計算機技術在化學實驗教學中的應用實例

李巨超

(河池學院 化生系,廣西 宜州 546300)

計算機技術在化學實驗教學中的應用實例

李巨超

(河池學院 化生系,廣西 宜州 546300)

應用計算機技術包括互聯(lián)網(wǎng)以及相關的應用軟件,可以在化學實驗教學中發(fā)揮強大的作用,廣泛應用于實驗預習、實驗方案設計、實驗報告的撰寫與評價。尤其是用于處理化學實驗數(shù)據(jù),解決繁瑣的數(shù)學計算問題,具有不可替代的優(yōu)越性。熟練運用這些計算機技術,能夠大大增強化學實驗教學效果,開拓實驗教學的新局面。

計算機;化學實驗;教學;數(shù)據(jù)處理

計算機技術在化學教學以及教改研究上有著廣闊的用途,而對于化學實驗教學,除了制作教學軟件開展多媒體教學、運用網(wǎng)絡進行教學等常規(guī)應用外,還有更多層次、內(nèi)容更為豐富的應用,尤其是運用軟件處理實驗數(shù)據(jù),運算實驗結(jié)果,模擬實驗操作等,具有獨特的優(yōu)越性。

一、運用計算機進行化學實驗預習

學生在上實驗課之前,都必須進行預習,以便在實驗課中能夠有的放矢,順利完成實驗,達到實驗的預定目的。許多情況下,學生都不具備到實驗室預習的條件,如果只是看看教材和一些參考書,收效不大,預習效果不夠理想,而互聯(lián)網(wǎng)及各種教學軟件給我們提供了廣闊的學習空間。

(一)通過在互聯(lián)網(wǎng)上查閱資料進行預習

國內(nèi)辦學比較成熟的高校,如果具有相關專業(yè),大都在網(wǎng)上有化學實驗教學網(wǎng)站。在搜索引擎中輸入“化學實驗中心”,可以找到數(shù)以百計的高?；瘜W實驗 (教學)中心的網(wǎng)址。在前面冠以某某高校的名稱,就可以直接搜索到該校的化學實驗中心網(wǎng)址。在這些網(wǎng)站中,都有很豐富的化學實驗教學資料,具體到我們需要了解的某個實驗的原理、方法、方案、應用的儀器試劑、實驗裝置圖、注意事項以及成敗的關鍵。有些網(wǎng)站還提供演示實驗操作的視頻,讓我們能直觀地看到實驗操作方法,還有相關的實用附錄資料如溶液的配制、指示劑的應用、計算公式等等。如果想直接了解某個實驗,可在搜索引擎中輸入實驗名稱,例如“化學反應速率及活化能的測定”、“硫酸亞鐵銨的制備”等,即可很快找到相關的教學參考資料。通過網(wǎng)上查閱資料來預習實驗,學習效率非常高,效果比單純看書好得多。

(二)運用模擬、仿真化學實驗室軟件進行實驗預習

“仿真化學實驗室”、Chemlab以及類似的軟件都是在電腦上進行模擬化學實驗的互動式教學軟件。學習者可在一個虛擬的可視化的平臺上,采用虛擬 (圖形)的實驗儀器和試劑,進行模擬化學實驗操作,達到訓練、掌握實驗操作方法和技能的目的。

1.“仿真化學實驗室”的功能

“仿真化學實驗室”是國內(nèi)開發(fā)的一個可單機使用的交互式教學軟件,其中包含化學仿真實驗平臺、三維分子模型和化學資料中心。調(diào)用內(nèi)置的“儀器庫”,能夠“裝配”復雜的化學實驗“裝置”,可以進行許多虛擬但又逼真的化學定性和定量實驗;利用“三維分子”可以制作出各種常見有機分子 (烯、炔、鹵代烴、醇、醛、羧酸、酯等)的三維模型,并可制作成動畫;化學資料中心是以元素周期表為主線的化學資料庫,可以便捷地查找所需要的元素或化合物的有關數(shù)據(jù)。

2. “仿真化學實驗室”的使用實例

以實驗室制取 Cl2的為例,介紹其使用方法。

步驟 1,組配實驗裝置:運行“仿真化學實驗室”,在窗口左邊的儀器器件箱中 (圖 1),用鼠標點擊所需的儀器及配件,再在實驗區(qū)中點擊一下鼠標就可以把該儀器放在實驗區(qū)中了。然后拖動到適當位置,組成本實驗的裝置圖 (圖 2)。

步驟 2,往容器中添加藥品:用鼠標右擊需要加藥品的容器,在彈出的菜單中點擊“添加藥品”,這時會彈出“添加藥品”對話框 (圖 3)。

從“固體、液體、氣體、溶質(zhì)、溶液、離子”選項中選擇所需類型,再找到具體的藥品名稱,然后輸入需要添加的量,最后點擊“添加”按鈕就可以了。

步驟 3,啟動智能反應與定制反應:“仿真化學實驗室”具有智能處理反應功能,可根據(jù)容器中的藥品和環(huán)境自動從方程式庫中搜索可能存在的反應方程式,并按這些方程式進行計算。點擊工具欄中的運行按鈕,設置為運行狀態(tài)。再點擊分液漏斗,分液漏斗右邊會出現(xiàn)一排按鈕,點擊“打開”就可以把分液漏斗中的鹽酸加入到燒瓶中了。這時反應就會自動進行了。為了準確地控制實驗,需要對發(fā)生的反應進行定制:右擊燒瓶,選擇“屬性”,再選擇“容器中的反應”,彈出顯示可能發(fā)生反應的對話框。對于可以不考慮的反應,可以點擊“刪除”。修改后將“容器相關設置”項目中“智能處理反應”選項設置為不選中狀態(tài)。最后點擊運行按鈕,將出現(xiàn)預期的“實驗現(xiàn)象”。

對于復雜的定量反應,模擬實驗能表現(xiàn)出更好的學習效果。通過適當設置有關選項參數(shù),能夠進行自動計算,還可以描繪反應曲線圖形。

二、運用計算機處理化學實驗數(shù)據(jù)

在化學實驗過程中,經(jīng)常要對大量的實驗數(shù)據(jù)進行記錄、整理、分析和計算,并輔以圖表作直觀展示,解釋實驗現(xiàn)象并做出實驗結(jié)論,最后求得準確的實驗結(jié)果。傳統(tǒng)的處理實驗數(shù)據(jù)的方法是手工記錄整理數(shù)據(jù)、分析計算,以及在方格紙上描點作圖。此種方法工作量大,效率低,容易出現(xiàn)誤差。運用計算機技術處理化學實驗數(shù)據(jù)具有簡便、快速、計算準確、圖表精確,以及便于存檔和交互應用等一系列優(yōu)越性。因此,越來越多的化學教師、科研和技術人員對此大力開發(fā)應用。目前,便于普及且應用較廣泛的相關軟件有 Excel、Origin、VisualBasic以及 C語言程序等。

(一)運用 Excel處理化學實驗數(shù)據(jù)實例

Excel是常用辦公軟件MicrosoftOffice中的組件之一,具有強大的數(shù)據(jù)分析和計算功能,可以用圖形直觀形象地描繪實驗數(shù)據(jù)。在處理化學實驗數(shù)據(jù)時,常用的功能有:①制作表格;②函數(shù)計算;③圖形表示。

1.碘化鉛溶度積常數(shù)測定的實驗原理

用分光光度計測定 b,溶度積常數(shù) Ksp=(c-a-b2).b2

2.實驗過程

繪制 I-濃度的標準曲線:在 5支具塞比色管中分別加入 KI溶液 (0.0035 mol.L-1)、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0ml、KNO2溶液 (0.020mol.L-1)2ml、蒸餾水及 HCl 1滴 (6.0 mol.L-1)。搖勻后,分別倒入比色皿中。以水做參比溶液,測定 520 nm波長的吸光度。以測得的吸光度值 A為縱坐標,以相應 I-濃度為橫坐標,繪制出 I-濃度的標準曲線圖。

制備 PbI2飽和溶液:在 3支具塞比色管中,分別加入 5ml0.015 mol.L-1Pb(NO3)2溶液,再分別加入 3、4、5ml 0.035 mol-1KI溶液,加蒸餾水至每個試管中溶液體積為 10.00 ml;搖勻、靜止 30mni使其充分反應,然后過濾,將濾液分別保留于 3只燒杯中;取 3支小試管,分別移取以上制得的 PbI2飽和溶液,每支試管加入 4ml0.010mol.L-1KNO2溶液及 1滴 6.0 mol.L-1HCl溶液。搖勻后,分別裝入比色皿,測定 520 nm波長的吸光度 (A′)。

2.1.3 實驗數(shù)據(jù)記錄與處理

表一 I-濃度的標準溶液吸光度 (A)的測定記錄與 Excel作圖表

表二 PbI2飽和溶液吸光度 (A′)的數(shù)據(jù)記錄與 Excel根據(jù) c(I-)標準曲線計算出的 PbI2飽和溶液中 I-的濃度

表三 ksp(PbI2)測定實驗數(shù)據(jù)處理

6.5794×10-5 6.4593×10-5 5.9916×10-5 Pb2+的初始濃度 /(mol.L-1):c 7.5×10-3 7.5×10-3 7.5×10-3 Pb2+的平衡濃度 /(mol.L-1):c-(a-b)/2 6.3057×10-3 4.5185×10-3 2.6203×10-3 ksp(PbI2):[c-(a-b)/2]×b2 41.4877×10-8 29.1863×10-8 15.6998×10-8 ksp(PbI2)的平均值 28.7913 ×10-8標準偏差 -S 1.29 c(I-)2:b2

(二)運用 VisualBasic處理化學實驗數(shù)據(jù)實例

實驗內(nèi)容:用 EDTA標準溶液 (0.01 mol.L-1)測定樣品溶液中 Ca2+含量。進行測定實驗操作 (平行 3次),記錄實驗數(shù)據(jù) (實驗過程略)。

運用程序設計軟件 VisualBasic設計一個“配位滴定計算程序”(設計過程略)。

啟動配位滴定計算程序,彈出的對話窗口 (圖 5),在相關選項中進行選擇以及輸入數(shù)值:

(1)待測離子種類:選擇 Ca2+;(2)待測溶液體積:輸入 25 mL;(3)溶液的 pH值:輸入 12.5;(4)標類:選擇 EDTA;(5)標定液濃度:輸入 0.01 mol.L-1;(6)滴定終點標定液的體積:50 mL;(7)有無金屬離 (Y/N):輸入 N.單擊“確定”進行計算.得計算結(jié)果為待測溶液濃度為 0.005 mol.L-1;單擊“顯示過程”,即可輸出“EDTA滴定 Ca2+結(jié)果”;在“輸出結(jié)果”窗體上選擇“顯示滴定曲線”,就會顯示滴定曲線 (圖 6)。根據(jù)比較,運行計算結(jié)果與按測定計算值相符,同時體現(xiàn)了便捷和準確的優(yōu)越性。

三、結(jié)束語

用于化學實驗數(shù)據(jù)處理的軟件,還有一些功能更強的但過于專業(yè)的工具,不一定適合一般的教學應用。而類似以上這些軟件,還有更多的功能、更巧妙的應用方法有待開發(fā)設計,只要能夠充分運用,完全可以滿足化學實驗教學的數(shù)據(jù)處理,并可以發(fā)揮更廣闊的用途。例如用“Excel”中制作的實驗數(shù)據(jù)處理程序表格,既可給學生用來書寫實驗報告,也可為教師用來驗證學生的實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果和分析實驗問題,以及制作實驗試題答題和評價系統(tǒng),大大減少師生的工作量,提高教學效率。

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[3]劉秀偉.淺談 EXCEL在化學實驗數(shù)據(jù)處理中的應用[J].青島教育學院學報,2000,(2).

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G642.423

A

1672-9021(2010)S-0115-04

李巨超 (1954-),男,廣西平樂人,河池學院化生系高級實驗師,主要研究方向:無機及分析化學實驗,現(xiàn)代教育技術。

2010-06-20

[責任編輯 賀衛(wèi)國 ]