基于化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室的操作設(shè)計(jì)與應(yīng)用的案例

吳柯軍

【摘 要】化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室是集方便、快捷、可視、直觀、環(huán)保與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等特點(diǎn)于一身的實(shí)驗(yàn)軟件。它既是化學(xué)課堂的教學(xué)平臺，也是教師制作課件的平臺，又是教師與學(xué)生交互式學(xué)習(xí)，促進(jìn)教學(xué)相長的平臺，它的出現(xiàn)為教學(xué)注入了新的活力。平臺能充分利用自身特點(diǎn)提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)的成功率，使學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)由感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識，改變學(xué)生只對化學(xué)表面現(xiàn)象的淺性認(rèn)識，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)思維的進(jìn)一步提升。下面筆者介紹在教學(xué)實(shí)踐中設(shè)計(jì)并應(yīng)用于課堂教學(xué)的實(shí)驗(yàn)案例一則。

【關(guān)鍵詞】教學(xué)實(shí)踐;滴定操作;仿真實(shí)驗(yàn)

一、教材分析

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活中，對溶液酸堿度控制十分重要。因此，有必要使學(xué)生掌握測定酸堿度的技術(shù)，而酸堿中和滴定恰好是最基本的測定方法。

在教材中，重點(diǎn)討論了酸堿中和滴定原理中的三個內(nèi)容：（1）滴定實(shí)質(zhì)（2）滴定計(jì)算依據(jù)及方法（3）滴定終點(diǎn)判斷方法。接著教材以HCl標(biāo)準(zhǔn)液滴定NaOH未知液為例，詳細(xì)介紹了滴定過程所用儀器、操作步驟、注意點(diǎn)。根據(jù)滴定中PH值、HCl溶液體積記錄畫出“PH值—V（酸）”的曲線圖，進(jìn)而詳細(xì)討論曲線變化規(guī)律，突變范圍出現(xiàn)原因。教材結(jié)束雖然沒有提出誤差分析，但該知識點(diǎn)在高考中有一定參考價(jià)值，故老師加入該部分教學(xué)內(nèi)容。

本節(jié)課就是利用仿真實(shí)驗(yàn)室讓學(xué)生模擬滴定過程，數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)、處理、繪制曲線并誤差分析。不僅提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，而且增強(qiáng)了學(xué)生統(tǒng)計(jì)分析能力和自主獲取知識能力，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)態(tài)度和科學(xué)素養(yǎng)。

二、教學(xué)目標(biāo)

1.知識與技能：（1）掌握酸堿中和滴定的原理及操作步驟，學(xué)習(xí)各種儀器的使用方法。

（2）理解滴定過程中PH值隨標(biāo)準(zhǔn)液加入變化的曲線關(guān)系，會初步選用合適的指示劑。

2.過程與方法：用仿真實(shí)驗(yàn)法、網(wǎng)絡(luò)搜索法來培養(yǎng)同學(xué)們用“用已知測未知”的實(shí)驗(yàn)思想。

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀：運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)、多媒體情景調(diào)動學(xué)習(xí)情緒和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)同學(xué)們環(huán)保意識和自主獲取知識的能力。

三、教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

1.滴定操作中原理、操作步驟及各儀器的使用方法。

2.滴定過程中PH值隨標(biāo)準(zhǔn)液加入變化的曲線關(guān)系。

四、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：【幻燈】引起水質(zhì)污染的四張圖片（工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、酸雨）

【師】 有這樣一句順口溜反映了近幾十年來我國河流的水污染日趨嚴(yán)重?！捌呤甏悦紫床?八十年代，澆花灌溉;九十年代，魚蝦絕代?！碧岣攮h(huán)保意識，防止環(huán)境污染是每一個公民的責(zé)任。

【過渡】當(dāng)然，隨著生活水平提高，人類越來越認(rèn)識到水質(zhì)對人類生存的重要性，國家也出臺了水質(zhì)檢查常見項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)。

【幻燈】科學(xué)全面地評價(jià)水質(zhì)的優(yōu)劣需要檢測許多項(xiàng)目：水溫、酸堿度（PH值）、固體懸浮物等。

【師】水溫很容易檢測，那溶液的酸堿濃度如何檢測呢？這節(jié)課我們就來解決這方面的問題。

設(shè)計(jì)意圖：“讓學(xué)生在生動具體的情景中學(xué)習(xí)”是化學(xué)新課程倡導(dǎo)的理念之一。本環(huán)節(jié)正是從現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的水質(zhì)污染來源與國家水質(zhì)檢測標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)創(chuàng)造有效的學(xué)習(xí)情景，不僅使枯燥無味的滴定實(shí)驗(yàn)變的生動具體、饒有興趣，而且使學(xué)生主動學(xué)習(xí)課堂知識，掌握課堂技能。不僅使教學(xué)內(nèi)容充滿豐富的情感，而且增強(qiáng)了學(xué)生的環(huán)保意識。

環(huán)節(jié)二：【師】問題1：中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是什么？當(dāng)酸堿剛好完全反應(yīng)時(shí)，H+與OH-物質(zhì)的量的關(guān)系是什么？

問題2： 有C1mol/L的NaOH溶液V1L，需加入C2mol/L的HCl溶液V2L才能完全中和，則有：C1= ?C2=

【生】回答問題，得出酸堿中和滴定啟示。

【過渡】我這有一瓶未知濃度的NaOH溶液，我們就來滴定它濃度是多少？

【幻燈】實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)儀器、信息提示（指示劑變色范圍）

【師】介紹酸堿滴定管

【生】網(wǎng)絡(luò)搜索 酸堿中和滴定視頻觀看。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)以網(wǎng)絡(luò)資源為平臺進(jìn)行教學(xué)。鑒于仿真實(shí)驗(yàn)平臺有一定的局限性（見下文教學(xué)反思），故讓學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)搜索滴定視頻，學(xué)習(xí)滴定操作過程，以完善課堂教學(xué)內(nèi)容。當(dāng)然這一過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生勇于探索，積極進(jìn)取的精神，而且使學(xué)生的學(xué)習(xí)從課堂內(nèi)延伸到課堂外，也為學(xué)生的終生學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)三：【師】開啟酸堿中和滴定仿真實(shí)驗(yàn)界面，講解相應(yīng)儀器屬性內(nèi)容。

【生】進(jìn)行滴定操作過程及數(shù)據(jù)處理過程。

[注：v（加HCl酸）、v（加NaOH堿）、v（溶液）、PH值都為可變數(shù)據(jù)]

【師】PH值—加HCl酸體積的曲線變化規(guī)律是什么？

【生】畫出PH值—加HCl酸體積的曲線變化。

【師】改用甲基橙作為指示劑，其變化曲線與C（NaOH）又是怎樣的？

【生】 錐形瓶屬性中改用甲基橙指示劑進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作。

【幻燈】 ?問題4： 酸堿中和滴定PH值變化曲線規(guī)律是什么？

問題5：已知未知液C（NaOH）為0.008mol/L，酸堿中和滴定選用甲基橙或酚酞作指示劑，但它們在滴定終點(diǎn)的變色點(diǎn)并不是PH=7，這樣對中和滴定終點(diǎn)的判斷有沒有影響？如何選用合適的指示劑？（用數(shù)據(jù)說明）

【生】回答，老師點(diǎn)評總結(jié)

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生利用仿真實(shí)驗(yàn)平臺虛擬學(xué)習(xí)滴定過程，直觀顯示V（酸）、V（堿）、PH值的變化，繪制并分析了PH—V（酸）的曲線變化過程，學(xué)會選用合適的指示劑。此環(huán)節(jié)不但顯示仿真實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)越性，而且充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

環(huán)節(jié)四【生】反思總結(jié)操作過程、計(jì)算過程中疑惑點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)搜索質(zhì)疑點(diǎn)。

【幻燈】提供搜索參考內(nèi)容。

搜索：關(guān)鍵詞 ? [酸堿中和滴定 錯誤操作 酸堿濃度 測定辦法]

設(shè)計(jì)意圖：利用網(wǎng)絡(luò)知識完善滴定操作知識，如誤差分析，酸堿測定其它辦法等等。整個過程不僅激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的積極性，而且培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，解決問題的能力，更讓學(xué)生保持獨(dú)立的探索精神，使整個課堂顯的有血有肉，充滿豐富的情感。

五、教學(xué)反思

1.化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)

（1）貫徹了綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)思想

綠色化學(xué)實(shí)驗(yàn)思想指在化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作過程中應(yīng)盡可能符合“綠色化學(xué)”的思想。它要求在設(shè)計(jì)上優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，操作上嚴(yán)格控制藥品用量，循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)試劑與產(chǎn)物，從根本上消除污染，防止污染對環(huán)境的破環(huán)。

仿真實(shí)驗(yàn)室正是綠色化學(xué)理念在化學(xué)教學(xué)中的具體體現(xiàn)。例如酚酞指示劑用量嚴(yán)格控制到0.001mol，盡可能減少試劑用量，節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，達(dá)到試劑微量化要求。未知液、標(biāo)準(zhǔn)液能精確控制在25ml以下，既節(jié)約了試劑，又達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，凈化了?shí)驗(yàn)環(huán)境，達(dá)到了試劑定量化要求。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)過程中，往往因?yàn)椴僮麇e誤，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)完全失敗，結(jié)果需要重新配置標(biāo)準(zhǔn)液，重新滴定，而在仿真實(shí)驗(yàn)中只要點(diǎn)擊重新開始鍵，這就是對試劑產(chǎn)物的循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)了綠色化學(xué)思想中的3R原則（減量化、再利用、再循環(huán)）。

（2）縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，增加實(shí)驗(yàn)成功率。

仿真實(shí)驗(yàn)室能省去真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中許多簡單的勞動。例如：溶液的配置，實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)備，實(shí)驗(yàn)裝置的搭建。如果對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)為教學(xué)軟件，可以在不同時(shí)間、不同場合中對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次模擬訓(xùn)練。

對于那些課堂上無法演示的實(shí)驗(yàn)，同樣可以借助于仿真實(shí)驗(yàn)室達(dá)到良好的教學(xué)效果。例如：次氯酸見光分解實(shí)驗(yàn)，在真實(shí)環(huán)境中分解速度慢，很難觀察到氣泡產(chǎn)生和氯水顏色變化，而在虛擬環(huán)境中可以調(diào)節(jié)分解速度，顏色變化，這樣既可以讓學(xué)生節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，集中精力研究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象本身的特性與規(guī)律，又可提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和課堂的教學(xué)效果。

（3）有利于避免真實(shí)操作過程中帶來各種危險(xiǎn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要手段，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室更是師生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要場所。故師生在研究學(xué)習(xí)化學(xué)過程中不可避免地接觸一些有毒的化學(xué)藥品，有危險(xiǎn)的實(shí)驗(yàn)操作。例如：氯氣的制取，濃硫酸的稀釋。這些實(shí)驗(yàn)對師生身體健康的影響不可忽視。研究調(diào)查表明：大多數(shù)老師不愿做化學(xué)實(shí)驗(yàn)的原因也在于此。而仿真實(shí)驗(yàn)室可以為學(xué)生提供虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生感到錯誤操作帶來的危害性，這樣也能給學(xué)生留下深刻的印象，引起對安全規(guī)范操作的重視，減少有毒藥品的泄漏，降低化學(xué)事故的發(fā)生概率。

（4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)更簡單、直接，更具說服力

化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室能夠用相應(yīng)的編程軟件來代替人眼讀取數(shù)據(jù)，手工記錄數(shù)據(jù)，人腦統(tǒng)計(jì)、分析、處理數(shù)據(jù)，更使學(xué)生擺脫了繁瑣的計(jì)算過程。例如：在CEM文件中編輯了PH=-log10（1000*n1/v3），結(jié)果在實(shí)驗(yàn)平臺中直接顯示了PH值變化，也直接顯示了“PH值—V（酸）”的數(shù)據(jù)變化。讓學(xué)生在每一時(shí)刻的瞬間都能看到實(shí)驗(yàn)變化情況，而后利用所學(xué)知識系統(tǒng)全面分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，更好地理解概念，掌握規(guī)律。

實(shí)踐也證明：大部分學(xué)生能夠充分相信，完全接受實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。例如：滴定過程中突變范圍的出現(xiàn)。使用仿真實(shí)驗(yàn)平臺不僅開闊了學(xué)生眼界，改變實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理方案、手段，而且簡化了數(shù)據(jù)處理過程，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服了，教學(xué)效果更顯著。

2.在操作設(shè)計(jì)與應(yīng)用中幾個需要探討改進(jìn)的地方

在操作設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，可能是自己的制作技術(shù)不到位，也有可能是仿真實(shí)驗(yàn)室自身有一定缺陷，感覺有幾個地方不夠完善，顯的尤為遺憾。

（1）在中和滴定操作過程中，要求眼睛注視錐形瓶，右手滴加標(biāo)準(zhǔn)液左手旋搖錐形瓶，但實(shí)驗(yàn)平臺中沒有手搖動作設(shè)置。

（2）以鹽酸滴定氫氧化鈉，酚酞作指示劑為例，滴定到終點(diǎn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為恰好出現(xiàn)無色且半分鐘內(nèi)不恢復(fù)到粉紅色。實(shí)驗(yàn)操作平臺這一過程與現(xiàn)實(shí)滴定相互比較略有欠缺，平臺中不能顯示終點(diǎn)前滴加一滴標(biāo)準(zhǔn)液時(shí)，由粉紅色變?yōu)闊o色，震蕩又變?yōu)榉奂t色，再滴加一滴，溶液再由粉紅色變?yōu)闊o色，半分鐘后不再恢復(fù)為粉紅色這一關(guān)鍵現(xiàn)象變化。

（3）酸堿滴定管本身就是精確的溶液量取儀器，在數(shù)據(jù)處理過程中，滴定管要求精確讀數(shù)到0.01ml，可在確定讀數(shù)時(shí)只能到小數(shù)點(diǎn)后一位。例如：滴加標(biāo)準(zhǔn)液18.25ml，但讀數(shù)只能顯示18.3ml，顯然會增大最終誤差，這是任何一位化學(xué)工作者所不愿發(fā)生的。雖然誤差不可避免，但應(yīng)當(dāng)要求在可能的情況下把誤差減為最小。

（4）學(xué)生在仿真實(shí)驗(yàn)平臺操作過程中，難免會心浮氣躁，在標(biāo)準(zhǔn)液滴加到終點(diǎn)時(shí)一下子滴加過量，沒有觀察到顏色與PH值的變化過程，如果在平臺中有“退一步”操作鍵，那必將成為實(shí)驗(yàn)一大亮點(diǎn)，使教學(xué)更完美，效果更顯著！

化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室作為一種新的教學(xué)工具，具有再現(xiàn)功能和模擬真實(shí)情景功能。正是由于其虛擬性，才使其具備了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中所沒有的特殊優(yōu)勢。它可以把因儀器短缺，藥品有毒，操作危險(xiǎn)等因素而受限制的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬再現(xiàn)，也可以節(jié)約時(shí)間、空間、資金，改善實(shí)驗(yàn)條件，改進(jìn)教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生思想，開闊學(xué)生眼界，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。雖然仿真實(shí)驗(yàn)室還不能完全取代實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但事實(shí)證明：只要運(yùn)用恰當(dāng)方法將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合起來，必定成為提高化學(xué)教學(xué)質(zhì)量的新方案。

課題論文：2014年4月 江蘇省實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究第二期課題

課題名稱《虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)整合的策略研究》

（作者單位：常州市武進(jìn)區(qū)禮嘉中學(xué)）