數字化實驗技術應用于《弱電解質電離平衡的影響因素》的教學研究

楊伏勇

摘 ? ?要： 數字化實驗技術有效應用于中學化學教學，有助于激發學生的學習積極性，提高學生的實驗探究、圖表數據處理和問題解決能力。本文以“弱電解質的電離平衡”的教學片段為例，充分運用數字化實驗技術，基于學生對實驗的分析，有效突破教學的重難點內容。

關鍵詞： 數字化實驗技術 ? ?弱電解質 ? ?電離平衡 ? ?影響因素

數字化實驗技術（又稱手持技術）作為一種先進的實驗技術手段，由于其可以借助眾多類型的傳感器（如溫度、壓強、電導率等）進行實時的數據采集和分析，將實驗結果直觀、動態地展示出來，其應用范圍越來越廣。將數字化實驗技術應用于中學化學課堂教學，有助于激發學生學習興趣，提高學生的數據分析能力，有效突破教學中的難點內容，促進學生的認知發展。

魯科版《化學反應原理》[1]選修模塊第3章第2節“弱電解質的電離、鹽類的水解”的第1課時《弱電解質的電離》一節中，“影響電離平衡的外界因素”是本節的教學重難點之一。傳統的教學注重對影響因素的理論分析，學生往往感覺內容較難理解且較為枯燥。本研究應用數字化實驗技術探究影響電離平衡的外界因素，將理論與實驗相結合，激發學生好奇心，讓學生在探究實驗中獲得直觀、動態的數據，在教師引導下通過對實驗數據的分析總結，進而自主完成該知識體系的建構。

一、教學片段及評析

“影響電離平衡的外界因素”片段的教學設計以新課程理念為指導，基于數字化實驗技術設置多個實驗探究活動，充分運用問題教學法，教師組織、引導學生通過實驗數據分析、得出相關結論，建構相關知識體系。

1.溫度的影響

教學設計思路：

探究實驗一：（1）連接計算機、數據采集器及pH傳感器（含電極）、溫度傳感器。打開計算機

（2）用蒸餾水淋洗pH傳感器電極，并用濾紙吸干附著在電極上的水。向100ml燒杯中加入約0.1mol·L的醋酸溶液20ml。

（3）將pH傳感器和溫度傳感器電極放入燒杯中，使玻璃環完全浸入液面以下。待pH和溫度傳感器穩定后，系統將自動顯示0.1mol·L的醋酸溶液的pH值和溫度。

（4）打開磁力攪拌器，開啟加熱功能，記錄隨著溫度的升高，每隔3攝氏度，溶液的pH變化。

實驗數據：

圖1 ? ?0.1mol/L的醋酸溶液的pH值隨溫度的變化

問題探究：（1）0.1mol·L的醋酸溶液的pH值隨溫度的變化呈現怎樣的趨勢？

（2）運用平衡移動原理解釋溫度對電離平衡的影響。

問題解決：在教師引導下，學生通過討論得出相關結論。

醋酸溶液的pH值隨著溫度的升高呈現減小的趨勢，其酸性增強。醋酸的電離平衡受溫度的影響，溫度升高促進了醋酸的電離，由此可知醋酸的電離過程為吸熱過程。

總結提升：教師引導學生由個體到一般得出溫度對弱電解質電離平衡的影響。

評析：通過數字化實驗技術將溫度對醋酸pH的影響，直觀、動態的展示在學生面前，激發學生探究欲望，緊接著通過兩個問題探究，讓學生在互相討論中自然得出溫度對醋酸電離的影響，進而拓展到一般弱電解質。過程之中充分體現學生學習主體地位，鍛煉學生圖像分析及解釋說理能力等。

2.濃度的影響

教學設計思路：

探究實驗二：（1）向250ml燒杯中用酸式滴定管加入約0.1mol·的醋酸溶液10ml，將pH傳感器電極放入燒杯中，使玻璃環完全浸入液面以下。待pH傳感器穩定后，系統將自動顯示0.1mol·L的醋酸溶液的pH值。

（2）打開“組合圖線”，添加“t-pH”圖線，向燒杯中迅速加入90ml蒸餾水，系統將自動記錄混合溶液的pH隨時間變化的曲線。

（3）用酸式滴定管移取0.1mol·L的醋酸溶液10.00ml，轉移到100ml容量瓶中，加水稀釋至刻度線。向100ml燒杯中加入上述稀釋后的醋酸溶液20ml，測定pH值。

實驗數據：

圖2 ? ?0.1mol·L的醋酸溶液加水稀釋過程pH隨時間的變化

表1 ? ?相關溶液的pH數據

問題探究：

（1）0.1mol·L的醋酸溶液加水稀釋過程中pH呈現怎樣的趨勢？

（2）結合表1數據分析濃度對醋酸電離平衡的影響。

問題解決：在教師引導下，學生通過討論得出相關結論。

0.1mol·L的醋酸溶液隨著蒸餾水的不斷加入，其pH越來越大，酸性變弱。通過鹽酸和醋酸溶液稀釋10倍其pH的變化異同可以知道，若醋酸的電離平衡不發生移動，則0.01mol·L的醋酸的pH應為3.86，而事實是3.28，pH的變化相比鹽酸較小，可以推出在此過程中醋酸的電離被促進了。

總結提升：推而廣之，弱電解質的濃度越小，其電離程度越大。

評析：濃度對弱電解質電離平衡的影響是本節教學的一個難點，傳統的理論分析學生很難接受的是：為什么濃度越小，醋酸的pH越大，酸性減弱，其電離程度卻是增大的。本研究中通過數字化實驗技術實時得出圖像和客觀數據，引導學生通過鹽酸和醋酸稀釋過程中pH數據的分析，讓學生逐步構建濃度對醋酸電離平衡的影響，從而有效突破該難點。

3.同離子效應的影響

教學設計思路：

探究實驗三：取上述0.1mol·L的醋酸溶液20ml，按實驗二操作測定其pH值;再向其中加入約1g的醋酸銨固體，充分攪拌后，按實驗二操作測定其pH值。

實驗數據：

表2 ? ?相關溶液的pH數據

問題探究：已知醋酸銨固體在水溶液中為中性，結合表中數據分析醋酸銨的加入對醋酸電離平衡的影響？

問題解決：在教師引導下，學生通過討論得出相關結論：

由于醋酸銨溶液顯中性，排除了自身pH對醋酸溶液pH的影響，由此可以推出應該是醋酸根的引入，使得溶液中醋酸根離子的濃度增大，從而抑制醋酸的電離平衡，使溶液中氫離子濃度下降，從而引起pH的升高。

總結提升：同離子效應抑制弱電解質的電離平衡。

評析：此處巧妙引入醋酸銨這種在水溶液中顯中性的物質，測其加入前后醋酸溶液的pH，討論其加入對醋酸電離平衡的影響。學生結合醋酸銨的特點及實驗數據，很容易從化學平衡原理的角度分析其對弱電解質電離的影響。

二、教學小結

本教學片斷，教師充分運用數字化實驗技術，以三個探究實驗為線索，引導學生通過圖表和數據分析，逐步推出影響電離平衡的三個外因，有效突破該節課的教學重難點。整節課的教學，充分體現了教學過程應以教師為主導、學生為主體的教學模式，在教學過程中學生具有較強的好奇心和探究欲，學生的圖像、數據分析能力、自主討論、說理能力都得到有效提升。可以說，數字化實驗技術充分應用于中學化學教學更有助于課堂教學三維目標的實現。

參考文獻：

[1]北京師范大學國家基礎教育課程標準實驗教材總編委會組編.普通高中化學課程標準實驗教科書（化學反應原理選修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2011：7.