:Al(OH)3在浓氨水中的溶解程度定量实验探究与模型认知:Al(OH)3溶解度与pH的关系模型定性实验探究:Al(OH)3在浓氨水中的溶解性提问:Al(OH)3在碱中的溶解性本质证据推理:Al(OH)3在强碱弱碱中的溶解性本质模型应用:Al(OH)3的工业制备方法重识Al(OH)3不溶于弱酸弱碱碱酸宏观辨识证据推理定性实验微观探析模型认知定量探究图2氢氧化铝的两性
10、教学流程三、“氢氧化铝的两性”数字化实验设计1.数字化实验一:Al(OH)3在弱酸、弱碱中的溶解程度(1)数字化实验设计思路由于Al(OH)3在弱酸弱碱中不能完全溶解,肉眼无法判断反应是否有发生,本实验引入数字化实验,利用溶液中离子浓度增大电导率增大的原理,使用电导率传感器进行数字化实验,用数字与曲线表征实验事实,促进学生对 Al(OH)3溶解本质的理解。设计Al(OH)3固体和醋酸、氨水反应的数字化实验,探究影响Al(OH)3溶解程度的本质原因。用等初始电导率的氯化钠溶液和Al(OH)3固体作为对照组,排教学设计研究 教学设计研究 30化学教与学2022年第12期(下半月刊)化学教与学(ht
11、tp:/或http:/)化学教与学(http:/或http:/)教学设计研究 教学设计研究 除Al(OH)3自身溶解对电导率的影响。(2)数字化实验仪器与药品实验仪器:50mL 烧杯、磁力搅拌器、Vernier电导率传感器、Vernier数据采集器、铁架台。药品:pH=4醋酸溶液、Al(OH)3固体、与pH=4的醋酸电导率相同的NaCl溶液。仪器设计如图3所示。图3Al(OH)3在弱酸(弱碱)中的溶解程度实验装置2.数字化实验二:Al(OH)3溶解度与pH的关系模型探究(1)数字化实验设计思路利用数字化实验,通过pH探头测定向硫酸酸化的硫酸铝溶液中逐步滴加NaOH溶液的pH变化,观测Al(OH
12、)3开始沉淀、沉淀最大与完全溶解的pH。学生通过观察发现,利用肉眼无法准确观察沉淀开始、沉淀最大与沉淀消失的准确节点。故对实验装置进行优化,利用感光度大小特征沉淀的量,从而得到Al(OH)3开始产生沉淀、沉淀完全、沉淀开始溶解和沉淀完全溶解对应的 pH,根据数据得到 Al(OH)3在不同pH下的存在状态,建立Al(OH)3溶解模型。培养学生利用数字化实验进行实验探究、优化实验设计的能力。通过挖掘本实验的数据,引导学生利用本节课所学知识,从Al(OH)3在不同酸碱性环境中的反应实质,解释该实验数据图与高中阶段常见沉淀质量与氢氧化钠体积关系图的偏差:恰好完全沉淀到完全溶解需要继续滴加NaOH溶液提
13、高溶液环境pH;产生沉淀与沉淀溶解所需的NaOH溶液体积比并非3 1,有部分NaOH溶液用于提高体系的环境pH。学生利用直观的数据,解释为何通常认为“Al(OH)3不溶于弱酸、弱碱”,重新从定量角度认识Al(OH)3不溶于弱酸、弱碱,感受强酸强碱对体系pH的影响。(2)数字化实验仪器与药品实验仪器:50 mL 烧杯、磁力搅拌器、Vernier pH传感器、Vernier 滴数传感器、Vernier 光传感器、台灯、Vernier数据采集器、铁架台。药品:0.1 mol/L Al2(SO4)3溶液、1.0 mol/L NaOH溶液、稀H2SO4溶液。仪器设计如图4所示。左:优化前;右:优化后图4
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