浅析传统实验和数字实验在化学反应原理模块教学中的融合应用
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作者:郑彦军
摘 要：在高中化学实验中，传统实验仪器成本低、操作简便、现象明显，主要对实验结果作定性分析，培养学生仪器的规范操作能力和现象观察能力，而数字实验能够把复杂实验或数据变得简单明了、直观化和定量化，侧重于科学探究能力和思维辨析能力的培养。在化学反应原理模块的教学中，如何把传统实验和数字实验有机的融合运用，从而提高教师的教学效率和学生的学习效率，显得尤为重要。本文以醋酸的电离平衡为例，浅析传统实验和数字实验在化学反应原理模块教学中的融合应用。
关键词：传统实验;数字实验;融合应用;醋酸电离平衡
人教版选修四《化学反应原理》模块是高中化学学习的重点和难点，而且新高考改革以后在高考中所占的比重也在增大。但本模块内容理论性很强，且抽象难懂，学生理解起来很困难，学起来很费力。这对教师的教学策略和教学方法提出了更高的要求。新课改实行以来，尽管教师的教学方法由以前的满堂灌的教学向学生为主体、教师引导、小组合作探究，质疑、答疑等师生合作交流的教学探究式教学模式转变，但化学反应原理主要以微观理论为主，造成学习的抽象性，学生很难理解和掌握，虽然教师也尽可能采用传统实验演示帮助学生理解，但很多原理无法通过传统实验很直观地解释，所以教师迫不得已采取直接讲授的教学模式，这会造成学生学习兴趣不足，知识掌握程度下降，课堂效率低下，不利于学生科学探究能力和创新意识的培养。化学平衡知识点在该模块中起到承上启下的作用，只要学生具备了扎实的化学平衡平衡思想，对学生学习后面的化学平衡在溶液中的应用——电离平衡、水解平衡、溶解平衡起到事半功倍的作用。
近年来，随着计算机技术的发展，以及新课改对学生科学探究能力和创新能力的要求，数字实验（DIS）在高中化学学科中的应用也越来越被重视。数字实验主要由传感器、数据采集器、数据传输线、计算机组成。由传感器将检测的实验数据，经数据线和数据采集器传送至计算机，再由计算机相关软件进行数据和图形分析、处理，得到实验结果。传统化学实验由于仪器相对价格便宜，操作简单，实验现象明显，一直是普遍采用的方法，但有些原理或知识传统实验无法很直观地解释，而数字实验恰好能弥补传统实验这方面的不足，而且实验结果能以图形的形式呈现出来。两种实验方法各有优缺点，所以在教学中也要有灵活地将传统实验和数字实验融合运用。所以本文以醋酸的电离平衡为例，浅析传统实验和数字实验在高中化学教学中的融合应用。
一、 醋酸电离平衡的实验教学设计思想
醋酸电离平衡是化学平衡思想在溶液中的应用之一，传统的讲授法课堂很难让学生理解醋酸的部分电离，以及醋酸中是否存在电离平衡状态，电离平衡是否会随着条件的改变而发生移动，这些问题学生都会质疑。所以这节课的教学设计主要借助传统实验和数字实验相结合的感性认识和理性辨析穿插的探究式教学方式。本节课探究内容主要围绕证明醋酸是弱电解质和证明醋酸中存在电离平衡这两大活动进行。
（一）探究一：证明醋酸是弱电解质
以学生比较熟悉的盐酸做对比实验，采用传统试管实验，用同浓度同体积的盐酸和醋酸溶液分别与等量的镁条反应，让学生观察现象。学生通过观察到的现象不同引出问题：同浓度盐酸和醋酸的电离程度到底不同到什么程度？然后采用數字实验中的pH传感器测量两溶液的pH值，让学生把pH数值通过pH=-lgc（H+）或c（H+）=10-pH转换成氢离子浓度，从而证明醋酸是“部分电离”即弱电解质。
在这个探究实验中，两种酸和镁条的反应采用传统实验，因为该实验现象明显、操作简单，而数字实验组装和操作相对较复杂。在测两溶液的pH时，因为要进行计算验证，所以对实验数据的准确性要求很高，传统实验无法实现，故采用数字实验。
（二）探究二：证明醋酸溶液中存在电离平衡
要证明醋酸的电离能逆向进行的实验方法有强酸制弱酸和类似化学平衡移动的方法，这两种方法要设计实验的话，由于传统实验的实验现象不明显，所以采用数字实验的方法运用化学平衡移动思想设计实验。
（1）探究温度对醋酸电离平衡的影响：缓慢加热0.1mol/LCH3COOH溶液，用pH传感器采集溶液中pH数值的变化。
（2）探究改变离子浓度对醋酸电离平衡的影响：向0.1mol/LCH3COOH溶液中加入少量的醋酸铵粉末，用pH传感器采集溶液中pH数值的变化。
（3）探究醋酸浓度对其电离平衡的影响：向冰醋酸中缓慢加蒸馏水，用电导率传感器采集溶液中电导率数值的变化。
探究二通过数字实验的方法，既证明了醋酸溶液中存在电离平衡，还进一步验证了化学平衡移动思想在电离平衡移动中的进一步迁移应用，激发了学生学习化学的浓厚兴趣，增强化学知识的迁移能力和科学探究能力，对以后的水解平衡和溶解平衡的学习打下了坚实的基础。
二、 实验过程
（一）证明醋酸是弱电解质
1. 主要仪器和药品：试管、数字实验系统，pH传感器、0.1mol/LCH3COOH溶液、0.1mol/LHCl溶液、镁条。
2. 实验步骤：取两支试管，分别加入5mL0.1mol/LCH3COOH溶液和0.1mol/LHCl溶液，向两支试管中加入大小一样的镁条。用pH传感器分别测 0.1mol/LCH3COOH 溶液和0.1mol/LHCl溶液的pH。
3. 结果与分析
学生观察实验现象：0.1mol/LHCl溶液与镁条反应剧烈，0.1mol/LCH3COOH溶液与镁条反应较剧烈。最后得出结论：同浓度的醋酸酸性比盐酸弱。这个时候就产生了问题：同浓度的盐酸和醋酸的酸性为什么不同？到底同浓度下盐酸和醋酸的酸性有多强？然后通过反应的本质是两种酸电离出的氢离子和镁条反应去引导分析，学生很容易想到同浓度下盐酸和醋酸中的氢离子不同造成了实验一的现象不同，从而进行实验二的操作，通过pH传感器测定pH，然后让学生把pH数值通过pH=-lgc（H+）或c（H+）=10-pH转换成氢离子浓度，从而证明盐酸是“全部电离”即强电解质，而醋酸是“部分电离”即弱电解质。 （二）证明醋酸溶液中存在电离平衡
通过上述实验证明，醋酸可以正向电离成醋酸根离子和氢离子。那如何证明醋酸根离子和氢离子可以结合成醋酸分子呢？在这里学生会想到通过前面已经学习过的化学平衡移动的原理去分析和验证，我们引导学生分析影响醋酸电离平衡的因素，学生从影响化学平衡的因素：温度、浓度和压强中筛选出温度和浓度两个因素，所以学生会提出两个实验方案，即分别改变温度和压强来观察醋酸的电离会不会逆向进行，我们分别通过实验来验证。
1. 探究温度对醋酸电离的影响
（1）主要仪器及药品：0.1mol/LCH3COOH溶液、可加热磁力搅拌器、数字实验系统、温度传感器、pH传感器、50mL小烧杯。
（2）实验步骤：如图1组装实验仪器，在50mL小烧杯中加入30mL0.1mol/LCH3COOH溶液，在搅拌下打开磁力搅拌器加热开关，缓慢加热，通过pH传感器采集溶液的pH数据，通过温度传感器采集溶液的温度数据。
（3）结果分析：
实验结果如图2所示，随着醋酸溶液的温度不断升高，溶液的pH不断减小。说明加热有促进醋酸的电离，醋酸分子不断电离成醋酸根离子和氢离子，溶液中氢离子浓度增大，溶液的pH不断减小。
2. 探究改变离子浓度对醋酸电离的影响
（1）主要仪器及药品：0.1mol/LCH3COOH溶液、醋酸铵粉末、磁力搅拌器、数字实验系统、pH传感器、50mL小烧杯。
（2）实验步骤：如图3组装实验仪器，在50mL小烧杯中加入30mL0.1mol/LCH3COOH溶液，在磁力搅拌器搅拌下向烧杯中加入少量醋酸铵粉末，通过pH传感器采集溶液的pH数据。
（3）结果分析：
结果如图4所示，醋酸溶液中加入少量醋酸铵粉末，溶液的pH增大，说明加入醋酸铵造成溶液中醋酸根离子的浓度增大，结合化学平衡移动的分析，醋酸根离子和氢离子结合生成醋酸分子，从而造成溶液中的氢离子浓度减小，溶液的pH增大，证明醋酸的电离可以逆向进行。
3. 探究稀释冰醋酸对醋酸电离的影响
（1）主要仪器及药品：冰醋酸、蒸馏水、磁力搅拌器、数字实验系统、电导率传感器、100mL小烧杯。
（2）实验步骤：如图5组装实验仪器，在100mL小烧杯中加入20mL冰醋酸，在磁力搅拌器搅拌下向烧杯中不断加入蒸馏水，通过电导率传感器采集溶液的电导率数据。
（3）结果分析：
结果如图6所示，通过图像发现冰醋酸中随着加水量的增加，溶液的导电率先升高后降低，引导学生分析原因。初始时，冰醋酸电离电离程度很微弱，故此時离子浓度几乎为零，导电率几乎为零，加入少量水时，醋酸的电离程度不断增大，溶液中离子浓度增大，但是加水又起到稀释作用造成离子浓度减小，这时学生陷入了矛盾之中，引导学生从图像的上升段分析，说明这时电离效应大于稀释效应，电离出的离子浓度不断增大，导电率不断增大。继续加入大量水时，溶液的稀释效应大于醋酸的电离效应，溶液中的离子浓度反而下降，所以电导率下降。
三、 总结
本实验教学中，针对学习对醋酸电离平衡知识点的理解难易、实验现象明显与否、实验操作的方便性，综合考虑，灵活选择不同的实验方法，把传统实验和数字实验有机融合，通过操作简便的传统实验，学生观察到明显的实验现象，很好地理解了教学内容，激发了学生学习化学的兴趣。同时对于难以用传统实验解释的电离平衡移动问题，选择利用数字实验，把难以直接观察的实验现象以数字或图形的形式呈现出来，很直观，学生很容易理解和掌握。课堂中学生的思维跌宕起伏，既有严密逻辑推理，又有激烈的思维辩证、思维的对立和统一，也培养了学生在科学研究中的质疑精神，激发了学生对科学探究的兴趣。
在化学反应原理模块的教学中如何将传统实验和数字实验很好的有机融合，要了解两种实验方法的各自特点，再结合学生对所学内容的理解程度来选择，一般对于现象比较明显，能够很好地解释实验目的的实验和要求学生必须掌握实验操作技能类的实验，最好选择传统实验;对于原理性较强、通过传统实验学生理解比较困难、学生探究型的实验，选择数字实验。两种实验方法各有优缺点，在教学中合理、灵活的融合使用，各尽其能，优势互补，对提高教学效率有很大帮助作用。
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作者简介：
郑彦军，甘肃省定西市，甘肃省定西市安定区东方红中学。
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