虛實(shí)結(jié)合：在質(zhì)疑與創(chuàng)新中解決真實(shí)化學(xué)問題

在信息爆炸的今天，辨別信息真?zhèn)斡葹殛P(guān)鍵。教師虛實(shí)結(jié)合開展教學(xué)，不僅能夠培養(yǎng)促進(jìn)學(xué)生質(zhì)疑、批判和創(chuàng)新能力，而且有助于深化學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解。筆者選取了兩個(gè)“無明顯現(xiàn)象化學(xué)反應(yīng)”的實(shí)驗(yàn)案例，探討了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法在評(píng)價(jià)和育人方面的局限性，并設(shè)計(jì)實(shí)施了虛實(shí)結(jié)合的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在解決真實(shí)的化學(xué)問題的過程不斷質(zhì)疑和創(chuàng)新，以增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，促進(jìn)其科學(xué)思維能力發(fā)展。一、以虛補(bǔ)實(shí)：發(fā)展科學(xué)思維，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度以虛補(bǔ)實(shí)，即利用虛擬技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，這一方法在現(xiàn)代教學(xué)中日益受到重視。隨著科技的進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)已成為教育領(lǐng)域的新趨勢。融合虛擬仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生對(duì)宏觀、微觀、符號(hào)和圖像進(jìn)行綜合認(rèn)知，提升學(xué)生的證據(jù)推理能力。盡管許多化學(xué)反應(yīng)伴隨著明顯的現(xiàn)象，如發(fā)光、放熱、變色、氣體產(chǎn)生和沉淀生成，但有些反應(yīng)缺乏明顯現(xiàn)象，難以獲得科學(xué)認(rèn)知。教師虛實(shí)結(jié)合利用現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)手段，可以使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象“從無到有”，這不僅有助于學(xué)生構(gòu)建和重組知識(shí)體系，而且能有效提升學(xué)生的思維廣度和深度。以下是“CO2與NaOH溶液反應(yīng)”的教學(xué)案例。（一）教學(xué)案例教師將CO2通入盛有NaOH溶液的試管中。學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)試管內(nèi)無明顯變化。教師讓學(xué)生分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，以判斷“CO2與NaOH溶液”是否發(fā)生反應(yīng)。（教師引導(dǎo)學(xué)生從“反應(yīng)物減少”“生成物增加”等方面思考。）……學(xué)生提出方案，向盛有NaOH溶液的試管中滴加1滴酚酞溶液，然后通入CO2，觀察現(xiàn)象。教師將CO2通入含有NaOH溶液的試管中（通入前已滴入1滴酚酞溶液）一段時(shí)間。師生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，否定了該方案。（二）酚酞溶液變色機(jī)理酚酞溶液是常見的酸堿指示劑之一。學(xué)生閱讀化學(xué)教材[1]可知，酚酞溶液遇堿溶液變紅，在酸性溶液中不顯色，還知道變色反應(yīng)的pH范圍。由于缺乏定量、直觀的信息，學(xué)生通常不能全面理解，采用機(jī)械記憶的方式學(xué)習(xí)[2]。酚酞結(jié)構(gòu)如圖1所示。pH＜8.2時(shí)為無色，其結(jié)構(gòu)為（如圖1a），稱為內(nèi)酯式結(jié)構(gòu)，縮寫為H2P。8.2＜pH＜10.0時(shí)，酚酞分子的2個(gè)酚羥基上的質(zhì)子離解，內(nèi)酯環(huán)打開，生成２個(gè)相似的醌式結(jié)構(gòu)（如圖1b、1b'），呈粉紅色，縮寫為P2-。當(dāng)pH＞12.0時(shí)，生成無色的甲醇式結(jié)構(gòu)（如圖1c），粉紅色逐漸消退，縮寫為POH3-。三者之間的顏色變化都是可逆的，當(dāng)pH=11時(shí)，H2P快速、完全地轉(zhuǎn)化為P2-。當(dāng)pH＞12.0時(shí)，P2-緩慢地轉(zhuǎn)化為POH3-。這表明酚酞溶液在強(qiáng)堿性溶液中褪色，突破了“酸無堿紅”的傳統(tǒng)變色范圍[3]。（三）實(shí)驗(yàn)探究1.實(shí)驗(yàn)用品藥品：固態(tài)CO2（干冰）、NaOH、蒸餾水、酚酞溶液、BaCl2溶液、稀鹽酸。儀器：250mL燒杯、玻璃棒、鑷子、量筒、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、pH傳感器、溫度傳感器。2.實(shí)驗(yàn)步驟（1）配制溶液：配制150mL不同濃度的NaOH溶液。（2）滴加酚酞溶液：將配制好的NaOH溶液倒入5個(gè)潔凈的250mL燒杯中，分別滴加2滴酚酞溶液，觀察現(xiàn)象。（3）放入干冰：將足量的干冰分別放入5個(gè)燒杯中，觀察現(xiàn)象。3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（1）滴加酚酞溶液后，立即由無色變?yōu)榧t色，但很快褪色。（2）剛加入干冰時(shí)，燒杯中酚酞為無色，經(jīng)過一段時(shí)間后，酚酞逐漸變?yōu)榧t色（見表1）。4.解釋（1）酚酞溶液在NaOH溶液中褪色的原因：為了防止學(xué)生認(rèn)為酚酞溶液褪色是因?yàn)槌?，NaOH與空氣中CO2反應(yīng)造成的，實(shí)驗(yàn)中，還配制了1%的NaOH溶液，同樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)酚酞溶液變紅色后很長時(shí)間沒有褪色。進(jìn)一步證實(shí)：紅色酚酞自然褪色的時(shí)間與NaOH溶液的濃度有關(guān)，濃度愈大褪色愈快；而與試管是否敞口無關(guān)，即酚酞溶液逐漸褪色與空氣中的CO2無關(guān)。（2）化學(xué)變化的典型標(biāo)志是新物質(zhì)的產(chǎn)生，這通常伴隨著顏色變化、氣體釋放、沉淀形成等現(xiàn)象，同時(shí)也會(huì)伴隨著能量的轉(zhuǎn)換。根據(jù)觀察到酚酞溶液顏色變化，說明CO2與NaOH發(fā)生了反應(yīng)。此外，實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，燒杯底部逐漸有白色晶體析出。師生用pH傳感器測定反應(yīng)過程中pH變化以及NaOH、Na2CO3和NaHCO3在常溫下溶解度，分析燒杯底部的白色晶體為NaHCO3，加入稀鹽酸，有大量氣泡產(chǎn)生。一夜后，燒杯中酚酞溶液顏色由淺紅色逐漸變深?？赡芘cNaHCO3常溫下能緩慢分解得到Na2CO3和CO2有關(guān)[5]。案例中，教師改變反應(yīng)條件，既能清晰地看到酚酞溶液顏色的變化，又能結(jié)合實(shí)時(shí)的曲線、數(shù)據(jù)變化（如圖2），讓學(xué)生知道酚酞溶液變色的原因并對(duì)反應(yīng)過程中產(chǎn)物的變化進(jìn)行科學(xué)判斷。在教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，以虛補(bǔ)實(shí)，探索虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的教學(xué)之路，讓學(xué)生養(yǎng)成注重實(shí)證、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，學(xué)會(huì)批判性思考，具有敢于提出并堅(jiān)持自己的見解、勇于修正的科學(xué)精神，助力課堂教學(xué)變革。二、以虛拓實(shí)：經(jīng)歷科學(xué)探究，強(qiáng)化創(chuàng)新意識(shí)以虛拓實(shí)指利用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)等手段來拓展和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)踐活動(dòng)。在教學(xué)中，教師根據(jù)學(xué)生認(rèn)知水平，精心設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)深度融合。學(xué)生進(jìn)行交互式動(dòng)態(tài)體驗(yàn)，沉浸式學(xué)習(xí)，有利于提高對(duì)知識(shí)內(nèi)容的認(rèn)知水平，核心素養(yǎng)也得以進(jìn)階性發(fā)展。以下是“NaOH溶液與稀鹽酸”中和反應(yīng)的教學(xué)案例。（一）教學(xué)案例教師將稀鹽酸滴加到盛有NaOH溶液的試管中。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，試管中無明顯現(xiàn)象發(fā)生。教師讓各小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證NaOH溶液與稀鹽酸發(fā)生了反應(yīng)?！瓕W(xué)生向盛有NaOH溶液的試管中滴加1滴酚酞溶液，然后滴加稀鹽酸，觀察現(xiàn)象。師生根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，確定二者發(fā)生了反應(yīng)。接下來師生從微觀角度認(rèn)識(shí)了中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，了解了中和反應(yīng)在生產(chǎn)、生活中運(yùn)用。（二）現(xiàn)有研究筆者查閱知網(wǎng)近些年的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)“酸和堿中和反應(yīng)”的研究頗為豐富。楊香濤通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，從宏觀角度觀察中和反應(yīng)的表面特征；利用模型和動(dòng)畫，從微觀角度探究中和反應(yīng)的詳細(xì)過程；借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，結(jié)合宏觀和微觀視角，深入理解中和反應(yīng)的本質(zhì)[6]。楊林全通過遞進(jìn)式的探究實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一系列層次分明的問題，引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過微觀模型及其應(yīng)用，進(jìn)行邏輯推理，構(gòu)建對(duì)中和反應(yīng)的認(rèn)知框架[7]。王永臻對(duì)比了不同教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，采用固態(tài)堿、無水酸和新型裝置進(jìn)行酸堿混合實(shí)驗(yàn)，并使用藍(lán)色硅膠和簡易導(dǎo)電性測量儀器對(duì)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)[8]。林建芬依據(jù)SOLO分類理論，對(duì)中和反應(yīng)概念的學(xué)習(xí)階段、提升路徑和目標(biāo)進(jìn)行了劃分，構(gòu)建了中和反應(yīng)概念的認(rèn)知發(fā)展模型，并在初高中階段的教學(xué)中應(yīng)用了這一模型，以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的連貫性[9]。在教學(xué)中，許多教師圍繞教材內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)從“無明顯現(xiàn)象”到“有明顯現(xiàn)象”，驗(yàn)證NaOH溶液與稀鹽酸發(fā)生了反應(yīng)；接著，從微觀視角分析反應(yīng)發(fā)生的原因，揭示中和反應(yīng)發(fā)生的本質(zhì)，指導(dǎo)學(xué)生書寫中和反應(yīng)的化學(xué)方程式；最后，講解中和反應(yīng)的應(yīng)用。（三）改進(jìn)實(shí)踐1.實(shí)驗(yàn)用品藥品：飽和石灰水、1%的NaOH溶液、石灰乳、酚酞溶液、稀鹽酸。儀器：試管、pH傳感器。2.實(shí)驗(yàn)步驟（1）分別取2mL飽和石灰水和1%的NaOH溶液倒入小試管中，各滴加1滴酚酞溶液，用相同的膠頭滴管逐滴滴加稀鹽酸并計(jì)數(shù)，直至酚酞溶液變成無色。（2）用試管取3mL飽和石灰水，滴加1滴酚酞溶液，逐滴滴加稀鹽酸，觀察現(xiàn)象，待酚酞無色后，振蕩試管，觀察現(xiàn)象。3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（1）兩支試管中酚酞溶液一開始均變紅色。向盛有石灰水的試管中，滴加3滴稀鹽酸后，酚酞變成無色；而盛有NaOH溶液的試管中，滴加稀鹽酸18滴后，酚酞變成無色。（2）試管中酚酞變紅色，逐滴滴加稀鹽酸，可以看到上層的紅色液體由下而上逐漸變成無色。待完全變成無色后，充分振蕩試管，發(fā)現(xiàn)試管中液體先變渾濁，接著酚酞由無色又變成紅色。實(shí)驗(yàn)反復(fù)多次，直到試管底部白色固體消失。3.解釋（1）20℃時(shí)，Ca（OH）2溶解度為0.165g，則飽和溶液的溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16%。分析數(shù)據(jù)可知，飽和石灰水中OH-遠(yuǎn)少于實(shí)驗(yàn)中配制的1%的NaOH溶液。從實(shí)驗(yàn)中可知，酚酞溶液在試管中，先變紅色，說明溶液中都有OH-。滴加稀鹽酸后，逐漸變成無色，根據(jù)滴加稀鹽酸的滴數(shù)，從微觀角度說明，飽和石灰水中OH-比1%的NaOH溶液濃度小很多，這也能說明CO2被NaOH溶液吸收的原因。利用pH傳感器測定（如圖3），會(huì)發(fā)現(xiàn)飽和石灰水中滴加稀鹽酸達(dá)到突變的時(shí)間遠(yuǎn)短于NaOH溶液中滴加稀鹽酸達(dá)到突變的時(shí)間（如圖4），說明1%的NaOH溶液堿性強(qiáng)于飽和石灰水。學(xué)生經(jīng)過對(duì)比，從視覺上認(rèn)識(shí)了中和反應(yīng)的本質(zhì)，也從思想上理解了氫氧化鈣微溶、NaOH易溶的道理。（2）向滴有酚酞溶液的石灰乳［含有未溶解Ca（OH）2的懸濁液］中滴加稀鹽酸，紅色由下而上逐漸變成無色。原因是受重力影響，滴加進(jìn)來的稀鹽酸大部分進(jìn)入上層液體的底部，下面OH-先與H+反應(yīng)，附近的酚酞由紅色變成無色，然后逐漸往上顏色發(fā)生變化。之后，全部無色，說明上層清液中OH-濃度已經(jīng)很?。ㄉ踔聋}酸過量）。此時(shí)，充分振蕩試管，底部未溶解的Ca（OH）2固體溶解，但仍呈懸濁液狀態(tài)。很快，溶液中酚酞變成紅色，說明溶解后OH-濃度又增大。繼續(xù)滴加稀鹽酸，又會(huì)出現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。反復(fù)數(shù)次后，發(fā)現(xiàn)試管底部白色晶體變少到消失，溶液中酚酞最終變成無色。案例中，筆者改變反應(yīng)物，復(fù)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)際生產(chǎn)中用“石灰乳”的原因；對(duì)比數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)生成的曲線，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到酸堿中和反應(yīng)的本質(zhì)及用NaOH溶液吸收CO2的原因。在虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)中，開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從微觀角度認(rèn)識(shí)堿的性質(zhì)、溶解性，加深了學(xué)生對(duì)生活、生產(chǎn)中應(yīng)用中和反應(yīng)的認(rèn)識(shí)。三、虛實(shí)交融：深化科學(xué)探究，培育創(chuàng)新精神（一）在質(zhì)疑中摒棄依賴的思維習(xí)慣，讓科學(xué)探究走向深處對(duì)于酚酞溶液的變色，一些教師在教學(xué)中只是讓學(xué)生識(shí)記“遇到酸性、中性溶液不變色，遇到堿性溶液變紅色”，實(shí)驗(yàn)演示時(shí)呈現(xiàn)統(tǒng)一的現(xiàn)象，即使遇到“異?，F(xiàn)象”也“輕描淡寫”快速掠過。數(shù)智時(shí)代，化學(xué)教師應(yīng)該對(duì)酚酞溶液變色的認(rèn)識(shí)具有一定的“廣度和深度”，這樣才能引導(dǎo)學(xué)生“質(zhì)疑”，科學(xué)解釋學(xué)生的“質(zhì)疑”，而不是“照本宣科”。另外，有的還存在將驗(yàn)證“二者是否發(fā)生反應(yīng)”和“NaOH是否變質(zhì)”混淆的情況。對(duì)于“無明顯現(xiàn)象”中和反應(yīng)的驗(yàn)證，傳統(tǒng)做法是用“NaOH溶液、稀鹽酸和酚酞溶液”組合開展探究，從溶液的配制，到反應(yīng)進(jìn)行的程度，到反應(yīng)原理的認(rèn)識(shí)及微觀解釋，都具有典型性。但是基于學(xué)生對(duì)Ca（OH）2在生產(chǎn)、生活中運(yùn)用的熟悉程度，以及兩種堿的性質(zhì)比較，他們會(huì)質(zhì)疑“為什么不用NaOH溶液處理酸性土壤”“工業(yè)生產(chǎn)上，為什么常用石灰乳中和酸性物質(zhì)，而不用石灰水”。其實(shí)，用“Ca（OH）2與稀鹽酸”反應(yīng)開展探究活動(dòng)，能作出科學(xué)的解釋。化學(xué)是實(shí)驗(yàn)的科學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的捷徑實(shí)際上就是完成從辦公室到實(shí)驗(yàn)室之間的距離，需要教師走穩(wěn)當(dāng)、走扎實(shí)，摒棄平時(shí)思維習(xí)慣。在“質(zhì)疑”思維驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生會(huì)提出更多問題。教師將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)融合，能將學(xué)生的科學(xué)探究引向深處，點(diǎn)亮化學(xué)課堂。（二）在創(chuàng)新中凸顯學(xué)生的主體地位，讓育人藍(lán)圖變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)上述兩個(gè)教學(xué)片段折射出教學(xué)中還存在“實(shí)驗(yàn)習(xí)慣”的依賴性，如配制藥品統(tǒng)一性、藥品用量統(tǒng)一性、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致性等，學(xué)生的科學(xué)思維未能充分發(fā)展；折射出部分教師機(jī)械地按照教材教學(xué)的問題，影響學(xué)生化學(xué)科學(xué)能力發(fā)展。教學(xué)中，筆者為學(xué)生提供酚酞溶液變色、褪色相關(guān)資料，改進(jìn)NaOH溶液配制方法，將傳統(tǒng)的“稀”NaOH溶液，換成“濃”NaOH溶液，滴加酚酞溶液后產(chǎn)生不同的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生尋找解決問題的新方案。學(xué)生在解釋Ca（OH）2應(yīng)用時(shí)遇到困難，筆者增加“飽和石灰水與稀鹽酸反應(yīng)”“石灰乳與稀鹽酸反應(yīng)”等實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生探究，這樣學(xué)生既可以深入認(rèn)識(shí)中和反應(yīng)，又可以科學(xué)認(rèn)識(shí)物質(zhì)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。在創(chuàng)新思維驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生會(huì)對(duì)不同信息、觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑與批判。教師虛實(shí)融合，科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生創(chuàng)造性見解的能力得以提升，凸顯他們的主體地位。質(zhì)疑是創(chuàng)新的源泉。質(zhì)疑是創(chuàng)新的起點(diǎn)，一切科學(xué)發(fā)現(xiàn)都是從疑問開始的。在教學(xué)中，筆者努力讓學(xué)生養(yǎng)成質(zhì)疑的習(xí)慣，像