李巨超

(河池學(xué)院 化生系,廣西 宜州 546300)

計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)例

李巨超

(河池學(xué)院 化生系,廣西 宜州 546300)

應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)包括互聯(lián)網(wǎng)以及相關(guān)的應(yīng)用軟件,可以在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)揮強(qiáng)大的作用,廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)與評(píng)價(jià)。尤其是用于處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),解決繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算問(wèn)題,具有不可替代的優(yōu)越性。熟練運(yùn)用這些計(jì)算機(jī)技術(shù),能夠大大增強(qiáng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果,開(kāi)拓實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新局面。

計(jì)算機(jī);化學(xué)實(shí)驗(yàn);教學(xué);數(shù)據(jù)處理

計(jì)算機(jī)技術(shù)在化學(xué)教學(xué)以及教改研究上有著廣闊的用途,而對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué),除了制作教學(xué)軟件開(kāi)展多媒體教學(xué)、運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行教學(xué)等常規(guī)應(yīng)用外,還有更多層次、內(nèi)容更為豐富的應(yīng)用,尤其是運(yùn)用軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),運(yùn)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果,模擬實(shí)驗(yàn)操作等,具有獨(dú)特的優(yōu)越性。

一、運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

學(xué)生在上實(shí)驗(yàn)課之前,都必須進(jìn)行預(yù)習(xí),以便在實(shí)驗(yàn)課中能夠有的放矢,順利完成實(shí)驗(yàn),達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)定目的。許多情況下,學(xué)生都不具備到實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)的條件,如果只是看看教材和一些參考書(shū),收效不大,預(yù)習(xí)效果不夠理想,而互聯(lián)網(wǎng)及各種教學(xué)軟件給我們提供了廣闊的學(xué)習(xí)空間。

(一)通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)上查閱資料進(jìn)行預(yù)習(xí)

國(guó)內(nèi)辦學(xué)比較成熟的高校,如果具有相關(guān)專(zhuān)業(yè),大都在網(wǎng)上有化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站。在搜索引擎中輸入“化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心”,可以找到數(shù)以百計(jì)的高校化學(xué)實(shí)驗(yàn) (教學(xué))中心的網(wǎng)址。在前面冠以某某高校的名稱(chēng),就可以直接搜索到該校的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心網(wǎng)址。在這些網(wǎng)站中,都有很豐富的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資料,具體到我們需要了解的某個(gè)實(shí)驗(yàn)的原理、方法、方案、應(yīng)用的儀器試劑、實(shí)驗(yàn)裝置圖、注意事項(xiàng)以及成敗的關(guān)鍵。有些網(wǎng)站還提供演示實(shí)驗(yàn)操作的視頻,讓我們能直觀(guān)地看到實(shí)驗(yàn)操作方法,還有相關(guān)的實(shí)用附錄資料如溶液的配制、指示劑的應(yīng)用、計(jì)算公式等等。如果想直接了解某個(gè)實(shí)驗(yàn),可在搜索引擎中輸入實(shí)驗(yàn)名稱(chēng),例如“化學(xué)反應(yīng)速率及活化能的測(cè)定”、“硫酸亞鐵銨的制備”等,即可很快找到相關(guān)的教學(xué)參考資料。通過(guò)網(wǎng)上查閱資料來(lái)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn),學(xué)習(xí)效率非常高,效果比單純看書(shū)好得多。

(二)運(yùn)用模擬、仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)

“仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”、Chemlab以及類(lèi)似的軟件都是在電腦上進(jìn)行模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)式教學(xué)軟件。學(xué)習(xí)者可在一個(gè)虛擬的可視化的平臺(tái)上,采用虛擬 (圖形)的實(shí)驗(yàn)儀器和試劑,進(jìn)行模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作,達(dá)到訓(xùn)練、掌握實(shí)驗(yàn)操作方法和技能的目的。

1.“仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的功能

“仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的一個(gè)可單機(jī)使用的交互式教學(xué)軟件,其中包含化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、三維分子模型和化學(xué)資料中心。調(diào)用內(nèi)置的“儀器庫(kù)”,能夠“裝配”復(fù)雜的化學(xué)實(shí)驗(yàn)“裝置”,可以進(jìn)行許多虛擬但又逼真的化學(xué)定性和定量實(shí)驗(yàn);利用“三維分子”可以制作出各種常見(jiàn)有機(jī)分子 (烯、炔、鹵代烴、醇、醛、羧酸、酯等)的三維模型,并可制作成動(dòng)畫(huà);化學(xué)資料中心是以元素周期表為主線(xiàn)的化學(xué)資料庫(kù),可以便捷地查找所需要的元素或化合物的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2. “仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”的使用實(shí)例

以實(shí)驗(yàn)室制取 Cl2的為例,介紹其使用方法。

步驟 1,組配實(shí)驗(yàn)裝置:運(yùn)行“仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”,在窗口左邊的儀器器件箱中 (圖 1),用鼠標(biāo)點(diǎn)擊所需的儀器及配件,再在實(shí)驗(yàn)區(qū)中點(diǎn)擊一下鼠標(biāo)就可以把該儀器放在實(shí)驗(yàn)區(qū)中了。然后拖動(dòng)到適當(dāng)位置,組成本實(shí)驗(yàn)的裝置圖 (圖 2)。

步驟 2,往容器中添加藥品:用鼠標(biāo)右擊需要加藥品的容器,在彈出的菜單中點(diǎn)擊“添加藥品”,這時(shí)會(huì)彈出“添加藥品”對(duì)話(huà)框 (圖 3)。

從“固體、液體、氣體、溶質(zhì)、溶液、離子”選項(xiàng)中選擇所需類(lèi)型,再找到具體的藥品名稱(chēng),然后輸入需要添加的量,最后點(diǎn)擊“添加”按鈕就可以了。

步驟 3,啟動(dòng)智能反應(yīng)與定制反應(yīng):“仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”具有智能處理反應(yīng)功能,可根據(jù)容器中的藥品和環(huán)境自動(dòng)從方程式庫(kù)中搜索可能存在的反應(yīng)方程式,并按這些方程式進(jìn)行計(jì)算。點(diǎn)擊工具欄中的運(yùn)行按鈕,設(shè)置為運(yùn)行狀態(tài)。再點(diǎn)擊分液漏斗,分液漏斗右邊會(huì)出現(xiàn)一排按鈕,點(diǎn)擊“打開(kāi)”就可以把分液漏斗中的鹽酸加入到燒瓶中了。這時(shí)反應(yīng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行了。為了準(zhǔn)確地控制實(shí)驗(yàn),需要對(duì)發(fā)生的反應(yīng)進(jìn)行定制:右擊燒瓶,選擇“屬性”,再選擇“容器中的反應(yīng)”,彈出顯示可能發(fā)生反應(yīng)的對(duì)話(huà)框。對(duì)于可以不考慮的反應(yīng),可以點(diǎn)擊“刪除”。修改后將“容器相關(guān)設(shè)置”項(xiàng)目中“智能處理反應(yīng)”選項(xiàng)設(shè)置為不選中狀態(tài)。最后點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕,將出現(xiàn)預(yù)期的“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象”。

對(duì)于復(fù)雜的定量反應(yīng),模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)鼙憩F(xiàn)出更好的學(xué)習(xí)效果。通過(guò)適當(dāng)設(shè)置有關(guān)選項(xiàng)參數(shù),能夠進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算,還可以描繪反應(yīng)曲線(xiàn)圖形。

二、運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,經(jīng)常要對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、整理、分析和計(jì)算,并輔以圖表作直觀(guān)展示,解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并做出實(shí)驗(yàn)結(jié)論,最后求得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。傳統(tǒng)的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法是手工記錄整理數(shù)據(jù)、分析計(jì)算,以及在方格紙上描點(diǎn)作圖。此種方法工作量大,效率低,容易出現(xiàn)誤差。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有簡(jiǎn)便、快速、計(jì)算準(zhǔn)確、圖表精確,以及便于存檔和交互應(yīng)用等一系列優(yōu)越性。因此,越來(lái)越多的化學(xué)教師、科研和技術(shù)人員對(duì)此大力開(kāi)發(fā)應(yīng)用。目前,便于普及且應(yīng)用較廣泛的相關(guān)軟件有 Excel、Origin、VisualBasic以及 C語(yǔ)言程序等。

(一)運(yùn)用 Excel處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例

Excel是常用辦公軟件MicrosoftOffice中的組件之一,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算功能,可以用圖形直觀(guān)形象地描繪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),常用的功能有:①制作表格;②函數(shù)計(jì)算;③圖形表示。

1.碘化鉛溶度積常數(shù)測(cè)定的實(shí)驗(yàn)原理

用分光光度計(jì)測(cè)定 b,溶度積常數(shù) Ksp=(c-a-b2).b2

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

繪制 I-濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn):在 5支具塞比色管中分別加入 KI溶液 (0.0035 mol.L-1)、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0ml、KNO2溶液 (0.020mol.L-1)2ml、蒸餾水及 HCl 1滴 (6.0 mol.L-1)。搖勻后,分別倒入比色皿中。以水做參比溶液,測(cè)定 520 nm波長(zhǎng)的吸光度。以測(cè)得的吸光度值 A為縱坐標(biāo),以相應(yīng) I-濃度為橫坐標(biāo),繪制出 I-濃度的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)圖。

制備 PbI2飽和溶液:在 3支具塞比色管中,分別加入 5ml0.015 mol.L-1Pb(NO3)2溶液,再分別加入 3、4、5ml 0.035 mol-1KI溶液,加蒸餾水至每個(gè)試管中溶液體積為 10.00 ml;搖勻、靜止 30mni使其充分反應(yīng),然后過(guò)濾,將濾液分別保留于 3只燒杯中;取 3支小試管,分別移取以上制得的 PbI2飽和溶液,每支試管加入 4ml0.010mol.L-1KNO2溶液及 1滴 6.0 mol.L-1HCl溶液。搖勻后,分別裝入比色皿,測(cè)定 520 nm波長(zhǎng)的吸光度 (A′)。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與處理

表一 I-濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度 (A)的測(cè)定記錄與 Excel作圖表

表二 PbI2飽和溶液吸光度 (A′)的數(shù)據(jù)記錄與 Excel根據(jù) c(I-)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)計(jì)算出的 PbI2飽和溶液中 I-的濃度

表三 ksp(PbI2)測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

6.5794×10-5 6.4593×10-5 5.9916×10-5 Pb2+的初始濃度 /(mol.L-1):c 7.5×10-3 7.5×10-3 7.5×10-3 Pb2+的平衡濃度 /(mol.L-1):c-(a-b)/2 6.3057×10-3 4.5185×10-3 2.6203×10-3 ksp(PbI2):[c-(a-b)/2]×b2 41.4877×10-8 29.1863×10-8 15.6998×10-8 ksp(PbI2)的平均值 28.7913 ×10-8標(biāo)準(zhǔn)偏差 -S 1.29 c(I-)2:b2

(二)運(yùn)用 VisualBasic處理化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)例

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:用 EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液 (0.01 mol.L-1)測(cè)定樣品溶液中 Ca2+含量。進(jìn)行測(cè)定實(shí)驗(yàn)操作 (平行 3次),記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) (實(shí)驗(yàn)過(guò)程略)。

運(yùn)用程序設(shè)計(jì)軟件 VisualBasic設(shè)計(jì)一個(gè)“配位滴定計(jì)算程序”(設(shè)計(jì)過(guò)程略)。

啟動(dòng)配位滴定計(jì)算程序,彈出的對(duì)話(huà)窗口 (圖 5),在相關(guān)選項(xiàng)中進(jìn)行選擇以及輸入數(shù)值:

(1)待測(cè)離子種類(lèi):選擇 Ca2+;(2)待測(cè)溶液體積:輸入 25 mL;(3)溶液的 pH值:輸入 12.5;(4)標(biāo)類(lèi):選擇 EDTA;(5)標(biāo)定液濃度:輸入 0.01 mol.L-1;(6)滴定終點(diǎn)標(biāo)定液的體積:50 mL;(7)有無(wú)金屬離 (Y/N):輸入 N.單擊“確定”進(jìn)行計(jì)算.得計(jì)算結(jié)果為待測(cè)溶液濃度為 0.005 mol.L-1;單擊“顯示過(guò)程”,即可輸出“EDTA滴定 Ca2+結(jié)果”;在“輸出結(jié)果”窗體上選擇“顯示滴定曲線(xiàn)”,就會(huì)顯示滴定曲線(xiàn) (圖 6)。根據(jù)比較,運(yùn)行計(jì)算結(jié)果與按測(cè)定計(jì)算值相符,同時(shí)體現(xiàn)了便捷和準(zhǔn)確的優(yōu)越性。

三、結(jié)束語(yǔ)

用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的軟件,還有一些功能更強(qiáng)的但過(guò)于專(zhuān)業(yè)的工具,不一定適合一般的教學(xué)應(yīng)用。而類(lèi)似以上這些軟件,還有更多的功能、更巧妙的應(yīng)用方法有待開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),只要能夠充分運(yùn)用,完全可以滿(mǎn)足化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)據(jù)處理,并可以發(fā)揮更廣闊的用途。例如用“Excel”中制作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序表格,既可給學(xué)生用來(lái)書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,也可為教師用來(lái)驗(yàn)證學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果和分析實(shí)驗(yàn)問(wèn)題,以及制作實(shí)驗(yàn)試題答題和評(píng)價(jià)系統(tǒng),大大減少師生的工作量,提高教學(xué)效率。

[1]冷松.“仿真化學(xué)實(shí)驗(yàn)室”軟件簡(jiǎn)介及應(yīng)用示例[J].計(jì)算機(jī)在化學(xué)中的應(yīng)用,2006,(11).

[2]王紅斌.模擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件 -Model Chemla[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2001,(1).

[3]劉秀偉.淺談 EXCEL在化學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].青島教育學(xué)院學(xué)報(bào),2000,(2).

[4]岳宣峰.Excel軟件在酸堿滴定分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué),2006,(11).

[5]方奕文.VisualBasic語(yǔ)言在化學(xué)中的應(yīng)用[J].汕頭大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2002,(1).

G642.423

A

1672-9021(2010)S-0115-04

李巨超 (1954-),男,廣西平樂(lè)人,河池學(xué)院化生系高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,主要研究方向:無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn),現(xiàn)代教育技術(shù)。

2010-06-20

[責(zé)任編輯 賀衛(wèi)國(guó) ]