王颖

关键词：止酸剂;数字化传感器;探究实验;深度学习

深度学习是在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。指向深度学习的化学教学，能够促进学生学习方式的转变，对课程改革有效推进具有重要意义;是发展学生核心素养的有效途径，对新课程标准在实践层面的推进有重要意义;促进学生对知识的实践和体验，有助于揭示和理解学习本质[1]。笔者以“定量探究不同止酸剂的药效”为主题，带领学生展开数字化实验探究活动。

一、教学主题

沪教版九年级化学（第二学期）第五章第一节中提到，“生活中因为胃酸过多而引起泛酸症状的病人，服用氢氧化镁或氢氧化铝等止酸剂。这就是生活中的酸碱反应[2]。”这段话引发了学生的思考，生活中还有哪些物质可以做止酸剂？他们的药效有什么不同？针对这个问题，我们展开了探究实验活动。

胃液中含有盐酸、胃蛋白酶原、黏液和内因子等物质，pH为0.9～1.5。盐酸若分泌过少，常引起消化不良，若分泌过多，对胃和十二指肠黏膜有侵蚀作用[3]。止酸剂的主要作用机理是利用其有效成分与盐酸反应，治疗胃酸过多。经过化学学科学习和专题复习，学生在酸、碱、盐模块上已经有了一定的知识储备，为掌握本课题实验原理奠定了基础;另一方面，学生经过校本探究课程——大理科的学习，对科学探究有了一定的理解，具有了初步的科学探究能力。在实验技能上，通过基础学生实验和校本数字化拓展实验——应用pH传感器和温度传感器探究中和反应，学生已经具备了基本的常见仪器及数字传感器操作能力，为实验设计和方案实施提供给了充足的条件。数字化传感器精度高、误差小，可以直接测量各种指标，准确地进行定量分析，使化学实验过程更加严谨。本次数字化探究实验，通过检测和比较不同药剂在与盐酸反应过程中的温度、压强和pH变化，让原本难以研究的问题直观化、精细化，降低了学生理解的难度。数字化传感器收集到的数据和图表有助于培养学生分析、评价和综合的高阶思维，提升学科核心素养。

二、教学目标与评价目标

1. 教学目标

（1）基础知识落实：通过“选择一款合适的止酸剂”这个真实问题的解决过程，复习酸、碱、盐的相关知识点。知道选择药物需综合考虑药物的反应程度、反应速率及可能对人体造成不良影响等因素。

（2）探究能力培养：通过提出问题、猜想和假设、设计方案、搜集证据、得出结论、表达交流等环节，初步学会设计并完成简单的探究实验，培养学生的科学探究能力。

（3）学科思维提升：利用数字传感器检测不同止酸剂与盐酸反应的温度、压强和pH变化，通过数据分析药效，建立证据推理意识。

2. 评价目标

（1）知识层面：通过经历完整的项目式探究学习过程，获得对学科核心知识与思想方法的深刻理解诊断学生建构实验探究的认知模型的意识。

（2）能力层面：通过对实验数据、图像的分析，实验方案的设计和实验装置的讨论，促进学科知识功能化、思维高阶化发展。诊断学生解决生活实际问题的能力。

（3）素养层面：通过酸、碱、盐知识在生活中的运用，体会化学来源于生活并服务于生活，感受化学学习的意义。体验科学探究是人们获取科学知识，认识客观世界的重要途径。

三、实验设计

夏九云等人应用手持技术探究了碳酸氢钠片和铝碳酸镁片与盐酸的反应前后的pH和二氧化碳浓度变化[4]，但是实验样本和数据比较单一，没有量化地评价止酸剂药效的标准。朱庆等人运用手持技术数字化实验改进了以上方案，比较了碳酸氢钠片、氢氧化铝片、铝碳酸镁片的抗酸性，还研究了碳酸钠为什么不适合做止酸剂[5]。為了模拟人体胃酸分泌情况，他们在反应容器（烧杯）上放置自动注射器向烧杯中以1 mL/min 的速度滴入盐酸模拟人体内胃酸的分泌。通过比较反应前后的pH 变化、压强变化来比较药效。但他们的实验还存在以下三个问题：

①测量pH变化和气压变化的实验分两次在两套不同的实验装置中完成，降低了实验效率和实验仪器的利用率;

②打开瓶塞添加药品，装置的气密性和数据的准确性受到了影响;

③不能形象直观地表现胃胀的情形。为了能更好地比较不同止酸剂的药效，让学生体验现代定量科学研究过程，我们应用pH传感器、温度传感器和压强传感器，对上述实验方案进行改进，进行了以下探究实验。

1. 实验原理

胃酸的主要成分是盐酸，止酸剂的作用原理是和盐酸反应，从而减轻“泛酸”的症状。本实验所用止酸剂有：氢氧化铝片、碳酸氢钠片、铝碳酸镁片，为了帮助学生更好地巩固酸、碱、盐的知识点，理解评价和选择止酸剂的依据和标准，加入曾用的止酸剂氧化镁反应原理分别为：

胃蛋白酶的生理作用是水解食物中的蛋白质，胃蛋白酶作用的最适pH为2～3.5，随着pH的升高，酶活性逐步降低，当pH超过6时，将发生不可逆转的变性而失去活性。因此，合适的止酸剂应该适当消耗胃酸，在一段时间内维持胃液pH在2～3.5范围内，不能使pH超过6。

2. 实验装置和用品

（1）实验仪器：pH 传感器、压强传感器、温度传感器、数据采集器、笔记本电脑、磁力搅拌器、电子天平、250 mL斜四口烧瓶、25 mL四氟活塞恒压分液漏斗、加厚气球、100 mL烧杯、100 mL量筒、胶头滴管、玻璃棒。

（2）实验药品：蒸馏水、氧化镁粉末、0.1 mol/L稀盐酸，氢氧化铝片（含0.245 g/片），碳酸氢钠片（含0.5 g/片），铝碳酸镁咀嚼片（含0.5 g/片）。

（3）实验装置如图1所示。

3. 实验步骤

（1）按照要求组装好仪器，在四颈烧瓶中加入100 mL 0.1 mol/L稀盐酸，恒压分液漏斗中加入25 mL0.1 mol/L稀盐酸，1 g药品（铝碳酸镁咀嚼片用研钵碾碎）放入气球中，再将气球套在烧瓶瓶口。

（2）在电脑上打开“DISlab”软件，选择每秒采集一次数据，点击“开始”。

（3）打开磁力搅拌器，并将气球中的药品放入稀盐酸中。打开分液漏斗慢慢滴加稀盐酸。

（4）待数据不再变化后，停止实验，保存数据。停止磁力搅拌。

4. 实验记录（如表1所示）

四、教学环节

2. 评价量规（如表3所示）

3. 实验结果与讨论

通过所得实验数据可知，相同质量的四种止酸剂与相同质量、相同浓度的盐酸反应前后，只有氧化镁温度上升了1.4 ℃，其余三种药品反应前后温度变化不大。可见服用氧化镁后胃中会有温热感，但也在可承受范围内（见图2）。

四种止酸剂中，碳酸氢钠与盐酸反应后瓶内压强从102.5 kPa升高到108.4 kPa，小气球明显膨胀，其余三种药品反应前后压强变化不大。可见服用碳酸氢钠片后会引起胃胀（图3）。

从图4、图5可知，氧化镁与盐酸反应后，2分钟左右就将溶液pH提高到10。因为1 g氧化镁的物质的量为0.025 mol，而盐酸中n（HCl）=0.01 mol，过量的氧化镁会与水反应生成氢氧化镁，碱性太强会使胃蛋白酶失去活性。碳酸氢钠与盐酸反应5分钟后溶液pH提高到5，后来随着盐酸的不断滴加pH又略有下降。氢氧化铝与盐酸反应较慢，30分钟左右才将溶液pH提高到2，75分钟左右将溶液pH提高到3.7并保持较长时间不变。铝碳酸镁片仅用100秒时间就将溶液pH提高到4，并能保持75分钟以上。

4. 实验结论

（1）氧化镁会消耗太多盐酸，使胃蛋白酶失去活性，因此不适合做止酸剂。

（2）碳酸氢钠片止酸效果不错，但是会引起胃胀。氢氧化铝反应较慢，需要0.5～1小时才能见效。

（3）铝碳酸镁反应快药效长久，止酸效果好。它可以吸附对胃有损伤的因子（比如胃蛋白酶和胆汁酸等），还可以促进对胃有保护作用的前列腺素E2的分泌。因此是比较理想的止酸剂。

四、教学反思

1. 创新之处

（1）模拟真实情境

人体的胃中约有几十毫升胃液，pH 为0.9～1.5。因为要模拟胃酸过多的情况，所以取100 mL 0.1 mol/L稀盐酸（pH=1）。止酸剂按照用法用量，各取1 g参与反应。正常成人空腹时盐酸排出量为0～5 mmol/h，在食物或药物刺激下可达20～25 mmol/h[6]，因此用恒压分液漏斗以2～3 mL/min的速度滴入盐酸模拟人体内胃酸的分泌。因为胃壁柔软有弹性，所以用气球模拟胃的弹性结构。

（2）对以往实验的改进

① 反应在一个斜口四颈烧瓶中进行，可同时测量pH、压强和温度变化，一次完成，提高实验效率。

② 事先将药品放在气球内，实验装置是一个密闭系统，测得反应体系的压强和温度不受干扰，精确度高。同时也可以通过气球的膨胀与否简单直观地观察反应体系的压强变化。

③ 通过恒压分液漏斗滴加盐酸，既避免添加液体对压强的影响，又防止因体系压强增大导致液体无法顺利滴下。

2. 活动总结

化学学科的深度学习旨在通过具有化学学科特色的挑战性任务，促进学生化学学科核心素养的发展。学习目标强调在获得化学核心知识的基础上，促进化学学科核心素养的发展;学习过程强调化学学科特有的学习活动——以化学实验为主的多种探究活动，实现学生学习方式的改变，让学生完成挑战性任务，积极参与，产生情感共鸣;学习结果强调化学学科思想方法的理解与运用。

本次教学活动围绕“如何选择一款合适的止酸剂？”这个主题，涵盖核心知识内容（酸、碱、盐的性质和用途），有稳定的认识领域和研究对象（医药），有明确和独立的本源性问题（酸、碱、盐的选择和使用），有真实的客观存在和应用。在教学过程中，笔者采用实验探究的教学方法，设计明暗两条主题线。明线是尋找一款合适的止酸剂，暗线是酸、碱、盐化学性质的复习。有针对性地设计合适的活动内容和形式，确保落实学生学科思想方法的建构和素养的发展。在实验过程中，真正做到教师导、学生学，并且注意倾听学生的不同意见，充分发挥学生的主动性，让学生自己分析解决问题。在实验活动过程中持续性地进行教师评价和自我评价，检验课程目标的达成情况，促进学生的自我反思。

经过本次活动，提高了学生数据处理和分析整合的意识，加深对核心知识的理解，增强了设计和完成探究实验的能力，有助于提升学科核心素养。

3. 改进优化的空间

由于时间有限，所以没有让学生自主设计实验装置，也省去了一些实验步骤。如果时间充裕，可以让学生提出、讨论并解决更多生成性的问题。

本活动可以作为项目化学习主题，用4～6个课时完成主题活动。在设计实验方案过程中可以不断指出学生实验方案上的不足，让学生从以往做过的实验题、书籍和网络资料及实验室现有仪器和装置中寻找解决方案，通过一系列驱动型问题使学生学会使用分析、调研、问题解决等高阶认知策略。