淺析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)在化學(xué)反應(yīng)原理模塊教學(xué)中的融合應(yīng)用

摘?要：在高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器成本低、操作簡(jiǎn)便、現(xiàn)象明顯，主要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作定性分析，培養(yǎng)學(xué)生儀器的規(guī)范操作能力和現(xiàn)象觀察能力，而數(shù)字實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬褟?fù)雜實(shí)驗(yàn)或數(shù)據(jù)變得簡(jiǎn)單明了、直觀化和定量化，側(cè)重于科學(xué)探究能力和思維辨析能力的培養(yǎng)。在化學(xué)反應(yīng)原理模塊的教學(xué)中，如何把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)有機(jī)的融合運(yùn)用，從而提高教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，顯得尤為重要。本文以醋酸的電離平衡為例，淺析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)在化學(xué)反應(yīng)原理模塊教學(xué)中的融合應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);數(shù)字實(shí)驗(yàn);融合應(yīng)用;醋酸電離平衡

人教版選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，而且新高考改革以后在高考中所占的比重也在增大。但本模塊內(nèi)容理論性很強(qiáng)，且抽象難懂，學(xué)生理解起來(lái)很困難，學(xué)起來(lái)很費(fèi)力。這對(duì)教師的教學(xué)策略和教學(xué)方法提出了更高的要求。新課改實(shí)行以來(lái)，盡管教師的教學(xué)方法由以前的滿堂灌的教學(xué)向?qū)W生為主體、教師引導(dǎo)、小組合作探究，質(zhì)疑、答疑等師生合作交流的教學(xué)探究式教學(xué)模式轉(zhuǎn)變，但化學(xué)反應(yīng)原理主要以微觀理論為主，造成學(xué)習(xí)的抽象性，學(xué)生很難理解和掌握，雖然教師也盡可能采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示幫助學(xué)生理解，但很多原理無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很直觀地解釋，所以教師迫不得已采取直接講授的教學(xué)模式，這會(huì)造成學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足，知識(shí)掌握程度下降，課堂效率低下，不利于學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。化學(xué)平衡知識(shí)點(diǎn)在該模塊中起到承上啟下的作用，只要學(xué)生具備了扎實(shí)的化學(xué)平衡平衡思想，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)后面的化學(xué)平衡在溶液中的應(yīng)用——電離平衡、水解平衡、溶解平衡起到事半功倍的作用。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及新課改對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力和創(chuàng)新能力的要求，數(shù)字實(shí)驗(yàn)（DIS）在高中化學(xué)學(xué)科中的應(yīng)用也越來(lái)越被重視。數(shù)字實(shí)驗(yàn)主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)傳輸線、計(jì)算機(jī)組成。由傳感器將檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)采集器傳送至計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖形分析、處理，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)由于儀器相對(duì)價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，一直是普遍采用的方法，但有些原理或知識(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法很直觀地解釋，而數(shù)字實(shí)驗(yàn)恰好能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)這方面的不足，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果能以圖形的形式呈現(xiàn)出來(lái)。兩種實(shí)驗(yàn)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在教學(xué)中也要有靈活地將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)融合運(yùn)用。所以本文以醋酸的電離平衡為例，淺析傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)在高中化學(xué)教學(xué)中的融合應(yīng)用。

一、 醋酸電離平衡的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)思想

醋酸電離平衡是化學(xué)平衡思想在溶液中的應(yīng)用之一，傳統(tǒng)的講授法課堂很難讓學(xué)生理解醋酸的部分電離，以及醋酸中是否存在電離平衡狀態(tài)，電離平衡是否會(huì)隨著條件的改變而發(fā)生移動(dòng)，這些問(wèn)題學(xué)生都會(huì)質(zhì)疑。所以這節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)主要借助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的感性認(rèn)識(shí)和理性辨析穿插的探究式教學(xué)方式。本節(jié)課探究?jī)?nèi)容主要圍繞證明醋酸是弱電解質(zhì)和證明醋酸中存在電離平衡這兩大活動(dòng)進(jìn)行。

（一）探究一：證明醋酸是弱電解質(zhì)

以學(xué)生比較熟悉的鹽酸做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)試管實(shí)驗(yàn)，用同濃度同體積的鹽酸和醋酸溶液分別與等量的鎂條反應(yīng)，讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。學(xué)生通過(guò)觀察到的現(xiàn)象不同引出問(wèn)題：同濃度鹽酸和醋酸的電離程度到底不同到什么程度？然后采用數(shù)字實(shí)驗(yàn)中的pH傳感器測(cè)量?jī)扇芤旱膒H值，讓學(xué)生把pH數(shù)值通過(guò)pH=-lgc（H+）或c（H+）=10-pH轉(zhuǎn)換成氫離子濃度，從而證明醋酸是“部分電離”即弱電解質(zhì)。

在這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)中，兩種酸和鎂條的反應(yīng)采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、操作簡(jiǎn)單，而數(shù)字實(shí)驗(yàn)組裝和操作相對(duì)較復(fù)雜。在測(cè)兩溶液的pH時(shí)，因?yàn)橐M(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求很高，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，故采用數(shù)字實(shí)驗(yàn)。

（二）探究二：證明醋酸溶液中存在電離平衡

要證明醋酸的電離能逆向進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)方法有強(qiáng)酸制弱酸和類似化學(xué)平衡移動(dòng)的方法，這兩種方法要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的話，由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，所以采用數(shù)字實(shí)驗(yàn)的方法運(yùn)用化學(xué)平衡移動(dòng)思想設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

（1）探究溫度對(duì)醋酸電離平衡的影響：緩慢加熱0.1mol/LCH3COOH溶液，用pH傳感器采集溶液中pH數(shù)值的變化。

（2）探究改變離子濃度對(duì)醋酸電離平衡的影響：向0.1mol/LCH3COOH溶液中加入少量的醋酸銨粉末，用pH傳感器采集溶液中pH數(shù)值的變化。

（3）探究醋酸濃度對(duì)其電離平衡的影響：向冰醋酸中緩慢加蒸餾水，用電導(dǎo)率傳感器采集溶液中電導(dǎo)率數(shù)值的變化。

探究二通過(guò)數(shù)字實(shí)驗(yàn)的方法，既證明了醋酸溶液中存在電離平衡，還進(jìn)一步驗(yàn)證了化學(xué)平衡移動(dòng)思想在電離平衡移動(dòng)中的進(jìn)一步遷移應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的濃厚興趣，增強(qiáng)化學(xué)知識(shí)的遷移能力和科學(xué)探究能力，對(duì)以后的水解平衡和溶解平衡的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（一）證明醋酸是弱電解質(zhì)

1. 主要儀器和藥品：試管、數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，pH傳感器、0.1mol/LCH3COOH溶液、0.1mol/LHCl溶液、鎂條。

2. 實(shí)驗(yàn)步驟：取兩支試管，分別加入5mL0.1mol/LCH3COOH溶液和0.1mol/LHCl溶液，向兩支試管中加入大小一樣的鎂條。用pH傳感器分別測(cè) 0.1mol/LCH3COOH 溶液和0.1mol/LHCl溶液的pH。

3. 結(jié)果與分析

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：0.1mol/LHCl溶液與鎂條反應(yīng)劇烈，0.1mol/LCH3COOH溶液與鎂條反應(yīng)較劇烈。最后得出結(jié)論：同濃度的醋酸酸性比鹽酸弱。這個(gè)時(shí)候就產(chǎn)生了問(wèn)題：同濃度的鹽酸和醋酸的酸性為什么不同？到底同濃度下鹽酸和醋酸的酸性有多強(qiáng)？然后通過(guò)反應(yīng)的本質(zhì)是兩種酸電離出的氫離子和鎂條反應(yīng)去引導(dǎo)分析，學(xué)生很容易想到同濃度下鹽酸和醋酸中的氫離子不同造成了實(shí)驗(yàn)一的現(xiàn)象不同，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)二的操作，通過(guò)pH傳感器測(cè)定pH，然后讓學(xué)生把pH數(shù)值通過(guò)pH=-lgc（H+）或c（H+）=10-pH轉(zhuǎn)換成氫離子濃度，從而證明鹽酸是“全部電離”即強(qiáng)電解質(zhì)，而醋酸是“部分電離”即弱電解質(zhì)。

（二）證明醋酸溶液中存在電離平衡

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)證明，醋酸可以正向電離成醋酸根離子和氫離子。那如何證明醋酸根離子和氫離子可以結(jié)合成醋酸分子呢？在這里學(xué)生會(huì)想到通過(guò)前面已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的化學(xué)平衡移動(dòng)的原理去分析和驗(yàn)證，我們引導(dǎo)學(xué)生分析影響醋酸電離平衡的因素，學(xué)生從影響化學(xué)平衡的因素：溫度、濃度和壓強(qiáng)中篩選出溫度和濃度兩個(gè)因素，所以學(xué)生會(huì)提出兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案，即分別改變溫度和壓強(qiáng)來(lái)觀察醋酸的電離會(huì)不會(huì)逆向進(jìn)行，我們分別通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

1. 探究溫度對(duì)醋酸電離的影響

（1）主要儀器及藥品：0.1mol/LCH3COOH溶液、可加熱磁力攪拌器、數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、溫度傳感器、pH傳感器、50mL小燒杯。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：如圖1組裝實(shí)驗(yàn)儀器，在50mL小燒杯中加入30mL0.1mol/LCH3COOH溶液，在攪拌下打開磁力攪拌器加熱開關(guān)，緩慢加熱，通過(guò)pH傳感器采集溶液的pH數(shù)據(jù)，通過(guò)溫度傳感器采集溶液的溫度數(shù)據(jù)。

（3）結(jié)果分析：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，隨著醋酸溶液的溫度不斷升高，溶液的pH不斷減小。說(shuō)明加熱有促進(jìn)醋酸的電離，醋酸分子不斷電離成醋酸根離子和氫離子，溶液中氫離子濃度增大，溶液的pH不斷減小。

2. 探究改變離子濃度對(duì)醋酸電離的影響

（1）主要儀器及藥品：0.1mol/LCH3COOH溶液、醋酸銨粉末、磁力攪拌器、數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、pH傳感器、50mL小燒杯。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：如圖3組裝實(shí)驗(yàn)儀器，在50mL小燒杯中加入30mL0.1mol/LCH3COOH溶液，在磁力攪拌器攪拌下向燒杯中加入少量醋酸銨粉末，通過(guò)pH傳感器采集溶液的pH數(shù)據(jù)。

（3）結(jié)果分析：

結(jié)果如圖4所示，醋酸溶液中加入少量醋酸銨粉末，溶液的pH增大，說(shuō)明加入醋酸銨造成溶液中醋酸根離子的濃度增大，結(jié)合化學(xué)平衡移動(dòng)的分析，醋酸根離子和氫離子結(jié)合生成醋酸分子，從而造成溶液中的氫離子濃度減小，溶液的pH增大，證明醋酸的電離可以逆向進(jìn)行。

3. 探究稀釋冰醋酸對(duì)醋酸電離的影響

（1）主要儀器及藥品：冰醋酸、蒸餾水、磁力攪拌器、數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、電導(dǎo)率傳感器、100mL小燒杯。

（2）實(shí)驗(yàn)步驟：如圖5組裝實(shí)驗(yàn)儀器，在100mL小燒杯中加入20mL冰醋酸，在磁力攪拌器攪拌下向燒杯中不斷加入蒸餾水，通過(guò)電導(dǎo)率傳感器采集溶液的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

（3）結(jié)果分析：

結(jié)果如圖6所示，通過(guò)圖像發(fā)現(xiàn)冰醋酸中隨著加水量的增加，溶液的導(dǎo)電率先升高后降低，引導(dǎo)學(xué)生分析原因。初始時(shí)，冰醋酸電離電離程度很微弱，故此時(shí)離子濃度幾乎為零，導(dǎo)電率幾乎為零，加入少量水時(shí)，醋酸的電離程度不斷增大，溶液中離子濃度增大，但是加水又起到稀釋作用造成離子濃度減小，這時(shí)學(xué)生陷入了矛盾之中，引導(dǎo)學(xué)生從圖像的上升段分析，說(shuō)明這時(shí)電離效應(yīng)大于稀釋效應(yīng)，電離出的離子濃度不斷增大，導(dǎo)電率不斷增大。繼續(xù)加入大量水時(shí)，溶液的稀釋效應(yīng)大于醋酸的電離效應(yīng)，溶液中的離子濃度反而下降，所以電導(dǎo)率下降。

三、 總結(jié)

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，針對(duì)學(xué)習(xí)對(duì)醋酸電離平衡知識(shí)點(diǎn)的理解難易、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯與否、實(shí)驗(yàn)操作的方便性，綜合考慮，靈活選擇不同的實(shí)驗(yàn)方法，把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)有機(jī)融合，通過(guò)操作簡(jiǎn)便的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，很好地理解了教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。同時(shí)對(duì)于難以用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)解釋的電離平衡移動(dòng)問(wèn)題，選擇利用數(shù)字實(shí)驗(yàn)，把難以直接觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以數(shù)字或圖形的形式呈現(xiàn)出來(lái)，很直觀，學(xué)生很容易理解和掌握。課堂中學(xué)生的思維跌宕起伏，既有嚴(yán)密邏輯推理，又有激烈的思維辯證、思維的對(duì)立和統(tǒng)一，也培養(yǎng)了學(xué)生在科學(xué)研究中的質(zhì)疑精神，激發(fā)了學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的興趣。

在化學(xué)反應(yīng)原理模塊的教學(xué)中如何將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)很好的有機(jī)融合，要了解兩種實(shí)驗(yàn)方法的各自特點(diǎn)，再結(jié)合學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解程度來(lái)選擇，一般對(duì)于現(xiàn)象比較明顯，能夠很好地解釋實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膶?shí)驗(yàn)和要求學(xué)生必須掌握實(shí)驗(yàn)操作技能類的實(shí)驗(yàn)，最好選擇傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn);對(duì)于原理性較強(qiáng)、通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)學(xué)生理解比較困難、學(xué)生探究型的實(shí)驗(yàn)，選擇數(shù)字實(shí)驗(yàn)。兩種實(shí)驗(yàn)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在教學(xué)中合理、靈活的融合使用，各盡其能，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)提高教學(xué)效率有很大幫助作用。

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作者簡(jiǎn)介：

鄭彥軍，甘肅省定西市，甘肅省定西市安定區(qū)東方紅中學(xué)。