基于IrydiumChemistryLab的四重表征教學(xué)模式研究

張雪莉 郭進(jìn)利 楊金鳳

摘 要：作者引入虛擬軟件IrydiumChemistryLab，對四重表征教學(xué)模式應(yīng)用于“鹽類的水解”中進(jìn)行研究，通過虛擬實驗探究鹽溶液的酸堿性及水解的影響因素，監(jiān)測溶液微觀組成及變化動態(tài)，分析粒子濃度柱狀圖，以化學(xué)符號用語表達(dá)鹽類水解過程及鹽溶液中的三大守恒關(guān)系，曲線表征與符號表征將“宏觀層面觀察實驗現(xiàn)象”與“微觀層面解釋宏觀現(xiàn)象”建立了有機(jī)聯(lián)系，四重表征思維相互轉(zhuǎn)化，形成獨特的化學(xué)學(xué)習(xí)思維，最終實現(xiàn)了化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：IrydiumChemistryLab;四重表征;鹽類的水解;虛擬實驗

中圖分類號：TP393? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ? ?文章編號：1673-8454（2021）06-0086-06

一、問題的提出

化學(xué)是一門理論與實踐相結(jié)合的學(xué)科，2009年錢揚義等人提出“曲線表征”的分析方法，并將三重表征發(fā)展為包括宏觀表征、微觀表征、符號表征以及曲線表征的四重表征[1]。宏觀表征具體內(nèi)涵為感知具體現(xiàn)象以及變化，微觀表征表現(xiàn)為表征物質(zhì)內(nèi)部微粒組成與結(jié)構(gòu)、運動變化、相互作用以及反應(yīng)機(jī)理等，符號表征為表征物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的符號以及反應(yīng)的方程式等，曲線表征為表征曲線圖中的變量。四重表征教學(xué)模式是在真實課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)驅(qū)動學(xué)生進(jìn)行“四重表征”轉(zhuǎn)化的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象，思考現(xiàn)象的宏觀本質(zhì)，理解微觀層面的信息，落實微觀表征及其微觀世界里的分子離子符號表征，觀察實驗過程中相關(guān)數(shù)據(jù)的曲線圖像，落實曲線表征。

信息技術(shù)賦能教育為基礎(chǔ)教育的信息化轉(zhuǎn)型發(fā)展提供了動力[2-4]，教育信息化2.0時代推進(jìn)了課堂教學(xué)中的信息技術(shù)與教育的深度融合，具有學(xué)科專業(yè)特點的教學(xué)軟件工具的設(shè)計、開發(fā)與應(yīng)用對構(gòu)建課堂教學(xué)的信息化融合與新生態(tài)發(fā)展具有重要意義[5-8]。IrydiumChemistryLab是一款存在于美國化學(xué)集成網(wǎng)站的虛擬軟件[9]，化學(xué)中存在許多概念、定理、本質(zhì)、現(xiàn)象等需要實驗來深入理解的知識[10]，但由于資金不足、環(huán)境污染、危險性等一些客觀原因難以實施實驗，利用該軟件輔助教學(xué)，使實驗過程沒有限制，更直觀可視。

“鹽類的水解”是高中化學(xué)中的一大重點，幾乎是每年高考中必考的知識點，更是高中化學(xué)知識中的一大難點，學(xué)生對水解的本質(zhì)、方程式的書寫以及鹽類水解的影響因素等知識點難以掌握[11]，本文嘗試在“鹽類的水解”教學(xué)中應(yīng)用四重表征教學(xué)模式，利用虛擬軟件IrydiumChemistryLab監(jiān)測：鹽溶液的pH值落實宏觀表征，鹽溶液的粒子濃度柱狀圖反映粒子的種類及大小關(guān)系，落實微觀表征及曲線表征，理解水解本質(zhì)，書寫水解方程式，落實符號表征。

二、基于IrydiumChemistryLab的四重表征教學(xué)研究——以“鹽類的水解”為例

1.IrydiumChemistryLab軟件功能及使用

該軟件界面主要有三個區(qū)域，即左側(cè)的工具菜單區(qū)、中間的實驗區(qū)以及右側(cè)的數(shù)據(jù)顯示區(qū)（見圖1）。菜單區(qū)提供了基礎(chǔ)化學(xué)實驗中常見的各種酸堿鹽溶液、指示劑溶液以及常用的實驗儀器，如容量瓶、燒杯、錐形瓶以及加熱器等。實驗區(qū)可以將溶液倒入反應(yīng)儀器中反應(yīng)，用加熱儀器加熱，滴定儀器滴定，如酸或堿遇指示劑變色的反應(yīng)、酸和堿的滴定實驗等。數(shù)據(jù)區(qū)可以實時監(jiān)測化學(xué)反應(yīng)發(fā)生過程，可以使溶液內(nèi)部的溫度、pH值、粒子濃度等由微觀向宏觀轉(zhuǎn)化的“可視化”表征。

先簡單了解溶液微觀成分的實驗，只需要在菜單區(qū)找到目標(biāo)溶液并用鼠標(biāo)拖動至實驗區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)即可顯示溶液內(nèi)部定量化的數(shù)據(jù);再到對目標(biāo)溶液進(jìn)行加熱的實驗，需要在工具菜單里找到加熱器并用鼠標(biāo)拖至需要加熱的溶液下方加熱即可進(jìn)行;若進(jìn)行兩個溶液的混合反應(yīng)，需要將目標(biāo)溶液一一拖至實驗區(qū)，鼠標(biāo)點擊將其中一個溶液拖至另一溶液瓶口，在實驗區(qū)下方輸入欄輸入倒入的體積，反應(yīng)即已進(jìn)行，例如：NH4Cl溶液在室溫下的pH值（見圖2）、NH4Cl溶液加熱過程（見圖3）、Na2CO3溶液遇酚酞變色實驗（見圖4）。

2.“鹽類的水解”教學(xué)設(shè)計理念及分析

“鹽類的水解”這一節(jié)課的教學(xué)貫穿四重表征教學(xué)模式，利用IrydiumChemistryLab虛擬軟件，從宏觀角度來探究具體的微粒存在形式以及濃度大小，在濃度大小的柱形圖中直觀感受微觀組成及變化，曲線表征與符號表征將“宏觀層面觀察實驗現(xiàn)象”與“微觀層面解釋宏觀現(xiàn)象”建立了有機(jī)聯(lián)系，教學(xué)過程中四重表征思維相互轉(zhuǎn)化，加深對化學(xué)知識的理解，實現(xiàn)可視化、形象化的教學(xué)效果。

3.實現(xiàn)四重表征相互轉(zhuǎn)化的教學(xué)策略

基于四重表征教學(xué)模式，設(shè)計鹽類的水解教學(xué)任務(wù)，制定相應(yīng)的應(yīng)對策略，關(guān)系如表1所示。從宏觀表征轉(zhuǎn)化為微觀表征體現(xiàn)在引導(dǎo)學(xué)生從虛擬軟件探究不同鹽溶液的pH值，從不同的宏觀現(xiàn)象思考背后的微觀動態(tài)以及鹽溶液的水解率;從曲線表征轉(zhuǎn)化為微觀表征體現(xiàn)在從粒子濃度柱狀圖中分析鹽溶液內(nèi)部粒子成分;從微觀表征轉(zhuǎn)化為符號表征體現(xiàn)在理解微觀水解本質(zhì)、書寫水解的方程式及內(nèi)部粒子濃度關(guān)系;從符號表征轉(zhuǎn)化為宏觀表征體現(xiàn)在通過方程式推測鹽類水解過程的熱效應(yīng)。

4.教學(xué)實施

探究性學(xué)習(xí)主要包括兩個學(xué)習(xí)任務(wù)：①鹽溶液的酸堿性規(guī)律，通過大量的虛擬探究實驗來呈現(xiàn)不同鹽溶液的酸堿性，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突;歸納酸堿性與鹽類型的關(guān)系;②鹽類水解的本質(zhì)，通過個案探究內(nèi)部組成變化，使水解呈現(xiàn)直觀化，理解鹽類水解的本質(zhì)。

（1）鹽溶液的酸堿性規(guī)律

設(shè)計意圖：設(shè)疑引入，激發(fā)學(xué)生從宏觀辨識到微觀探析的學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)宏觀表征到微觀表征的轉(zhuǎn)化。

教師設(shè)疑：鹽溶液一定呈中性嗎？引導(dǎo)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

學(xué)生利用虛擬實驗監(jiān)測不同鹽溶液的pH值。pH值與鹽溶液都呈現(xiàn)中性的舊知產(chǎn)生沖突，學(xué)生自主填完表2，歸納出鹽溶液“誰強(qiáng)顯誰性”的酸堿性規(guī)律，并想要究其原因。

（2）鹽類水解的本質(zhì)

設(shè)計意圖：思考鹽溶液呈現(xiàn)不同酸堿性的本質(zhì)，借助虛擬化學(xué)實驗充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，深入探究鹽溶液呈現(xiàn)不同酸堿性的原因。通過軟件呈現(xiàn)的柱狀圖，引導(dǎo)學(xué)生分析、思考出現(xiàn)新粒子背后的原因，從宏觀的鹽溶液酸堿性過渡到微觀的鹽溶液內(nèi)部離子種類，使其思維從宏觀深入微觀，從靜態(tài)轉(zhuǎn)入動態(tài)。此過程落實曲線表征向符號表征的思維轉(zhuǎn)化。

首先，以醋酸鈉為例，虛擬實驗CH3COONa溶液（1mol/L，25℃），數(shù)據(jù)區(qū)隨即出現(xiàn)溶液內(nèi)部粒子種類及大小的數(shù)據(jù)圖表。如圖5所示，學(xué)生發(fā)現(xiàn)25℃1mol/L的CH3COONa溶液中存在CH3COOH，疑惑不解，CH3COONa和H2O電離均不直接生成CH3COOH，那CH3COOH從何而來？教師引導(dǎo)學(xué)生思考并分析：①圖5中CH3COONa溶液中存在的粒子種類和濃度;②CH3COONa鹽溶液內(nèi)部離子是否會發(fā)生相互作用形成CH3COOH？③H3COONa溶液為何顯堿性？建立宏觀表征深入微觀表征的思維活動，由虛擬實驗引發(fā)了學(xué)生認(rèn)知沖突。

其次，由虛擬實驗NH4Cl溶液（1mol/L，25℃）引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，探究NH4Cl溶液的內(nèi)部粒子。學(xué)生分析圖6，思考：①NH4Cl溶液中為什么還出現(xiàn)了NH3;②NH4Cl和H2O電離均不直接生成NH3，那么NH3從何而來？③NH4Cl溶液內(nèi)部離子會不會發(fā)生相互作用呢？④CH3COOH從何而來？⑤鹽類水解的本質(zhì)是什么？

最后，教師再次引導(dǎo)學(xué)生從宏觀表征深入到微觀表征的分析與評價的思維活動，學(xué)生得出結(jié)論：①CH3COONa溶液中出現(xiàn)的CH3COOH產(chǎn)生于CH3COONa和H2O電離產(chǎn)生的H+相互作用，使得溶液中的OH-濃度大于H+濃度;②NH4Cl和H2O電離產(chǎn)生的OH-反應(yīng)生成了弱電解質(zhì)NH3·H2O，溶液中的NH3正是由NH3·H2O電離而來，使得溶液中的H+濃度大于OH-濃度;③鹽類水解的本質(zhì)是鹽電離出的弱酸陰離子或弱堿陽離子，結(jié)合水電離的氫離子或氫氧根，生成弱酸或弱堿，破壞了水的電離平衡，最終使鹽溶液呈現(xiàn)不同的酸堿性。

（3）鹽類水解的方程式

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會并能熟練應(yīng)用“四步分析法”，即水的弱電離、鹽溶液的完全電離、離子間的相互作用、方程式的疊加。學(xué)生根據(jù)分析法“四步走”，推測出鹽溶液內(nèi)部的作用情況，深入理解鹽類水解的本質(zhì)，學(xué)會方程式的書寫。再利用多種趣味性可視化的教學(xué)方式，使學(xué)生愉快地學(xué)習(xí)原本枯燥的理論知識，體會鹽類水解的本質(zhì)，直觀感受微觀世界離子的變化情況，進(jìn)一步落實微觀表征到符號表征的思維進(jìn)階。

基于IrydiumChemistryLab軟件的虛擬實驗，對CH3COONa溶液、NH4Cl溶液和NaCl溶液進(jìn)行“四步分析法”的應(yīng)用，結(jié)果記入表3。

學(xué)生應(yīng)用分析法四步走學(xué)習(xí)了鹽類的水解方程式之后，進(jìn)入趣味化模擬階段。教師組織四名學(xué)生模擬水解過程，學(xué)生分別扮演醋酸根離子、鈉離子、氫離子、氫氧根離子。氫離子同學(xué)跟氫氧根離子同學(xué)倆人一出場就喊著：“我們是好兄弟，在水中數(shù)量相等，我們永遠(yuǎn)不分離！”而這時醋酸根離子跟鈉離子組成的醋酸鈉進(jìn)來了，說：“我們是強(qiáng)電解質(zhì)，在水中自由自在，互不干擾?！贝姿岣x子看到氫離子后十分激動，說到：“咱倆才是天仙配，在一起形成弱電解質(zhì)”，氫離子走后，氫氧根離子本來有些沮喪，但醋酸根離子給它說了幾句悄悄話，氫氧根離子立馬就開心了起來，笑著說：“你走了，我就是溶液中的老大！”

（4）鹽類水解的熱效應(yīng)

設(shè)計意圖：利用虛擬軟件探究酸堿中和反應(yīng)的熱效應(yīng)，進(jìn)而推測鹽類水解的熱效應(yīng)，培養(yǎng)學(xué)生逆向思維能力，此過程落實符號表征到宏觀表征的思維轉(zhuǎn)化。

教師引導(dǎo)學(xué)生活動：①書寫鹽類水解的方程式;②鹽類的水解跟酸堿中和反應(yīng)有何關(guān)系？③虛擬實驗平臺監(jiān)測結(jié)果與鹽類水解的熱效應(yīng)分析？

教師引導(dǎo)學(xué)生從符號表征深入到宏觀表征的分析與評價的思維活動，得出結(jié)論：①鹽類水解就是酸堿中和反應(yīng)的逆反應(yīng);②虛擬實驗酸堿中和反應(yīng)并監(jiān)測其熱效應(yīng)，鹽類水解的熱效應(yīng)與酸堿中和反應(yīng)的熱效應(yīng)相反。學(xué)生進(jìn)行虛擬探究實驗，具體實驗過程如圖7所示。

（5）綜合分析與評價鹽類水解的影響因素

設(shè)計意圖：教師設(shè)置習(xí)題和問題驅(qū)動學(xué)生思考、分析鹽類水解的影響因素，引導(dǎo)學(xué)生虛擬實驗探究，計算水解率，理解影響鹽類水解的因素。在這個過程中，從數(shù)學(xué)角度培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、解決目標(biāo)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究意識，落實宏觀表征到微觀表征的思維進(jìn)階。

教師設(shè)疑：鹽溶液由于水解使酸堿性不一，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過影響化學(xué)平衡的因素有反應(yīng)物自身的性質(zhì)（內(nèi)因）和溫度、濃度（外因）等，那么影響鹽溶液水解的因素有哪些？引導(dǎo)學(xué)生思考并進(jìn)行類比推理，猜測可能的影響因素有鹽溶液自身性質(zhì)（內(nèi)因）和溫度、濃度（外因）。此時教師引導(dǎo)學(xué)生虛擬探究鹽類水解的影響因素。

首先進(jìn)行虛擬實驗探究：對其他條件相同的NaHCO3、Na2CO3和NaCN溶液，監(jiān)測pH值，計算水解率，對比、綜合分析水解程度。學(xué)生實驗后得出結(jié)論，如表4所示：①三種鹽溶液的水解程度大小關(guān)系為：Na2CO3>NaCN>NaHCO3;②鹽溶液的水解程度與自身組成有很大的關(guān)系;③組成鹽的弱酸陰離子對應(yīng)的酸越弱，鹽溶液的水解程度越大，即“越弱越水解”。

繼續(xù)進(jìn)行虛擬實驗探究：對溫度均為25℃1mol/L和3mol/L的NH4Cl溶液，監(jiān)測pH值，計算水解率，對比、綜合分析水解程度。最后再將25℃1mol/L的NH4Cl溶液加熱至35℃左右，同樣監(jiān)測pH值，計算水解率，對比、綜合分析水解程度。學(xué)生實驗后得出結(jié)論，數(shù)據(jù)如表5所示。①濃度和溫度都影響鹽的水解程度;②相同溫度下1mol/L的NH4Cl水解程度大于3mol/L的NH4Cl溶液的水解程度，得出規(guī)律：“越稀越水解”;③相同濃度下34.9℃左右的NH4Cl溶液的水解程度大于25℃的NH4Cl溶液，得出規(guī)律：“越熱越水解”。

（6）鹽類水解中的不等式與等式

設(shè)計意圖：鹽類水解中守恒關(guān)系與離子濃度大小關(guān)系在教學(xué)中一直屬于理論知識，以理論推導(dǎo)的方式講授未免過于枯燥，而借助虛擬軟件學(xué)生能夠直觀感受到離子濃度的大小及關(guān)系，體驗學(xué)科的科學(xué)性，實現(xiàn)微觀表征向符號表征的轉(zhuǎn)化。

教師設(shè)疑：通過虛擬探究幾種鹽溶液的微觀定量化數(shù)據(jù)，你認(rèn)為鹽溶液內(nèi)部粒子濃度大小有序嗎？

學(xué)生觀察CH3COONa溶液的粒子濃度數(shù)據(jù)圖，得出結(jié)論：CH3COONa溶液中，存在不等式：C（Na+）>C（CH3COO-）>C（OH-）>C（H+）>C（CH3COOH）。

教師追問：在物理學(xué)中，孤立系統(tǒng)電荷守恒，那么在鹽溶液內(nèi)部是否存在電荷守恒？

學(xué)生分析CH3COONa溶液的粒子濃度，得出結(jié)論：①C（H+）+C（Na+）=C（OH-）+C（CH3COO-）;②鹽溶液內(nèi)部電荷守恒。

教師再問：自然界中存在質(zhì)量守恒，物理學(xué)上，質(zhì)量守恒用于功能轉(zhuǎn)換，也叫能量守恒;在化學(xué)中，質(zhì)量守恒包括反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量不變、原子守恒、元素守恒。鹽類水解中，為了使質(zhì)量守恒通俗易懂，通常稱之為物料守恒，鹽溶液的物料守恒式是怎樣的？

學(xué)生分析CH3COONa溶液的粒子濃度，得出結(jié)論：①C（Na+）=C（CH3COO-）+C（CH3COOH）;②鹽溶液內(nèi)部物料守恒即為水解前后原子種類數(shù)目不變。

（7）教學(xué)拓展——酸堿質(zhì)子理論

設(shè)計意圖：在學(xué)習(xí)了電荷守恒及物料守恒后，教師講授酸堿質(zhì)子理論，引導(dǎo)學(xué)生書寫鹽溶液中的質(zhì)子守恒式，拓寬學(xué)生的思維，落實微觀表征向符號表征的轉(zhuǎn)化。

教師講授酸堿質(zhì)子理論，酸堿質(zhì)子理論對以往的酸和堿的定義進(jìn)行了擴(kuò)充，凡是能給出質(zhì)子（H+）的物質(zhì)都?xì)w為酸，因此除了常見的強(qiáng)酸弱酸以外，NH4+、[Fe（H2O）6]3+等也屬于酸;凡是能接受質(zhì)子（H+）的物質(zhì)都是堿，因此除常見的強(qiáng)酸強(qiáng)堿以外，CH3COO-、CO32-、Fe[OH]63-等屬于堿;既能給出質(zhì)子（H+）又能接受質(zhì)子（H+）的物質(zhì)稱之為兩性物質(zhì)，如HCO3-、H2O、HS-、HPO42-等屬于兩性物質(zhì)[12]。

講解了酸堿質(zhì)子理論后，教師設(shè)疑：能否用酸堿質(zhì)子理論解釋醋酸鈉的水解過程？歸納鹽類水解的本質(zhì)？

學(xué)生思考醋酸鈉的水解過程，得出結(jié)論：①CH3COO-（酸）接受了H2O給的H+（質(zhì)子）形成CH3COOH，水接受質(zhì)子H+形成H3O+，致使醋酸鈉溶液顯堿性;②鹽類水解本質(zhì)是酸給出質(zhì)子、堿接受質(zhì)子，致使鹽溶液呈現(xiàn)不同的酸堿性。

教師引入質(zhì)子守恒：既然鹽類水解的本質(zhì)就是酸給出質(zhì)子、堿接受質(zhì)子的過程，那么鹽溶液中的質(zhì)子守恒式如何書寫？

教師講授質(zhì)子守恒式PBE的書寫方式：①找出平衡體系參與質(zhì)子轉(zhuǎn)移的起始形式作為零水準(zhǔn);②寫出質(zhì)子轉(zhuǎn)移平衡式，并對齊得失質(zhì)子的產(chǎn)物;③根據(jù)得失質(zhì)子產(chǎn)物濃度相等的原則寫出[13]。

教師引導(dǎo)學(xué)生寫出醋酸鈉溶液中的PBE方程：

①以CH3COO-和H2O為零水準(zhǔn)

②CH3COO-+H2O=CH3COOH+OH-

H2O+H2O=H3O++OH-

③C（CH3COOH）+C（H+）=C（OH-），此為醋酸鈉溶液的PBE方程。

三、小結(jié)

宏觀、微觀、符號的時刻聯(lián)系是化學(xué)不同于其他學(xué)科的主要特征。在“鹽類的水解”教學(xué)中引入IrydiumChemistryLab虛擬軟件，引導(dǎo)學(xué)生從宏觀角度來探究具體的微粒存在形式以及濃度大小，在濃度大小的柱形圖中直觀感受內(nèi)部組成及變化，曲線表征與符號表征將“宏觀層面觀察實驗現(xiàn)象”與“微觀層面解釋宏觀現(xiàn)象”建立了有機(jī)聯(lián)系，教學(xué)過程中四重表征思維相互轉(zhuǎn)化，使學(xué)生主動構(gòu)建對化學(xué)知識的四重表征，有助于學(xué)生從一個特殊的宏微結(jié)合的視角分析問題和解決問題，加深對化學(xué)知識的理解，實現(xiàn)可視化、形象化的教學(xué)效果，此外，在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代，化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用信息技術(shù)會為教學(xué)注入活力，為教學(xué)改革帶來新的發(fā)展契機(jī)。但在“鹽類的水解”中利用IrydiumChemistryLab虛擬軟件輔助教學(xué)，仍存在相關(guān)教學(xué)數(shù)據(jù)庫的不足、用于虛擬實驗的試劑及儀器有限等問題，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有待進(jìn)一步的研究。

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（編輯：魯利瑞）