基于Corel軟件的四重表征設(shè)計在酸堿滴定中的運用

金曉董，徐 杲

(海寧衛(wèi)生學(xué)校藥學(xué)教研組，浙江 海寧 314400)

1 問題的提出

2019年國務(wù)院印發(fā)了國家職業(yè)教育改革實施方案，鼓勵有條件的企業(yè)特別是大企業(yè)舉辦高質(zhì)量職業(yè)教育，職業(yè)教育越來越受到社會的關(guān)注，隨之的要求也就逐漸增高。中等職業(yè)教育是職業(yè)教育的有機(jī)組成，是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人才資源支撐。但是隨著中職教育的大眾化，必然導(dǎo)致中職藥學(xué)專業(yè)新生的生源質(zhì)量下降，其化學(xué)基礎(chǔ)知識比較薄弱，參差不齊，如何使這批學(xué)生在中職教育中重新找回信心，這就需要教師利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段，設(shè)計符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的課堂教學(xué)過程。

《分析化學(xué)》是藥學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，是一門關(guān)于實驗、計算和理論相結(jié)合的應(yīng)用性學(xué)科。酸堿滴定作為《分析化學(xué)》教學(xué)中的第一個定量實驗，主要包括酸堿滴定原理、滴定曲線、滴定突躍、化學(xué)計量點及指示劑的選擇等知識點[1]。它是學(xué)生在學(xué)習(xí)中最感困難的概念之一，既是分析化學(xué)定量分析的精髓，也是藥學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本操作技能。

表1 酸堿中和滴定對應(yīng)的四重表征

華南師范大學(xué)錢揚義教授等提出了概念教學(xué)的“四重表征”教學(xué)理論，通過“四重表征”，深入透徹的認(rèn)識對物質(zhì)及其反應(yīng)。根據(jù)這一教學(xué)理論，筆者將酸堿中和滴定的“四重表征”作如下定義[2-3]。

傳統(tǒng)的酸堿中和滴定的教學(xué)是以理論計算為結(jié)果作出pH-V曲線，通過滴定曲線解釋滴定突躍，再進(jìn)行實驗操作教學(xué)。這種簡單的從“計算-pH-V曲線”的教學(xué)，使酸堿中和滴定的“曲線表征”十分抽象，學(xué)生難以理解pH-V曲線的變化過程。

教師應(yīng)在酸堿中和滴定教學(xué)過程中展示宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征，以便于不同的學(xué)生選擇合適的方式，建立符合自己認(rèn)知的表征。本文以Corel ChemLab軟件作為展現(xiàn)酸堿中和滴定的四重表征平臺，能實時、直觀地展示滴定過程中pH的變化與堿量的關(guān)系，并實時生成pH-V曲線，激發(fā)學(xué)生興趣，多角度的進(jìn)行概念建構(gòu)[4]，實現(xiàn)對滴定突躍、指示劑的選擇、滴定終點和化學(xué)計量點等知識的深刻理解，最終達(dá)到靈活運用并解決問題的目的。

2 關(guān)于Corel ChemLab軟件簡介

Corel ChemLab是美國COREL公司專為學(xué)生開發(fā)的模擬現(xiàn)代化學(xué)實驗室的全交互軟件[5]，即用戶必須通過具體的操作，按照實際試驗操作過程，達(dá)到模擬實驗的目的。

3 基于四重表征理論的“酸堿中和滴定”教學(xué)設(shè)計案例

本文利用Corel ChemLab軟件中的“酸堿實驗”進(jìn)行酸堿中和滴定教學(xué)。通過觀察指示劑的變化，利用化學(xué)方程式的符號表征進(jìn)行分析，深化理解，其教學(xué)設(shè)計包括以下幾部分：

3.1 創(chuàng)設(shè)實驗情境

創(chuàng)設(shè)情境：在某制藥公司的化學(xué)實驗中，擺放著1瓶100 mL未知濃度的氫氧化鈉溶液，假如你是實驗員，你該怎么快速有效的測定其濃度？

學(xué)生活動：pH法、沉淀法、酸堿中和法滴定。沉淀法和pH法操作繁瑣，準(zhǔn)確度與精密度比較差，而酸堿滴定法操作簡便，相對誤差較大。

設(shè)計意圖：基于藥學(xué)專業(yè)的專業(yè)特點，創(chuàng)設(shè)符合專業(yè)特點的實驗情境，激發(fā)學(xué)生思考，引出本節(jié)課的主題酸堿中和滴定。

3.2 酸堿中和滴定概念與原理(微觀表征-符號表征)

教師講授：酸堿中和滴定是用已知物質(zhì)的量濃度的堿(或酸)去滴定未知物質(zhì)的量濃度的酸(或堿)，測定完全反應(yīng)時消耗的堿(或酸)，反應(yīng)實質(zhì)：2H++OH-=H2O，來推算未知濃度的酸(或堿)濃度的方法[4]。

學(xué)生練習(xí)：20.00 mL 0.1000 mol/L的NaOH溶液與20.00 mL HCl溶液恰好完全反應(yīng)，求HCl溶液的物質(zhì)的量濃度。

學(xué)生活動：計算得出結(jié)論：0.1000 mol/L。

設(shè)計意圖：學(xué)生掌握酸堿中和的離子方程式，從而學(xué)會利用化學(xué)原理符號表征去理解酸堿中和滴定，并通過計算題的形式，引導(dǎo)學(xué)生把理論計算與實驗結(jié)合。

3.3 指示劑的選擇(宏觀表征)

教師提問：在沒有明顯現(xiàn)象的情況下如何判斷酸堿恰好完全反應(yīng)？

學(xué)生回答：利用pH試紙，一名學(xué)生使用pH試紙操作鹽酸溶液滴定氫氧化鈉溶液，另一名學(xué)生利用手機(jī)的同屏互動功能將實驗過程傳送至電子白板，以便全班學(xué)生觀看實驗操作。

教師活動：pH試紙滴定實驗，其過程費時費力，且誤差很大，這里就需要借助指示劑來完成。介紹指示劑的概念及變色范圍。

圖1 酚酞、甲基橙指示劑的變色范圍

教師活動：指示劑變色時溶液pH值不是7，為什么我們能用指示劑來判斷酸堿完全反應(yīng)呢？引出Corel ChemLab軟件。

設(shè)計意圖：通過連續(xù)兩個提問，步步深入顯化認(rèn)識沖突，使學(xué)生的興趣提升到理性層面，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析實驗現(xiàn)象的能力。

3.4 Corel ChemLab軟件解釋酸堿中和滴定(宏觀表征-曲線表征)

教師活動：打開Corel ChemLab軟件(圖2)，實驗內(nèi)容選擇“強(qiáng)酸滴定曲線”，具體步驟如下：

①向空燒杯內(nèi)倒入20 mL濃度為0.1000 mol/L HCl溶液，用鼠標(biāo)拖拽含有HCl溶液的燒杯與空燒杯重合，當(dāng)空燒杯圖像變亮?xí)r即開始倒入，停止時單擊即可。

②向HCl溶液的中加入酚酞指示劑，并連接pH計。

③滴定管內(nèi)已裝有30 mL 0.1000 mol/L NaOH溶液。點擊滴定管，開始實驗，軟件自動彈出以NaOH體積的X軸和以HCl溶液的pH值為Y軸的滴定曲線圖窗口，并自動記錄讀數(shù)。

④觀察燒杯內(nèi)溶液的顏色和滴定曲線的變化。

學(xué)生活動：分析滴定曲線(圖3)。

討論強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸的pH-V曲線變化，隨著強(qiáng)堿體積的增加，pH值從1開始緩慢增加至4.3左右，在化學(xué)計量點附近，迅速增加至9.7左右，然后又緩慢增加。

教師活動：解釋滴定突躍、突躍范圍的概念，并進(jìn)行德育滲透“凡事貴在堅持，前期的默默努力就是為了最后的突躍，莫要倒在黎明前?！?/p>

指示劑的使用原則：其一，指示劑的變色范圍部分或全部落在滴定突躍內(nèi)的指示劑，減小指示劑選擇不當(dāng)造成的系統(tǒng)誤差；其二，為了減小視覺誤差，指示劑顏色應(yīng)選擇從無色向有色變化或從淺色向深色變化。

圖2 Corel ChemLab軟件界面

圖3 酸堿滴定的pH-V曲線

設(shè)計意圖：以圖形的形式直觀地展示出滴定過程中溶液pH值的微觀變化。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，及時得到反饋信息，享受探究的樂趣。實現(xiàn)宏觀表征與曲線表征有機(jī)鏈接，實現(xiàn)從微觀角度去解釋宏觀現(xiàn)象。

3.5 學(xué)生使用Corel ChemLab軟件繪制“強(qiáng)堿滴定曲線”

學(xué)生活動：根據(jù)教師的演示，使用“Corel ChemLab”軟件，選擇“強(qiáng)堿滴定曲線”，以甲基橙做指示劑，采集HCl滴定NaOH的pH-V曲線，觀察指示劑顏色變化與滴定突躍是否吻合。

設(shè)計意圖：學(xué)生舉一反三，由“強(qiáng)酸滴定曲線”向“強(qiáng)堿滴定曲線”遷移，為后續(xù)的實驗室酸堿中和滴定操作打下扎實的基礎(chǔ)。

4 基于四重表征理論“酸堿中和滴定”教學(xué)設(shè)計的反思

以Corel ChemLab軟件作為展現(xiàn)“酸堿中和滴定”知識平臺，符合中職學(xué)生的認(rèn)知水平，主要體現(xiàn)在以下4個方面：

(1)酸堿中和滴定的“四重表征”教學(xué)設(shè)計，從定量角度認(rèn)識，在理解符號表征的基礎(chǔ)上，基于Corel ChemLab軟件從宏觀表征開始，進(jìn)入微觀表征，做后以曲線表征展示結(jié)果，將四種表征以單個、整合呈現(xiàn)，從多個角度進(jìn)行化學(xué)概念構(gòu)建，讓學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)有一個完整、透徹的認(rèn)識。

(2)Corel ChemLab軟件能顯示酸堿溶液反應(yīng)時的pH實時變化，特別是pH的突躍范圍，便于揭示化學(xué)反應(yīng)的原理和本質(zhì)。在實驗操作過程中，有利于學(xué)生更準(zhǔn)確地控制和把握終點。

(3)Corel ChemLab軟件中有多個酸堿滴定實驗，包括一元弱酸、弱堿的滴定，學(xué)生在課后選擇不同的方案進(jìn)行操作，認(rèn)識pH-V曲線的多種變化。實現(xiàn)在實驗課開設(shè)不大量增加的情況下，學(xué)生能更多地接觸、嘗試不同的滴定實驗的目的。

(4)這種實驗方法突破了傳統(tǒng)實驗的時空限制，學(xué)生可以自由地選擇時間和地點進(jìn)行重復(fù)模擬操作，減少實驗室污染，提高安全性，同時掌握簡便高效的實驗數(shù)據(jù)處理方法，是實驗教學(xué)的有力補(bǔ)充。

總之，基于Corel ChemLab軟件的酸堿滴定的四重表征教學(xué)設(shè)計是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的一種創(chuàng)新，對提高分析化學(xué)實驗教學(xué)質(zhì)量的產(chǎn)生積極影響，并為后續(xù)的沉淀滴定法，配位滴定法，氧化還原滴定法的學(xué)習(xí)打下扎實的基礎(chǔ)[6]。