淺析傳統實驗和數字實驗在化學反應原理模塊教學中的融合應用

摘?要：在高中化學實驗中，傳統實驗儀器成本低、操作簡便、現象明顯，主要對實驗結果作定性分析，培養學生儀器的規范操作能力和現象觀察能力，而數字實驗能夠把復雜實驗或數據變得簡單明了、直觀化和定量化，側重于科學探究能力和思維辨析能力的培養。在化學反應原理模塊的教學中，如何把傳統實驗和數字實驗有機的融合運用，從而提高教師的教學效率和學生的學習效率，顯得尤為重要。本文以醋酸的電離平衡為例，淺析傳統實驗和數字實驗在化學反應原理模塊教學中的融合應用。

關鍵詞：傳統實驗;數字實驗;融合應用;醋酸電離平衡

人教版選修四《化學反應原理》模塊是高中化學學習的重點和難點，而且新高考改革以后在高考中所占的比重也在增大。但本模塊內容理論性很強，且抽象難懂，學生理解起來很困難，學起來很費力。這對教師的教學策略和教學方法提出了更高的要求。新課改實行以來，盡管教師的教學方法由以前的滿堂灌的教學向學生為主體、教師引導、小組合作探究，質疑、答疑等師生合作交流的教學探究式教學模式轉變，但化學反應原理主要以微觀理論為主，造成學習的抽象性，學生很難理解和掌握，雖然教師也盡可能采用傳統實驗演示幫助學生理解，但很多原理無法通過傳統實驗很直觀地解釋，所以教師迫不得已采取直接講授的教學模式，這會造成學生學習興趣不足，知識掌握程度下降，課堂效率低下，不利于學生科學探究能力和創新意識的培養。化學平衡知識點在該模塊中起到承上啟下的作用，只要學生具備了扎實的化學平衡平衡思想，對學生學習后面的化學平衡在溶液中的應用——電離平衡、水解平衡、溶解平衡起到事半功倍的作用。

近年來，隨著計算機技術的發展，以及新課改對學生科學探究能力和創新能力的要求，數字實驗（DIS）在高中化學學科中的應用也越來越被重視。數字實驗主要由傳感器、數據采集器、數據傳輸線、計算機組成。由傳感器將檢測的實驗數據，經數據線和數據采集器傳送至計算機，再由計算機相關軟件進行數據和圖形分析、處理，得到實驗結果。傳統化學實驗由于儀器相對價格便宜，操作簡單，實驗現象明顯，一直是普遍采用的方法，但有些原理或知識傳統實驗無法很直觀地解釋，而數字實驗恰好能彌補傳統實驗這方面的不足，而且實驗結果能以圖形的形式呈現出來。兩種實驗方法各有優缺點，所以在教學中也要有靈活地將傳統實驗和數字實驗融合運用。所以本文以醋酸的電離平衡為例，淺析傳統實驗和數字實驗在高中化學教學中的融合應用。

一、 醋酸電離平衡的實驗教學設計思想

醋酸電離平衡是化學平衡思想在溶液中的應用之一，傳統的講授法課堂很難讓學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，電離平衡是否會隨著條件的改變而發生移動，這些問題學生都會質疑。所以這節課的教學設計主要借助傳統實驗和數字實驗相結合的感性認識和理性辨析穿插的探究式教學方式。本節課探究內容主要圍繞證明醋酸是弱電解質和證明醋酸中存在電離平衡這兩大活動進行。

（一）探究一：證明醋酸是弱電解質

以學生比較熟悉的鹽酸做對比實驗，采用傳統試管實驗，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，讓學生觀察現象。學生通過觀察到的現象不同引出問題：同濃度鹽酸和醋酸的電離程度到底不同到什么程度？然后采用數字實驗中的pH傳感器測量兩溶液的pH值，讓學生把pH數值通過pH=-lgc（H+）或c（H+）=10-pH轉換成氫離子濃度，從而證明醋酸是“部分電離”即弱電解質。

在這個探究實驗中，兩種酸和鎂條的反應采用傳統實驗，因為該實驗現象明顯、操作簡單，而數字實驗組裝和操作相對較復雜。在測兩溶液的pH時，因為要進行計算驗證，所以對實驗數據的準確性要求很高，傳統實驗無法實現，故采用數字實驗。

（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行的實驗方法有強酸制弱酸和類似化學平衡移動的方法，這兩種方法要設計實驗的話，由于傳統實驗的實驗現象不明顯，所以采用數字實驗的方法運用化學平衡移動思想設計實驗。

（1）探究溫度對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數值的變化。

（2）探究改變離子濃度對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數值的變化。

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

探究二通過數字實驗的方法，既證明了醋酸溶液中存在電離平衡，還進一步驗證了化學平衡移動思想在電離平衡移動中的進一步遷移應用，激發了學生學習化學的濃厚興趣，增強化學知識的遷移能力和科學探究能力，對以后的水解平衡和溶解平衡的學習打下了堅實的基礎。

二、 實驗過程

（一）證明醋酸是弱電解質

1. 主要儀器和藥品：試管、數字實驗系統，pH傳感器、0.1mol/LCH3COOH溶液、0.1mol/LHCl溶液、鎂條。

2. 實驗步驟：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 0.1mol/LCH3COOH 溶液和0.1mol/LHCl溶液的pH。

3. 結果與分析

學生觀察實驗現象：0.1mol/LHCl溶液與鎂條反應劇烈，0.1mol/LCH3COOH溶液與鎂條反應較劇烈。最后得出結論：同濃度的醋酸酸性比鹽酸弱。這個時候就產生了問題：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？然后通過反應的本質是兩種酸電離出的氫離子和鎂條反應去引導分析，學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驗一的現象不同，從而進行實驗二的操作，通過pH傳感器測定pH，然后讓學生把pH數值通過pH=-lgc（H+）或c（H+）=10-pH轉換成氫離子濃度，從而證明鹽酸是“全部電離”即強電解質，而醋酸是“部分電離”即弱電解質。

（二）證明醋酸溶液中存在電離平衡

通過上述實驗證明，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合成醋酸分子呢？在這里學生會想到通過前面已經學習過的化學平衡移動的原理去分析和驗證，我們引導學生分析影響醋酸電離平衡的因素，學生從影響化學平衡的因素：溫度、濃度和壓強中篩選出溫度和濃度兩個因素，所以學生會提出兩個實驗方案，即分別改變溫度和壓強來觀察醋酸的電離會不會逆向進行，我們分別通過實驗來驗證。

1. 探究溫度對醋酸電離的影響

（1）主要儀器及藥品：0.1mol/LCH3COOH溶液、可加熱磁力攪拌器、數字實驗系統、溫度傳感器、pH傳感器、50mL小燒杯。

（2）實驗步驟：如圖1組裝實驗儀器，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，緩慢加熱，通過pH傳感器采集溶液的pH數據，通過溫度傳感器采集溶液的溫度數據。

（3）結果分析：

實驗結果如圖2所示，隨著醋酸溶液的溫度不斷升高，溶液的pH不斷減小。說明加熱有促進醋酸的電離，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、數字實驗系統、pH傳感器、50mL小燒杯。

（2）實驗步驟：如圖3組裝實驗儀器，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pH傳感器采集溶液的pH數據。

（3）結果分析：

結果如圖4所示，醋酸溶液中加入少量醋酸銨粉末，溶液的pH增大，說明加入醋酸銨造成溶液中醋酸根離子的濃度增大，結合化學平衡移動的分析，醋酸根離子和氫離子結合生成醋酸分子，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行。

3. 探究稀釋冰醋酸對醋酸電離的影響

（1）主要儀器及藥品：冰醋酸、蒸餾水、磁力攪拌器、數字實驗系統、電導率傳感器、100mL小燒杯。

（2）實驗步驟：如圖5組裝實驗儀器，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，通過電導率傳感器采集溶液的電導率數據。

（3）結果分析：

結果如圖6所示，通過圖像發現冰醋酸中隨著加水量的增加，溶液的導電率先升高后降低，引導學生分析原因。初始時，冰醋酸電離電離程度很微弱，故此時離子濃度幾乎為零，導電率幾乎為零，加入少量水時，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，這時學生陷入了矛盾之中，引導學生從圖像的上升段分析，說明這時電離效應大于稀釋效應，電離出的離子濃度不斷增大，導電率不斷增大。繼續加入大量水時，溶液的稀釋效應大于醋酸的電離效應，溶液中的離子濃度反而下降，所以電導率下降。

三、 總結

本實驗教學中，針對學習對醋酸電離平衡知識點的理解難易、實驗現象明顯與否、實驗操作的方便性，綜合考慮，靈活選擇不同的實驗方法，把傳統實驗和數字實驗有機融合，通過操作簡便的傳統實驗，學生觀察到明顯的實驗現象，很好地理解了教學內容，激發了學生學習化學的興趣。同時對于難以用傳統實驗解釋的電離平衡移動問題，選擇利用數字實驗，把難以直接觀察的實驗現象以數字或圖形的形式呈現出來，很直觀，學生很容易理解和掌握。課堂中學生的思維跌宕起伏，既有嚴密邏輯推理，又有激烈的思維辯證、思維的對立和統一，也培養了學生在科學研究中的質疑精神，激發了學生對科學探究的興趣。

在化學反應原理模塊的教學中如何將傳統實驗和數字實驗很好的有機融合，要了解兩種實驗方法的各自特點，再結合學生對所學內容的理解程度來選擇，一般對于現象比較明顯，能夠很好地解釋實驗目的的實驗和要求學生必須掌握實驗操作技能類的實驗，最好選擇傳統實驗;對于原理性較強、通過傳統實驗學生理解比較困難、學生探究型的實驗，選擇數字實驗。兩種實驗方法各有優缺點，在教學中合理、靈活的融合使用，各盡其能，優勢互補，對提高教學效率有很大幫助作用。

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作者簡介：

鄭彥軍，甘肅省定西市，甘肅省定西市安定區東方紅中學。