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        基于Corel軟件的四重表征設(shè)計(jì)在酸堿滴定中的運(yùn)用

        2020-12-16 10:57:48金曉董
        廣州化工 2020年23期
        關(guān)鍵詞:指示劑酸堿軟件

        金曉董,徐 杲

        (海寧衛(wèi)生學(xué)校藥學(xué)教研組,浙江 海寧 314400)

        1 問(wèn)題的提出

        2019年國(guó)務(wù)院印發(fā)了國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案,鼓勵(lì)有條件的企業(yè)特別是大企業(yè)舉辦高質(zhì)量職業(yè)教育,職業(yè)教育越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注,隨之的要求也就逐漸增高。中等職業(yè)教育是職業(yè)教育的有機(jī)組成,是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的人才資源支撐。但是隨著中職教育的大眾化,必然導(dǎo)致中職藥學(xué)專業(yè)新生的生源質(zhì)量下降,其化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)比較薄弱,參差不齊,如何使這批學(xué)生在中職教育中重新找回信心,這就需要教師利用現(xiàn)代化的教學(xué)手段,設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的課堂教學(xué)過(guò)程。

        《分析化學(xué)》是藥學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)課程,是一門關(guān)于實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和理論相結(jié)合的應(yīng)用性學(xué)科。酸堿滴定作為《分析化學(xué)》教學(xué)中的第一個(gè)定量實(shí)驗(yàn),主要包括酸堿滴定原理、滴定曲線、滴定突躍、化學(xué)計(jì)量點(diǎn)及指示劑的選擇等知識(shí)點(diǎn)[1]。它是學(xué)生在學(xué)習(xí)中最感困難的概念之一,既是分析化學(xué)定量分析的精髓,也是藥學(xué)專業(yè)學(xué)生必須掌握的基本操作技能。

        表1 酸堿中和滴定對(duì)應(yīng)的四重表征

        華南師范大學(xué)錢揚(yáng)義教授等提出了概念教學(xué)的“四重表征”教學(xué)理論,通過(guò)“四重表征”,深入透徹的認(rèn)識(shí)對(duì)物質(zhì)及其反應(yīng)。根據(jù)這一教學(xué)理論,筆者將酸堿中和滴定的“四重表征”作如下定義[2-3]。

        傳統(tǒng)的酸堿中和滴定的教學(xué)是以理論計(jì)算為結(jié)果作出pH-V曲線,通過(guò)滴定曲線解釋滴定突躍,再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作教學(xué)。這種簡(jiǎn)單的從“計(jì)算-pH-V曲線”的教學(xué),使酸堿中和滴定的“曲線表征”十分抽象,學(xué)生難以理解pH-V曲線的變化過(guò)程。

        教師應(yīng)在酸堿中和滴定教學(xué)過(guò)程中展示宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征、曲線表征,以便于不同的學(xué)生選擇合適的方式,建立符合自己認(rèn)知的表征。本文以Corel ChemLab軟件作為展現(xiàn)酸堿中和滴定的四重表征平臺(tái),能實(shí)時(shí)、直觀地展示滴定過(guò)程中pH的變化與堿量的關(guān)系,并實(shí)時(shí)生成pH-V曲線,激發(fā)學(xué)生興趣,多角度的進(jìn)行概念建構(gòu)[4],實(shí)現(xiàn)對(duì)滴定突躍、指示劑的選擇、滴定終點(diǎn)和化學(xué)計(jì)量點(diǎn)等知識(shí)的深刻理解,最終達(dá)到靈活運(yùn)用并解決問(wèn)題的目的。

        2 關(guān)于Corel ChemLab軟件簡(jiǎn)介

        Corel ChemLab是美國(guó)COREL公司專為學(xué)生開(kāi)發(fā)的模擬現(xiàn)代化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的全交互軟件[5],即用戶必須通過(guò)具體的操作,按照實(shí)際試驗(yàn)操作過(guò)程,達(dá)到模擬實(shí)驗(yàn)的目的。

        3 基于四重表征理論的“酸堿中和滴定”教學(xué)設(shè)計(jì)案例

        本文利用Corel ChemLab軟件中的“酸堿實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行酸堿中和滴定教學(xué)。通過(guò)觀察指示劑的變化,利用化學(xué)方程式的符號(hào)表征進(jìn)行分析,深化理解,其教學(xué)設(shè)計(jì)包括以下幾部分:

        3.1 創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境

        創(chuàng)設(shè)情境:在某制藥公司的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中,擺放著1瓶100 mL未知濃度的氫氧化鈉溶液,假如你是實(shí)驗(yàn)員,你該怎么快速有效的測(cè)定其濃度?

        學(xué)生活動(dòng):pH法、沉淀法、酸堿中和法滴定。沉淀法和pH法操作繁瑣,準(zhǔn)確度與精密度比較差,而酸堿滴定法操作簡(jiǎn)便,相對(duì)誤差較大。

        設(shè)計(jì)意圖:基于藥學(xué)專業(yè)的專業(yè)特點(diǎn),創(chuàng)設(shè)符合專業(yè)特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)情境,激發(fā)學(xué)生思考,引出本節(jié)課的主題酸堿中和滴定。

        3.2 酸堿中和滴定概念與原理(微觀表征-符號(hào)表征)

        教師講授:酸堿中和滴定是用已知物質(zhì)的量濃度的堿(或酸)去滴定未知物質(zhì)的量濃度的酸(或堿),測(cè)定完全反應(yīng)時(shí)消耗的堿(或酸),反應(yīng)實(shí)質(zhì):2H++OH-=H2O,來(lái)推算未知濃度的酸(或堿)濃度的方法[4]。

        學(xué)生練習(xí):20.00 mL 0.1000 mol/L的NaOH溶液與20.00 mL HCl溶液恰好完全反應(yīng),求HCl溶液的物質(zhì)的量濃度。

        學(xué)生活動(dòng):計(jì)算得出結(jié)論:0.1000 mol/L。

        設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生掌握酸堿中和的離子方程式,從而學(xué)會(huì)利用化學(xué)原理符號(hào)表征去理解酸堿中和滴定,并通過(guò)計(jì)算題的形式,引導(dǎo)學(xué)生把理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合。

        3.3 指示劑的選擇(宏觀表征)

        教師提問(wèn):在沒(méi)有明顯現(xiàn)象的情況下如何判斷酸堿恰好完全反應(yīng)?

        學(xué)生回答:利用pH試紙,一名學(xué)生使用pH試紙操作鹽酸溶液滴定氫氧化鈉溶液,另一名學(xué)生利用手機(jī)的同屏互動(dòng)功能將實(shí)驗(yàn)過(guò)程傳送至電子白板,以便全班學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)操作。

        教師活動(dòng):pH試紙滴定實(shí)驗(yàn),其過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且誤差很大,這里就需要借助指示劑來(lái)完成。介紹指示劑的概念及變色范圍。

        圖1 酚酞、甲基橙指示劑的變色范圍

        教師活動(dòng):指示劑變色時(shí)溶液pH值不是7,為什么我們能用指示劑來(lái)判斷酸堿完全反應(yīng)呢?引出Corel ChemLab軟件。

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)連續(xù)兩個(gè)提問(wèn),步步深入顯化認(rèn)識(shí)沖突,使學(xué)生的興趣提升到理性層面,培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的能力。

        3.4 Corel ChemLab軟件解釋酸堿中和滴定(宏觀表征-曲線表征)

        教師活動(dòng):打開(kāi)Corel ChemLab軟件(圖2),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇“強(qiáng)酸滴定曲線”,具體步驟如下:

        ①向空燒杯內(nèi)倒入20 mL濃度為0.1000 mol/L HCl溶液,用鼠標(biāo)拖拽含有HCl溶液的燒杯與空燒杯重合,當(dāng)空燒杯圖像變亮?xí)r即開(kāi)始倒入,停止時(shí)單擊即可。

        ②向HCl溶液的中加入酚酞指示劑,并連接pH計(jì)。

        ③滴定管內(nèi)已裝有30 mL 0.1000 mol/L NaOH溶液。點(diǎn)擊滴定管,開(kāi)始實(shí)驗(yàn),軟件自動(dòng)彈出以NaOH體積的X軸和以HCl溶液的pH值為Y軸的滴定曲線圖窗口,并自動(dòng)記錄讀數(shù)。

        ④觀察燒杯內(nèi)溶液的顏色和滴定曲線的變化。

        學(xué)生活動(dòng):分析滴定曲線(圖3)。

        討論強(qiáng)堿滴定強(qiáng)酸的pH-V曲線變化,隨著強(qiáng)堿體積的增加,pH值從1開(kāi)始緩慢增加至4.3左右,在化學(xué)計(jì)量點(diǎn)附近,迅速增加至9.7左右,然后又緩慢增加。

        教師活動(dòng):解釋滴定突躍、突躍范圍的概念,并進(jìn)行德育滲透“凡事貴在堅(jiān)持,前期的默默努力就是為了最后的突躍,莫要倒在黎明前?!?/p>

        指示劑的使用原則:其一,指示劑的變色范圍部分或全部落在滴定突躍內(nèi)的指示劑,減小指示劑選擇不當(dāng)造成的系統(tǒng)誤差;其二,為了減小視覺(jué)誤差,指示劑顏色應(yīng)選擇從無(wú)色向有色變化或從淺色向深色變化。

        圖2 Corel ChemLab軟件界面

        圖3 酸堿滴定的pH-V曲線

        設(shè)計(jì)意圖:以圖形的形式直觀地展示出滴定過(guò)程中溶液pH值的微觀變化。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作,及時(shí)得到反饋信息,享受探究的樂(lè)趣。實(shí)現(xiàn)宏觀表征與曲線表征有機(jī)鏈接,實(shí)現(xiàn)從微觀角度去解釋宏觀現(xiàn)象。

        3.5 學(xué)生使用Corel ChemLab軟件繪制“強(qiáng)堿滴定曲線”

        學(xué)生活動(dòng):根據(jù)教師的演示,使用“Corel ChemLab”軟件,選擇“強(qiáng)堿滴定曲線”,以甲基橙做指示劑,采集HCl滴定NaOH的pH-V曲線,觀察指示劑顏色變化與滴定突躍是否吻合。

        設(shè)計(jì)意圖:學(xué)生舉一反三,由“強(qiáng)酸滴定曲線”向“強(qiáng)堿滴定曲線”遷移,為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)室酸堿中和滴定操作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

        4 基于四重表征理論“酸堿中和滴定”教學(xué)設(shè)計(jì)的反思

        以Corel ChemLab軟件作為展現(xiàn)“酸堿中和滴定”知識(shí)平臺(tái),符合中職學(xué)生的認(rèn)知水平,主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面:

        (1)酸堿中和滴定的“四重表征”教學(xué)設(shè)計(jì),從定量角度認(rèn)識(shí),在理解符號(hào)表征的基礎(chǔ)上,基于Corel ChemLab軟件從宏觀表征開(kāi)始,進(jìn)入微觀表征,做后以曲線表征展示結(jié)果,將四種表征以單個(gè)、整合呈現(xiàn),從多個(gè)角度進(jìn)行化學(xué)概念構(gòu)建,讓學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)有一個(gè)完整、透徹的認(rèn)識(shí)。

        (2)Corel ChemLab軟件能顯示酸堿溶液反應(yīng)時(shí)的pH實(shí)時(shí)變化,特別是pH的突躍范圍,便于揭示化學(xué)反應(yīng)的原理和本質(zhì)。在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中,有利于學(xué)生更準(zhǔn)確地控制和把握終點(diǎn)。

        (3)Corel ChemLab軟件中有多個(gè)酸堿滴定實(shí)驗(yàn),包括一元弱酸、弱堿的滴定,學(xué)生在課后選擇不同的方案進(jìn)行操作,認(rèn)識(shí)pH-V曲線的多種變化。實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)設(shè)不大量增加的情況下,學(xué)生能更多地接觸、嘗試不同的滴定實(shí)驗(yàn)的目的。

        (4)這種實(shí)驗(yàn)方法突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空限制,學(xué)生可以自由地選擇時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)模擬操作,減少實(shí)驗(yàn)室污染,提高安全性,同時(shí)掌握簡(jiǎn)便高效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有力補(bǔ)充。

        總之,基于Corel ChemLab軟件的酸堿滴定的四重表征教學(xué)設(shè)計(jì)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種創(chuàng)新,對(duì)提高分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的產(chǎn)生積極影響,并為后續(xù)的沉淀滴定法,配位滴定法,氧化還原滴定法的學(xué)習(xí)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)[6]。

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