離子膜燒堿虛擬仿真實驗在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

［摘 要］ 實驗教學(xué)是高中化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，通過實驗教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生對化學(xué)科目的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動手操作能力、獨立思考能力以及問題解決能力等。然而，在真實的教學(xué)中，受條件限制和傳統(tǒng)教學(xué)方式的影響，往往忽視化學(xué)實驗教學(xué)。將現(xiàn)代信息技術(shù)與化學(xué)教學(xué)實驗相結(jié)合，把具有遠程互動性的虛擬仿真實驗應(yīng)用在化學(xué)實驗教學(xué)中，能夠解決目前實驗教學(xué)遇到的問題。以此為切入點，介紹了“離子膜燒堿虛擬仿真實驗”的優(yōu)勢，以及如何將其與中學(xué)化學(xué)知識相結(jié)合，提高教學(xué)效果。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬仿真實驗；離子膜燒堿；中學(xué)化學(xué)教學(xué)

［基金項目］ 2023年度校級研究生教育改革與質(zhì)量提升工程校級項目“化學(xué)課程與虛擬仿真實驗研究”（XYNUYJS2023AL002）；2022年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“離子膜燒堿和煤制甲醇生產(chǎn)工藝虛擬仿真師資培訓(xùn)”（220604697020857）

［作者簡介］ 于永生（1979—），男，河南通許人，博士，信陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院副院長，副教授，碩士生導(dǎo)師（通信作者），主要從事化學(xué)教學(xué)及功能陶瓷材料研究；蔡靜靜（2000—），女，河南周口人，信陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2023級化學(xué)專業(yè)碩士研究生，研究方向為中學(xué)化學(xué)教學(xué)；王靜菡（1998—），女，河南周口人，信陽師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2021級無機化學(xué)專業(yè)碩士研究生，研究方向為功能陶瓷材料。

［中圖分類號］ G642.1 ［文獻標(biāo)識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2025）07-0153-04 ［收稿日期］ 2023-11-24

隨著教育信息化的不斷發(fā)展，虛擬仿真實驗在各級各類學(xué)校、各個學(xué)科的實驗教學(xué)中扮演著越來越重要的角色，以其獨特的交互性、泛在性的優(yōu)勢推動教育信息化改革。在規(guī)?；逃那疤嵯?，信息技術(shù)為教育提供了豐富的手段，有利于實現(xiàn)教育多樣化、個性化［1］。將虛擬仿真實驗引入化學(xué)實驗教學(xué)，把抽象的文字知識立體化、具象化，營造一個直觀、生動形象的化學(xué)教學(xué)環(huán)境。

一、“離子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)”的介紹

（一）研究背景

離子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)是針對進行離子膜燒堿生產(chǎn)工藝教學(xué)時存在的教學(xué)經(jīng)費、教學(xué)實訓(xùn)場地、課程安排等客觀原因的限制，使化工、輕工等專業(yè)的學(xué)生體驗前往化工廠實習(xí)實情的系統(tǒng)技術(shù)，是一種綜合集成技術(shù)［2］。建立化工虛擬仿真實驗平臺，將許多在傳統(tǒng)化學(xué)實驗室不能進行的操作變?yōu)楝F(xiàn)實，使教學(xué)實驗不再受時間空間限制，建立并完善適合現(xiàn)代學(xué)生的信息化、數(shù)字化教學(xué)機制［3］，實現(xiàn)對學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

（二）教學(xué)流程

課前預(yù)習(xí)：學(xué)生首先認真預(yù)習(xí)《離子膜燒堿工廠仿真培訓(xùn)操作手冊》和軟件上的整個工藝流程說明，并熟悉整個生產(chǎn)過程中的主要原理、設(shè)備操作、工藝流程以及安全注意事項等。通過課前預(yù)習(xí)充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。教師可以把離子膜燒堿生產(chǎn)工藝流程拆分成與理論相關(guān)的膜分離過程、一次鹽水精制、二次鹽水精制、電解、氯氣處理、淡鹽水脫氯等多道工序。學(xué)生分組查找資料，并采用討論等方式，實現(xiàn)教師與學(xué)生良好互動的教學(xué)模式。

課堂學(xué)習(xí)：運用虛擬仿真技術(shù)模擬離子膜燒堿工廠環(huán)境和操作過程，使學(xué)生身臨其境。教師采用講授式、互動式等教學(xué)方法進行講解，集體講授與個別指導(dǎo)并存，滿足因材施教、個性化教學(xué)需求。實驗過程中學(xué)生自主規(guī)劃學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)節(jié)奏。通過對仿真軟件記錄的各步操作時間及得分進行分析，學(xué)生進行查漏補缺。在整個過程中既培養(yǎng)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，又對知識有更深層次的理解。

實施效果：開設(shè)演示實驗，讓學(xué)生熟悉基本的實驗操作和方法，通過逼真的三維實驗操作并結(jié)合二維動畫、圖片、文字、視頻等多媒體學(xué)習(xí)資源達到實訓(xùn)的效果。該教學(xué)系統(tǒng)的推廣與使用不僅為學(xué)生提供了安全、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，還調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，豐富了教學(xué)模式，提高了學(xué)習(xí)效率，達到了課程目標(biāo)要求的授課效果。

二、“離子膜燒堿虛擬仿真實驗”的優(yōu)勢

（一）沉浸式的感官體驗

離子膜燒堿虛擬仿真技術(shù)呈現(xiàn)出具有三維立體感的化學(xué)工藝流程，有著明顯的視覺沖擊效果，其最大的亮點在于能夠帶給實驗者身臨其境的沉浸式體驗［4］，最大限度地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識的興趣。另外，學(xué)生化身化學(xué)實驗員在三維立體的工廠中參與生產(chǎn)流程，學(xué)習(xí)相關(guān)知識，實現(xiàn)寓教于樂，增強學(xué)生的沉浸感和專注度。在虛擬仿真實驗以場景化的教學(xué)模式激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，讓學(xué)生了解所學(xué)知識在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用，做到理論與實際相結(jié)合。

（二）知行合一的學(xué)習(xí)體驗

離子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)采用任務(wù)驅(qū)動的方式，讓學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤控制化學(xué)實驗員來完成各項生產(chǎn)任務(wù)，打破了傳統(tǒng)的教學(xué)模式，使學(xué)生能夠體驗離子膜燒堿生產(chǎn)工藝的過程，提高學(xué)生的參與度，給學(xué)生親臨其境的體驗感。通過數(shù)字化手段進行整體的自主互動學(xué)習(xí)，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，增加了實驗教學(xué)的交互感。利用智能屏幕與分層教學(xué)等民主化、開放式的教學(xué)方式，實現(xiàn)教師與學(xué)生的默契配合。

三、“離子膜燒堿虛擬仿真實驗”在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

離子膜燒堿虛擬仿真實驗工序的核心是二次鹽水精制和電解部分。其中，鹽水精制、電解工序和氯氣的處理與中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的粗鹽提純和電解飽和食鹽水等知識密切相關(guān)。因此，將離子膜燒堿虛擬仿真實驗引入中學(xué)化學(xué)教學(xué)，能夠讓學(xué)生更深入地理解這些內(nèi)容，更客觀地認識化學(xué)這門學(xué)科，體驗科學(xué)探究的過程，有效落實學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)，同時使學(xué)生對化學(xué)及其所涉及的領(lǐng)域有更加清晰的認識，也對學(xué)生將來大學(xué)專業(yè)的選擇有幫助。

（一）鹽水精制與中學(xué)化學(xué)中的粗鹽提純

離子膜燒堿的主要原料是飽和食鹽水，無論是海鹽、湖鹽、巖鹽或者鹵水中的哪一種原料，都含有Mg2+、Ca2+、SO42-等無機雜質(zhì)，以及細菌、藻類殘體、腐蝕酸等天然有機物和機械雜質(zhì)［5］，如果不除去這些雜質(zhì)將會造成離子膜損傷，破壞電解槽的正常運行，降低電流效率，對離子膜的性能及壽命造成不可逆轉(zhuǎn)的影響。因此，化鹽后的鹽水必須進行精制操作才能滿足離子膜電解槽的運行要求。

1.鹽水精制原理。一次鹽水精制就是除掉粗鹽水中的Mg2+、Ca2+、SO42-等對電解有害的雜質(zhì)。加入過量的NaOH、Na2CO3使Mg2+、Ca2+形成沉淀而除去，加入鹽酸中和過量的NaOH和Na2CO3。鹽水一次精制是鹽水的預(yù)處理工段，主要目的是控制懸浮物與各雜質(zhì)離子的含量，使其在要求的范圍內(nèi)為鹽水二次精制做準備［6］。

Mg2++2NaOH=Mg（OH）2↓+2Na2+

Ca2++Na2CO3=CaCO3↓+2Na2+

NaOH+HCl=NaCl+H2O

Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑

從離子膜砂濾器出來的過濾鹽水，先加酸進行中和，使鹽水中的鈣、鎂等金屬陽離子處于離子狀態(tài)，接著將過濾鹽水進入螯合樹脂塔進行二次鹽水精制，經(jīng)過樹脂塔后除去鹽水中微量的Mg2+、Ca2+等陽離子。部分工藝在鹽水進入螯合樹脂塔進行二次精制之前設(shè)置α-纖維素預(yù)涂碳素管過濾器，進一步降低食鹽水中的懸浮物的含量，然后進入螯合樹脂塔，鹽水精制工藝流程如圖1所示，最后將二次精制鹽水送入電解工序進行電解。

2.粗鹽提純。粗鹽提純是中考中出現(xiàn)頻率非常高的題型，分別在2019年、2020年和2022年等多年的中考題中出現(xiàn)。離子膜燒堿中鹽水精制工序是中學(xué)化學(xué)中粗鹽提純的具體化、工業(yè)化，將離子膜燒堿虛擬仿真實驗引入中學(xué)化學(xué)教學(xué)，有助于學(xué)生更好地理解粗鹽提純的相關(guān)知識。在中學(xué)化學(xué)中，除去粗鹽中的可溶性雜質(zhì)往往遵循三個基本原則，即不增、不減、易分離：不引進新的雜質(zhì)，不減少被提純物質(zhì)的量，形成的物質(zhì)容易分離。除雜的方法主要有反應(yīng)生成氣體、沉淀而出去，雜質(zhì)受熱分解而出去，反應(yīng)生成主要成分，結(jié)晶。

一次鹽水精制中除去Mg2+、Ca2+、SO42-正是運用了此方法。鹽水精制工藝流程是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中粗鹽提純的具體化、生產(chǎn)化。在除雜中，先加入過量的BaCl2除去溶液中的SO42-，再加入過量的Na2CO3除去Ca2+和Ba2+，然后加入過量的NaOH除去溶液中的Mg2+，過濾分離之后向濾液中加入足量的HCl中和溶液中過量的NaOH，最后蒸發(fā)結(jié)晶得到NaCl晶體，如圖2所示。將離子膜燒堿、虛擬仿真實驗引入中學(xué)化學(xué)教學(xué)，讓學(xué)生用鼠標(biāo)和鍵盤在虛擬空間身臨其境地體驗鹽水精制的過程，可以讓學(xué)生對粗鹽提純有更加深入的了解，更好地體驗化學(xué)學(xué)科的奇妙。

（二）電解飽和食鹽水在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.電解的原理。電解槽的陰極室和陽極室被陽離子交換膜分開。此交換膜是一種耐腐蝕的陽離子交換膜，膜體中有活性基團，可以排斥外界溶液中的某些離子。陽極室是精制的飽和食鹽水，陰極室是純水。在電解開始時，通常在陰極室的水中加入一定量的NaOH溶液，以增加溶液的導(dǎo)電性，而不增加新的雜質(zhì)。H2O在陰極表面放電產(chǎn)生H2，Na+通過離子膜進入陰極室并與OH-結(jié)合產(chǎn)生NaOH，Cl-在陽極表面放電產(chǎn)生Cl2，電解后的淡鹽水加入食鹽后重新使用，如圖3所示。

陽極（放電順序：Cl-＞OH-）∶2Cl--2e-=Cl2↑（氧化反應(yīng)）

陰極（放電順序：H+＞Na+）∶2H++2e-=H2↑（還原反應(yīng)）

2.電解的應(yīng)用。電解飽和食鹽水是高中化學(xué)人教版選修四第四章第三節(jié)《電解池》中的重要內(nèi)容，涉及電化學(xué)和氧化還原反應(yīng)兩大板塊知識。將離子膜燒堿虛擬仿真實驗與中學(xué)化學(xué)課程中電解飽和食鹽水的內(nèi)容相結(jié)合，這種教學(xué)方式彌補了由于其實驗操作復(fù)雜、教學(xué)課時緊張、缺少實驗設(shè)備等客觀條件限制導(dǎo)致的不足。通過離子膜燒堿運用虛擬仿真系統(tǒng)，將該系統(tǒng)作為教學(xué)工具引入線上教學(xué)，有針對性地學(xué)習(xí)電解飽和食鹽水的內(nèi)容，理論與實踐相結(jié)合，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率以及教師的教學(xué)質(zhì)量。

（三）氯氣的處理在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

氯氣是黃綠色且有毒的氣體，易對我們的身體以及環(huán)境造成影響。從電解槽出來的氯氣溫度較高，并且伴有大量的水蒸氣及鹽霧等雜質(zhì)。氯氣是酸性氣體，所以從電解槽出來的氯氣必須進行干燥，可以用酸性或者中性干燥劑來干燥，但不能選擇堿性干燥劑，比如堿石灰，因為氯氣溶于水發(fā)生反應(yīng)生成的次氯酸可以與堿反應(yīng)。濃硫酸是具有較高脫水效率的酸性干燥劑，所以工業(yè)上常采用濃硫酸干燥氯氣。

四、“離子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)”引入中學(xué)化學(xué)教學(xué)的作用

（一）幫助學(xué)生理解、建構(gòu)知識

中學(xué)化學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容較為豐富，知識點煩瑣，且模塊與模塊之前相對分離，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)起來難度較大。許多抽象的理論知識，需要借助實驗教學(xué)促進學(xué)生理解。然而，國內(nèi)的實驗教學(xué)資源分布不均勻，部分學(xué)校實驗設(shè)備不完善，并且有些實驗對于初學(xué)者來說具有一定的操作風(fēng)險，所以教師多采用視頻、語言描述等方式進行講解。這種授課方式下課堂氛圍較為沉悶，學(xué)生參與度不高。因此，結(jié)合信息技術(shù)，將離子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)引入中學(xué)化學(xué)教學(xué)輔助學(xué)生學(xué)習(xí)，讓每個學(xué)生動手操作虛擬實驗，產(chǎn)生人機交互的逼真感，從而更好地理解和應(yīng)用。

（二）提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣

在日常化學(xué)教學(xué)中，教師運用視頻、圖片、情景動畫等方式調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，學(xué)生往往只是沉迷于視頻、圖片，忽略了知識本身，效果通常不能持續(xù)一整節(jié)課。離子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)給學(xué)生提供了一個新穎、有趣、場景化的教學(xué)模式，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。突破了傳統(tǒng)教與學(xué)的界限，通過數(shù)字化手段整合知識，增強了實驗的互動性和學(xué)習(xí)的趣味性，讓學(xué)生對化學(xué)領(lǐng)域有更加深入的了解，對學(xué)生大學(xué)專業(yè)的選擇有幫助。

（三）促進教師在進行教學(xué)設(shè)計時充分考慮學(xué)生的主體地位

在傳統(tǒng)的化學(xué)教學(xué)課堂上，往往以教師講解、學(xué)生聽講為主，不利于學(xué)生掌握知識?！半x子膜燒堿虛擬仿真實驗系統(tǒng)”注重學(xué)生動手操作，強化實踐教學(xué)，極大地發(fā)揮了學(xué)生的自主性，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生身臨其境地體驗離子膜燒堿的生產(chǎn)流程，能夠進一步增加學(xué)生學(xué)習(xí)的新鮮感和好奇心，教師在借助該系統(tǒng)設(shè)計和實施教學(xué)活動時能夠更有效落實學(xué)生的主體地位。

結(jié)語

本文將“離子膜燒堿虛擬仿真實驗”應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)課堂教學(xué)，打破了傳統(tǒng)實驗的局限性，為學(xué)生提供了一個生動有趣、高度開放性的沉浸式實驗探究場景，讓學(xué)生身臨其境地體驗了離子膜燒堿的生產(chǎn)工藝流程，使學(xué)生對粗鹽提純、電解飽和食鹽水等相關(guān)知識有了更加清晰的認識。此教學(xué)模式能培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)的興趣和專業(yè)發(fā)展意愿，滿足了不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，亦能有效促進學(xué)生對抽象內(nèi)容的理解，達到較好的教學(xué)效果。

參考文獻

［1］任昌山.加快推進2.0，打造教育信息化升級版：《教育信息化2.0行動計劃》解讀之二［J］.電化教育研究，2018，39（6）：29-31，89.

［2］單美賢，李藝.虛擬實驗原理與教學(xué)應(yīng)用［M］.北京：教育科學(xué)出版社，2005：12-14.

［3］王瑋.3D虛擬仿真實驗在服裝設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究［J］.輕紡工業(yè)與技術(shù)，2022，51（3）：139-141.

［4］謝莉莉，易立文.“地下巖溶地貌觀測虛擬仿真實驗系統(tǒng)”在中學(xué)地理教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中學(xué)地理教學(xué)參考，2022（16）：14-17.

［5］樊新花.氯堿鹽泥生產(chǎn)硫酸鈣晶須的研究［D］.石河子：石河子大學(xué)，2018.

［6］ 聶巨亮.離子膜電解工藝［J］.河北化工，2010，33（6）：53-54.

Application of Virtual Simulation Experiment of Ionic Membrane Caustic Soda in Middle School Chemistry Teaching

YU Yong-sheng， CAI Jing-jing， WANG Jing-han， WANG Sha-sha

（College of Chemistry and Chemical Engineering， Xinyang Normal University， Xinyang， Henan 464000， China）

Abstract： Experimental teaching is an important part of high school chemistry teaching. Through experimental teaching， it can stimulate students’ interest in learning of chemical subjects， and improve students’ hands-on ability， independent thinking ability and problem solving ability. However， in real teaching， chemistry experiment teaching is often ignored by the influence of conditions and traditional teaching methods. Combining modern information technology with chemistry teaching experiment and applying the virtual simulation experiment in chemistry experiment teaching can solve the problems encountered in current experimental teaching. From this starting point， the paper introduces the advantages of “virtual simulation experiment of ionic membrane caustic soda”， and how to combine it with the chemistry knowledge in middle school to improve the teaching effect.

Key words： virtual simulation experiment; ionic membrane caustic soda; middle school chemistry teaching