化學(xué)軟件Crocodile Chemistry在“離子反應(yīng)”教學(xué)中的應(yīng)用

藍(lán)仁敏

[摘要]“離子反應(yīng)”是高中化學(xué)必修課程中的重難點(diǎn)之一，其內(nèi)容抽象，課堂演示實(shí)驗(yàn)又無法展示溶液中離子的行為，學(xué)生對離子反應(yīng)的微觀原理缺少直觀印象，為此借助化學(xué)軟件CrocodileChemistry，模擬多種類型的離子反應(yīng)，幫助學(xué)生直觀地觀察離子反應(yīng)過程中的宏觀和微觀變化過程，從而提高高中化學(xué)課堂教學(xué)效率。

[關(guān)鍵詞]化學(xué)軟件，Crocodile Chemistry，離子反應(yīng)

[中圖分類號]G633.8[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1674-6058（2020）11-0051-03

2017年版高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步要求學(xué)生能通過以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動學(xué)習(xí)化學(xué)，讓學(xué)生通過參與科學(xué)探究過程自主獲取化學(xué)知識，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”核心素養(yǎng)。但由于當(dāng)下中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到實(shí)驗(yàn)條件、課時、師資配備等諸多因素的限制，學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會較少，更多的是靠教師在課堂上的演示實(shí)驗(yàn)來獲取直觀的感性認(rèn)識。而在教師進(jìn)行課堂演示的過程中，學(xué)生更關(guān)注宏觀的反應(yīng)現(xiàn)象，對反應(yīng)的微觀原理則缺少直觀印象。鑒于此，本文以“離子反應(yīng)”的教學(xué)為例，借助Crocodile Chemistry軟件，著重探討一種既簡潔、高效、可操作性強(qiáng)、方便教師駕馭，同時又能在課堂上讓學(xué)生從宏觀和微觀兩個角度同時觀察反應(yīng)的現(xiàn)象與原理的教學(xué)方法，以培養(yǎng)學(xué)生“宏微結(jié)合”的科學(xué)素養(yǎng)和思維品質(zhì)。

一、“離子反應(yīng)”的教學(xué)難點(diǎn)及教材實(shí)驗(yàn)的不足

“離子反應(yīng)”選自人教版化學(xué)必修1第二章第二節(jié)，它不僅是高中化學(xué)重要的基礎(chǔ)知識，而且由于其涉及微觀粒子在水溶液中的行為，也是整個高中化學(xué)的教學(xué)重難點(diǎn)之一。學(xué)生初中時雖已做過溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，但他們的認(rèn)識僅停留在宏觀層面。在此基礎(chǔ)上，教師可用問題組驅(qū)動學(xué)生思考：從微觀的角度分析，究竟發(fā)生了怎樣的反應(yīng)才會導(dǎo)致溶液導(dǎo)電性的變化？為什么中和反應(yīng)無明顯現(xiàn)象，卻可以判斷其發(fā)生？什么是離子反應(yīng)？離子反應(yīng)的本質(zhì)是什么？這些抽象問題的解答必須借助實(shí)驗(yàn)的手段。把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生的討論密切結(jié)合起來，才是認(rèn)識電解質(zhì)的電離和離子反應(yīng)本質(zhì)的最佳途徑。

但教材中只呈現(xiàn)了幾個簡單的試管實(shí)驗(yàn)（如圖1），對現(xiàn)象稍作分析后，便直接得出離子方程式的概念和書寫步驟，再通過四組酸堿反應(yīng)離子方程式的書寫，得出離子反應(yīng)的本質(zhì)。

這樣傳統(tǒng)的課堂演示實(shí)驗(yàn)中存在以下不足之處：（1）學(xué)生無法從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中直接觀察到反應(yīng)的微觀進(jìn)程，進(jìn)而無法深刻理解“離子反應(yīng)的微觀實(shí)質(zhì)是離子濃度的減小”;（2）這些試管實(shí)驗(yàn)在初中學(xué)習(xí)復(fù)分解反應(yīng)時早已做過，若不能深入微觀層面觀察無異于“炒舊飯”，很難引起學(xué)生的興趣和重視。

二、基于“微粒觀”的離子反應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)文獻(xiàn)分析

當(dāng)下“離子反應(yīng)”的教學(xué)研究熱點(diǎn)集中在學(xué)生“微粒觀”的建構(gòu)上，這與化學(xué)核心素養(yǎng)中“宏觀辨識與微觀探析”維度相吻合。

付慧敏在《讓學(xué)生“看到”離子在反應(yīng)——關(guān)于離子反應(yīng)教學(xué)的改進(jìn)》中，通過改進(jìn)溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，利用滴定管控制試劑滴加速率，并借助磁力攪拌器使離子充分接觸，通過燈泡明顯的亮暗漸變，讓學(xué)生“看到”離子反應(yīng)的進(jìn)行。何彩霞在《恰當(dāng)運(yùn)用對比實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生理解化學(xué)概念——以“離子反應(yīng)”教學(xué)為例》中，分別往兩杯Ba（OH）₂溶液中逐滴加入Na₂SO₄溶液和H₂SO₄溶液，通過燒杯中的現(xiàn)象相同而串聯(lián)的電流表指針變化不同說明兩杯溶液中離子的“行為”有所差異。

采用直觀化的教學(xué)手段也是培養(yǎng)“微粒觀”的有效教學(xué)策略之一。林曉純等在《將概念教學(xué)轉(zhuǎn)化為以多媒體為主的教學(xué)——《離子反應(yīng)》第二課時教學(xué)設(shè)計(jì)》中，利用多媒體播放實(shí)驗(yàn)視頻和Flash動畫來模擬微觀離子的運(yùn)動與結(jié)合過程，化靜為動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。但制作Flash動畫耗時較長，要求教師具備較高的信息技術(shù)水平，這無形中增加了教師的備課量。而網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)成的Flash教學(xué)動畫良莠不齊，有些還可能存在科學(xué)性錯誤，使用時要注意甄別。

隨著新課程改革和信息化浪潮的齊頭并進(jìn)，化學(xué)學(xué)科教學(xué)與信息技術(shù)深度融合的研究在全國范圍內(nèi)迅速展開。在我國教育發(fā)達(dá)地區(qū)，手持技術(shù)融合化學(xué)教學(xué)的應(yīng)用研究已初具規(guī)模。與教學(xué)課件和Flash動畫等這類常見的技術(shù)手段相比，手持技術(shù)能夠深入化學(xué)微觀世界，更加直觀、全面和定量地輔助教學(xué)。目前在中國知網(wǎng)上檢索到的將手持技術(shù)融合離子反應(yīng)教學(xué)的文獻(xiàn)就有50余篇。例如，蘭寧靜在《運(yùn)用信息技術(shù)設(shè)計(jì)“離子反應(yīng)”教學(xué)》中利用電導(dǎo)率傳感器將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)處理結(jié)果同步化，較好地探究了宏觀與微觀的關(guān)系。孫京在《電導(dǎo)傳感器應(yīng)用于離子反應(yīng)教學(xué)的案例研究》中，利用電導(dǎo)傳感器生動形象地將離子反應(yīng)過程中離子濃度的變化顯示在屏幕上，既幫助學(xué)生理解離子反應(yīng)的本質(zhì)，又提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教學(xué)效果很好。馬雪燕在《手持技術(shù)應(yīng)用于{離子反應(yīng)}教學(xué)的課堂實(shí)錄》中，將手持技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)，使學(xué)生能夠深刻認(rèn)識離子反應(yīng)的本質(zhì)，同時也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神和探究能力。胡愛彬在《基于DIS實(shí)驗(yàn)探究離子反應(yīng)的生長課堂》中，利用DIS實(shí)驗(yàn)從離子反應(yīng)的發(fā)生機(jī)理、進(jìn)行方向、本質(zhì)等角度幫助學(xué)生建構(gòu)離子反應(yīng)的概念，但在引人手持技術(shù)的實(shí)驗(yàn)中也遇到了一些問題導(dǎo)致教學(xué)效果打了折扣。例如，學(xué)生在做DIS實(shí)驗(yàn)時得不到較好甚至是相反的曲線，主要原因是溶液濃度過高，滴加試劑速度過快，傳感器來不及全面感應(yīng)而只檢測到局部溶液的電導(dǎo)率變化，因此顯示的電導(dǎo)率一直增大。傳感器探頭的保養(yǎng)和使用大多需要特殊條件，若不注意，會使得數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性不好，采集的信號峰會出現(xiàn)噪點(diǎn)（得不到平滑的曲線），對教學(xué)產(chǎn)生不必要的干擾。由于手持技術(shù)需要配套多種先進(jìn)儀器，一般學(xué)校難以配備，因而在大范圍地推廣運(yùn)用方面也存在一定的困難。

為此，筆者將Crocodile Chemistry模擬實(shí)驗(yàn)軟件引入“離子反應(yīng)”的課堂教學(xué)中。Crocodile Chemistry是一款功能強(qiáng)大的模擬實(shí)驗(yàn)軟件，不僅能夠展示肉眼“看不見”的微觀世界，而且能逼真地模擬一些較危險、毒性大、耗時長等不便于課堂演示的實(shí)驗(yàn)，充分體現(xiàn)了信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)的深度融合，具有一定的推廣價值。

三、“離子反應(yīng)”課堂教學(xué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究

1.選用Crocodile Chemistry模擬電解質(zhì)在水溶液中的微觀電離過程

學(xué)生在初中已做過溶液的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，可通過燈泡的亮暗來判斷溶液中是否存在自由移動的離子。但高中生的思維水平不能僅停留在“宏觀”和“定性”層面，還應(yīng)轉(zhuǎn)向更深層次的“微觀”和“定量”層面。因此，可以借助Crocodile Chemistry模擬實(shí)驗(yàn)來分別測定NaCl固體的電導(dǎo)率和將NaCl固體溶于水時電導(dǎo)率的變化，同時展示溶液中的離子行為（如圖2），讓學(xué)生從“微觀”和“定量”的角度對溶液中離子的行為有更為直觀的認(rèn)識。

2.選用Crocodile Chemistry模擬硫酸銅溶液滴入氫氧化鈉溶液中的電導(dǎo)半變化過程

硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液的反應(yīng)有明顯的藍(lán)色沉淀產(chǎn)生，學(xué)生雖能看到明顯現(xiàn)象，但并不清楚現(xiàn)象背后的反應(yīng)實(shí)質(zhì)。而運(yùn)用Crocodile Chemistry軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和實(shí)時數(shù)據(jù)處理（如圖3），可以學(xué)生讓看到未滴入硫酸銅溶液前氫氧化鈉溶液的電導(dǎo)率是個較高的值，而滴入硫酸銅溶液后，部分離子結(jié)合成沉淀從溶液中脫離出來，使得離子濃度在不斷減小，電導(dǎo)率在降低，依據(jù)曲線上的突變（拐點(diǎn)）來判斷反應(yīng)終點(diǎn)。而最終電導(dǎo)率降為零，說明溶液中已沒有自由移動的離子。該圖像為學(xué)生用肉眼觀測反應(yīng)過程中的細(xì)微變化提供了技術(shù)支持，從而促進(jìn)學(xué)生更深刻地理解反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

3.選用Crocodile Chemistry模擬稀琉酸滴入氫氧化鈉溶液中的電導(dǎo)率變化過程

教材呈現(xiàn)的酸堿中和反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，是通過指示劑顏色突變來判斷反應(yīng)終點(diǎn)的，現(xiàn)象雖明顯，但并不能直觀說明微觀粒子的行為。而運(yùn)用Crocodile Chemistry軟件進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)并對電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理（如圖4）時可明顯地看到電導(dǎo)率在不斷變化，反映著溶液中離子濃度在不斷變化。由曲線上的拐點(diǎn)（突變）便可判斷反應(yīng)終點(diǎn)，此時電導(dǎo)率并沒有降為零，意味著減少的是結(jié)合成水的U，和OH^-，而Na⁺和SO₄^2-仍在溶液中，從而讓學(xué)生直觀地理解中和反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

4.選用Crocodile Chemistry模擬醋酸鈉溶液滴入鹽酸中的電導(dǎo)率變化過程

大部分學(xué)生能夠從生成沉淀、氣體和水等三個宏觀角度來判斷離子反應(yīng)的發(fā)生，但醋酸鈉和鹽酸的反應(yīng)并沒有上述現(xiàn)象，這個化學(xué)反應(yīng)到底能否發(fā)生，大部分學(xué)生對此感到十分疑惑。

通過Crocodile Chemistry軟件進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)處理，顯示在滴入醋酸鈉溶液后，鹽酸的電導(dǎo)率顯著下降（如圖5），說明發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)使離子濃度下降。實(shí)際上，是由于Ac^-和H⁺結(jié)合生成了難電離的弱電解質(zhì)醋酸，使溶液中離子的濃度明顯減少，該過程揭示了離子反應(yīng)的本質(zhì)是使反應(yīng)朝著離子濃度減少的方向進(jìn)行。簡單的模擬實(shí)驗(yàn)卻發(fā)展了學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)。

四、反思總結(jié)

“離子反應(yīng)”是高中化學(xué)的新知識，也是整個高中階段化學(xué)學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ)。Crocodile Chemistry模擬實(shí)驗(yàn)軟件的介入能讓學(xué)生從宏觀和微觀層面體驗(yàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的真實(shí)情境，并借助數(shù)形結(jié)合，轉(zhuǎn)定性為定量，化抽象為直觀，在輔助學(xué)生高效學(xué)習(xí)知識的同時，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的思維品質(zhì)。