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基于數字化信息系統(DIS)的高中化學實驗教學研究——以“影響鹽類的水解因素”為例 王永龍

發布人:管理員 時間:2022-02-20 15:13:26 點擊數:719

摘要:將數字化實驗用于高中化學實驗教學,高中必修4中的“影響鹽類的水解因素”為例,探究在傳統教學方法的基礎上運用數字化實驗探究了 “鹽類水解”這一課時的課堂教學中的應用。并且分析了數字化實驗在高中化學實驗教學中的意義。

  關鍵詞:數字化實驗  傳感器  鹽類的水解

 

一、問題的提出

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010-2020 年)》指出:要充分利用科技成果去開發新的學習資源和先進技術,整合現有資源,促進教育內容、教學手段和方法現代化,達到教學最優化,取得最佳的教育效果。近幾年以來,以傳感器為代表的數字化實驗設備逐漸進入中學化學實驗室,各個學校的數字化實驗在不斷的開展?;跀底只畔⑾到y(DIS)的高中化學實驗是指在化學實驗中,將傳感器、數據采集器和計算機相連接,利用相關軟件進行數據分析從而進行實驗,通過該實驗,可以將傳統實驗中的微觀變化轉化成宏觀的數據、圖表等形式,整合了信息技術與化學教學。

與傳統化學相比較,基于數字傳感技術的高中化學實驗,有許多突出的優點。比如操作簡單、現象直觀、數據準確、原理可視,實驗結果具有數據化、動態化、圖表化等特點,有利于突破教學重點和難點;

本文將以影響鹽類的水解因素為例,深入分析基于數字化信息系統(DIS)的高中化學實驗在化學實驗教學中的應用,比較與傳統實驗的差異,尋找數字化實驗在高中化學實驗教學中的意義。

二、影響鹽類水解的因素實驗教學

高中化學人教版必修4中關于影響鹽類的“鹽類水解”這一章中, “影響鹽類水解的主要因素”是比較抽象的,在傳統的教學中,老師和學生對這一知識點的理解主要依靠化學平衡原理進行分析,使得許多學生理解起來存在較大的困難。如果在這一部分的教學中利用數字化實驗,許多難點問題就可以迎刃而解。

1.實驗設計思路

   鹽類的水解是可逆反應,改變外界條件,比如溫度,濃度等,都會影響鹽類的水解程度。本實驗以探究Al2SO43溶液水解平衡的因素。通過改變溫度,濃度等因素,探究溶液酸堿性的變化情況,推斷水解程度的大小。

Al2SO43是一種強酸弱堿鹽,但水解方程式為:Al3++3H2O ? Al(OH)3+3H+。反應物和生成物濃度以及溫度都會影響影響該水解平衡的移動。在實驗中,主要利用PH傳感器測量溶液的PH值隨溫度和濃度的變化,從而判斷溶液中H+濃度的變化情況,進而探究影響Al2SO43水解的主要因素及如何影響。

2.實驗儀器、試劑

  儀器:計算機、PH傳感器、數據采集器、水浴鍋、溫度傳感器、100ml6個)、容量瓶(250ml)、移液管(20ml);

試劑:0.5mol/L Al2SO43溶液、H2SO4aq)、NaOH(aq)、蒸餾水。

  3.實驗方法及結果分析

1)實驗方法

     ①探究生成物H2SO4濃度對Al2SO43溶液水解的影響

     PH傳感器、數據采集器以及計算機連接好,打開計算機上的SWR軟件。配制0.5mol/LAl2SO43溶液,用移液管量分別取20ml Al2SO43溶液于6個燒杯中,再分別向上述燒杯中依次滴入05滴數H2SO4溶液。將用蒸餾水清洗過的PH探頭放入Al2SO43溶液中,開啟數據采集器,分別測量上述6組加入不同量H2SO4溶液的Al2SO43溶液的PH值。

  ②探究反應物濃度對Al2SO43溶液水解的影響

    0.5mol/L Al2SO43溶液分別加水稀釋為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組。并測量5組溶液的PH值。

   ③探究溫度對Al2SO43溶液水解的影響

   20ml配制好的0.5 mol/L Al2SO43溶液,用溫度傳感器測量Al2SO43溶液的初始溫度。然后用恒溫水浴鍋分別將其加熱,測量溫度分別為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃時的PH值。

2)結果分析

①圖1為加入不同滴數H2SO4溶液后得到的Al2SO43溶液的不同PH溶液PH—生成物濃度變化曲線??梢钥闯?,在其它條件相同的情況下,溶液的PH隨著生成物濃度的增大而增減小。溶液的pH減小,說明氫離子濃度增大了,但事實上平衡是逆向進行。教師可以引導,根據勒夏特列原理可以很好的解決這個問題。從而幫助學生理解了這個難點問題。

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1 不同滴數硫酸Al2SO43溶液的pH變化曲線

②圖2為不同濃度的Al2SO43溶液下的的pH曲線。由該曲線可以看出,隨著Al2SO43溶液濃度的增大,溶液的PH逐漸減小。由此表明反應物濃度的增大可以促進Al2SO43溶液的水解。

 

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2 不同濃度Al2SO43溶液的pH變化曲線

③不同溫度下Al2SO43溶液的pH變化曲線如圖3所示。由圖像可以看出:隨著溫度的升高,溶液的pH值依次減小,說明溶液中的H+濃度增大,平衡正向移動,表明水解反應是吸熱反應,升高溫度可以促進水解反應的進行。

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3不同溫度下Al2SO43溶液的pH變化曲線

由以上3組實驗可以發現, 影響Al3+水解的主要因素有溫度、反應物濃度和生成物濃度,溫度升高有利于Al3+ 水解,反應物濃度增大也有利于Al3+ 水解,而生成物濃度增大不利于Al3+ 水解。

三、高中化學數字實驗教學的意義

1.揭示化學反應原理更加直觀。

化學原理的教學往往比較抽象,學生理解起來比較困難。所以,我們在教學過程中,借助于數字化實驗,能將許多抽象的理論知識形象化,從而提高學生的學習效率。比如,在“強電解質和弱電解質的教學中”,我們可以可以使用酸堿度傳感器測定巳知濃度鹽酸和醋酸的pH值,可以使用氣壓傳感器測定同濃度的鹽酸與醋酸和鎂條反應速率等,從而讓學生理解強弱電解質的本質是“是否完全電離”。

2 借助數字化實驗可以調動學生的學習興趣

興趣是最好的老師,但是,高中階段的化學理論知識比較抽象, 學生理解起來比較困難,久而久之,許多學生開始討厭學習化學。但是,如果我們充分發揮數字化實驗的直觀性特點,重新調動學生的學習興趣,就能使學生更加積極地參與到課堂活動之中,成為課堂的主體。

例如,在傳統實驗“不同催化劑對于同一化學反應的催化效果” 的教學中,我們通過取2份體積相同的2%濃度的雙氧水溶液,分別加入FeC13溶液和MnO2 固體,觀察產生氣泡的快慢程度,就可以定性地了解催化效果。而在數字化實驗中,我們使用氣體壓力傳感器,就可通過計算機的數據處理功能繪制出Pt圖像,做到定量分析。比較來看,傳統實驗對于實驗現象的描述比較主觀,實驗現象、僅僅是產生氣體,是非常常見的實驗現象,很難激發學生的興趣。在數字化實驗引入氣體壓力傳感器和計算機之后,實驗現象以另外一種面貌出現。更加直觀,這對培養學生學習興趣的無疑大有好處。

3. 傳統與數字化優勢互補,重在合理整合

數字化實驗是時代進步的產物,兩者是優勢互補的關系,不存在孰優孰劣之分,也不意味著數字化實驗一定能替代傳統實驗。相反,數字化實驗手段豐富了傳統實驗, 使傳統實驗有了新的發展。在使用中,一方面,拓寬了學生的視野另一方面,也給教師帶來了機遇和挑戰,要求老師學會對傳統實驗進行“二次開發”, 努力開發數字化設備的潛在的教育教學功能和價值, 合理地將其與傳統實驗教學整合起來, 彌補傳統實驗教學的不足, 使其更好服務于高中化學教育教學。

參考文獻:

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