基于数字化信息系统(DIS)的高中化学实验教学研究——以“影响盐类的水解因素”为例

发表时间:2019/3/14   来源:《中小学教育》2019年第357期   作者:朱步渊
[导读] 将数字化实验用于高中化学实验教学,高中必修4中的“影响盐类的水解因素”为例

甘肃省平凉市第一中学 744000
        摘 要:将数字化实验用于高中化学实验教学,高中必修4中的“影响盐类的水解因素”为例,探究在传统教学方法的基础上运用数字化实验探究了“盐类水解”这一课时的课堂教学中的应用,并且分析了数字化实验在高中化学实验教学中的意义。
        关键词:数字化实验 传感器 盐类的水解
        一、问题的提出
        《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020 年)》指出:要充分利用科技成果去开发新的学习资源和先进技术,整合现有资源,促进教育内容、教学手段和方法现代化,达到教学最优化,取得最佳的教育效果。近几年以来,以传感器为代表的数字化实验设备逐渐进入中学化学实验室,各个学校的数字化实验在不断地开展。基于数字化信息系统(DIS)的高中化学实验是指在化学实验中,将传感器、数据采集器和计算机相连接,利用相关软件进行数据分析从而进行实验。通过该实验,可以将传统实验中的微观变化转化成宏观的数据、图表等形式,整合了信息技术与化学教学。
        与传统化学相比较,基于数字传感技术的高中化学实验,有许多突出的优点,比如操作简单、现象直观、数据准确、原理可视,实验结果具有数据化、动态化、图表化等特点,有利于突破教学重点和难点;
        本文将以影响盐类的水解因素为例,深入分析基于数字化信息系统(DIS)的高中化学实验在化学实验教学中的应用,比较与传统实验的差异,寻找数字化实验在高中化学实验教学中的意义。
        二、影响盐类水解的因素实验教学
        高中化学人教版必修4中关于影响盐类的“盐类水解”这一章中,“影响盐类水解的主要因素”是比较抽象的。在传统的教学中,老师和学生对这一知识点的理解主要依靠化学平衡原理进行分析,使得许多学生理解起来存在较大的困难,如果在这一部分的教学中利用数字化实验,许多难点问题就可以迎刃而解。
        1.实验设计思路。
        盐类的水解是可逆反应,改变外界条件,比如温度,浓度等,都会影响盐类的水解程度。本实验以探究Al2(SO4)3溶液水解平衡的因素,通过改变温度,浓度等因素,探究溶液酸碱性的变化情况,推断水解程度的大小。Al2(SO4)3是一种强酸弱碱盐,但水解方程式为:Al3++3H2OAl(OH)3+3H+,反应物和生成物浓度以及温度都会影响影响该水解平衡的移动。在实验中,主要利用PH传感器测量溶液的PH值随温度和浓度的变化,从而判断溶液中H+浓度的变化情况,进而探究影响Al2(SO4)3水解的主要因素及如何影响。
        2.实验仪器、试剂。
        仪器:计算机、PH传感器、数据采集器、水浴锅、温度传感器、100ml(6个)、容量瓶(250ml)、移液管(20ml);试剂:0.5mol/L Al2(SO4)3溶液、H2SO4(aq)、NaOH(aq)、蒸馏水。
        3.实验方法及结果分析。
        (1)实验方法。①探究生成物H2SO4浓度对Al2(SO4)3溶液水解的影响。将PH传感器、数据采集器以及计算机连接好,打开计算机上的SWR软件。配制0.5mol/L的Al2(SO4)3溶液,用移液管量分别取20ml Al2(SO4)3溶液于6个烧杯中,再分别向上述烧杯中依次滴入0—5滴数H2SO4溶液。将用蒸馏水清洗过的PH探头放入Al2(SO4)3溶液中,开启数据采集器,分别测量上述6组加入不同量H2SO4溶液的Al2(SO4)3溶液的PH值。②探究反应物浓度对Al2(SO4)3溶液水解的影响。将0.5mol/L Al2(SO4)3溶液分别加水稀释为0.4 mol/L、0.3 mol/L、0.2 mol/L、0.1 mol/L和初始溶液一起共5组,并测量5组溶液的PH值。③探究温度对Al2(SO4)3溶液水解的影响。取20ml配制好的0.5 mol/L Al2(SO4)3溶液,用温度传感器测量Al2(SO4)3溶液的初始温度,然后用恒温水浴锅分别将其加热,测量温度分别为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃时的PH值。
        (2)结果分析。①图1为加入不同滴数H2SO4溶液后得到的Al2(SO4)3溶液的不同PH溶液PH—生成物浓度变化曲线。可以看出,在其它条件相同的情况下,溶液的PH随着生成物浓度的增大而增减小。溶液的pH减小,说明氢离子浓度增大了,但事实上平衡是逆向进行。教师可以引导,根据勒夏特列原理可以很好地解决这个问题,从而帮助学生理解了这个难点问题。
        
    

        
        
        
        图3.不同温度下Al2(SO4)3溶液的pH变化曲线
        由以上3组实验可以发现, 影响Al3+水解的主要因素有温度、反应物浓度和生成物浓度,温度升高有利于Al3+水解,反应物浓度增大也有利于Al3+水解,而生成物浓度增大不利于Al3+水解。
        三、高中化学数字实验教学的意义
        1.揭示化学反应原理更加直观。
        化学原理的教学往往比较抽象,学生理解起来比较困难。所以,我们在教学过程中,借助于数字化实验,能将许多抽象的理论知识形象化,从而提高学生的学习效率。比如,在“强电解质和弱电解质的教学中”,我们可以使用酸碱度传感器测定巳知浓度盐酸和醋酸的pH值,可以使用气压传感器测定同浓度的盐酸与醋酸和镁条反应速率等,从而让学生理解强弱电解质的本质是“是否完全电离”。
        2.借助数字化实验可以调动学生的学习兴趣。
        兴趣是最好的老师,但是,高中阶段的化学理论知识比较抽象, 学生理解起来比较困难,久而久之,许多学生开始讨厌学习化学。但是,如果我们充分发挥数字化实验的直观性的特点,重新调动学生的学习兴趣,就能使学生更加积极地参与到课堂活动之中,成为课堂的主体。
        3.传统与数字化优势互补,重在合理整合。
        数字化实验是时代进步的产物,两者是优势互补的关系,不存在孰优孰劣之分,也不意味着数字化实验一定能替代传统实验。相反,数字化实验手段丰富了传统实验, 使传统实验有了新的发展。在使用中,一方面,拓宽了学生的视野;另一方面,也给教师带来了机遇和挑战,要求老师学会对传统实验进行“二次开发”, 努力开发数字化设备的潜在的教育教学功能和价值, 合理地将其与传统实验教学整合起来, 弥补传统实验教学的不足,使其更好地服务于高中化学教育教学。
        参考文献
        [1]朱鹏飞 马宏佳 等 利用传感技术对硫酸铜与氢氧化钠反应的实验研究[J].中学化学教学参考,2008,(9),34-36。
        [2]曾青华 基于数字实验的初中化学教学的实践与思考[J].教育信息技术,2015,(6)。
        [3]潘长有 浅谈传统演示实验与传感器整合——提高实验教学效果[J].科技资讯,2010,(23)。

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