2024年10期
基于水溶液中的电离平衡的 数字化实验开发及应用研究
【关键词】 ；
【正文】 摘 要：水溶液中的电离平衡是人教版高中化学（选修4）的重要学习内容之一，但实际教学中学生只停留在感性认识和记忆的层面。为能从定量的视角理解外界因素对电离平衡的影响，需合理设计数字化实验来服务课堂教学。本文在教学中利用传感技术探究氨水溶液中NH3·H2O的电离平衡的影响因素，定量分析和理解同离子效应、稀释、酸、碱等对平衡移动的影响，在激发学生学习兴趣和学习动力的同时，从多维度发展学生核心素养。
关键词：电离平衡；数字化实验；应用研究
2003年教育部公布的《普通高中物理课程标准（实验）》首次提出“了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便”的要求。2004年公布的《上海市中学化学课程标准（试行稿）》要求中学化学教学“推行在化学实验中使用图形计算器或掌上电脑（ 掌上实验室） 和传感器技术，并应用于中学化学课堂教学，特别是应用于研究性学习之中”。2018 年1月，《普通高中化学课程标准（2017年版）》正式颁布。该标准指出要在实验教学中积极探索现代信息技术与中学化学教学的深度融合，在中学化学教材中引入数字化实验。在人教版《化学反应原理（选修４）》的教学中，合理设计数字化实验来服务课堂教学，化抽象为直观、化定性为定量、从现象到本质，激发学生探讨兴趣，感受数字化实验的魅力，体验信息化技术对化学学习的改变，从而深刻理解和应用勒夏特列原理是一件有意义的工作。借助铵根离子传感器、pH传感器等以及数据采集器和Logger Pro3.9软件，合理选择代表物，设计水溶液中电离平衡的数字化实验，使抽象的概念形象化、数字化、图形化；通过实践发现，数字化实验的研究和应用，极大拓展了传统概念原理教学的局限，可在 “宏观辨识与微观探析” “变化观念与平衡思想” “证据推理与模型认知”等多个维度发展学生的核心素养。
一、研究内容
用铵根离子传感器、 pH传感器探究了NH3·H2O的电离平衡，通过往氨水溶液中分别加入少量强酸、强碱、醋酸铵固体以及将其稀释观察对平衡体系的影响。将数字化实验引入到教学实践中帮助学生从定量的视角理解外界因素对电离平衡的影响，以问卷调查的形式收集教学效果反馈，进行分析汇总，以便更好的提高教学效果。
二、实验准备
（一）仪器和试剂
1.仪器
NH4+—传感器（美国威尼尔有限公司）、pH—传感器（美国威尼尔有限公司）、LabQuest Interface System数据采集器LABQ2（美国威尼尔有限公司）、86-2磁力加热搅拌器、磁子。
2.试剂
25%氨水（天津市风船化学试剂科技有限公司）、醋酸铵（天津市北辰方正试剂厂））、盐酸、二次水。
（二） 实验步骤
第一步在1000 mL烧杯中加入25%浓氨水5.0 mL，配置成1.1 g/L的氨水溶液，在250 mL烧杯中加入氢氧化钠4.01g，配置成0.4 mol/L的氢氧化钠溶液，取20.8 mL 36.5%浓盐酸配制成1.0 mol/L的稀盐酸。
第二步各取60.0 mL（以便溶液没过NH4＋传感器的白色参照点）1.1 g/L NH3·H2O于放有磁子的两个烧杯中（防止NH4＋传感器和pH传感器在同一溶液中相互影响），同时打开86-2磁力加热搅拌器，让每个烧杯的磁子匀速转动。分别放入校正好的NH4＋传感器、pH传感器采集数据20 s左右，第三步在两个烧杯中同时加入0.10 g CH3COONH4溶液，观察图像。
同上述第二步操作，再在两个烧杯中同时加入0.50 mL1.0 mol/L盐酸溶液，观察图像。
同上述第二步操作，再在两个烧杯中同时加入3.0mL 0.4 mol/L氢氧化钠溶液，观察图像。
取60.0 mL 1.1 g·L-1 NH3·H2O放在有磁子的烧杯中，打开86-2磁力加热搅拌器，让烧杯的磁子匀速转动。放入校正好的pH传感器、NH4＋传感器采集数据20 s，再加入540.0 mL二次水稀释溶液，观察图像。
三、教学实践与图像讨论
（一）教学实践
图1传感器探究外界因素对NH3·H2O电离平衡影响课堂演示图
将数字化实验引入课堂，通过教学演示，学生能从定量的视角理解外界因素对电离平衡的影响，通过和老师共同对以下图像进行解读。对弱电解质的电离特点、电离平衡的建立及移动能够进行准确地分析，并且能快速回答提出的相关问题。
（二）各因素对氨水电离平衡的影响
1．同离子效应
图2 氨水加入乙酸铵NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图2可知，氨水加入乙酸铵后，铵根离子浓度增加，pH降低，说明NH3·H2O NH4＋＋OH-平衡向逆向移动。
2. 酸溶液对平衡的影响
图3 氨水加入盐酸NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图3可知，氨水加入1.0 mol/L的盐酸0.50 mL后，铵根离子浓度增加，pH降低，说明NH3·H2O?葑 NH4＋＋OH-平衡向正向移动。
3.碱溶液对平衡的影响
图4氨水加入氢氧化钠NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图4可知，氨水加入0.4 mol/L的氢氧化钠3.0 mL后，铵根离子浓度降低，pH升高，说明NH3·H2O?葑NH4＋＋OH-平衡向逆向移动。
4．稀释对平衡的影响
图5 氨水稀释NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图5可知，氨水加入540.0 mL二次水稀释后，铵根离子浓度降低，pH降低即OH-浓度降低，这是因为稀释引起的平衡移动，根据勒夏特列原理，加水稀释使得平衡体系中所有的离子浓度降低，平衡为了减弱这种改变使得离子浓度增大，所以NH3·H2O?葑NH4＋＋OH-平衡必须向正向移动，但只能减弱无法抵消这种改变，致使总结果是铵根离子浓度降低，pH降低。
（三）问卷分析
通过设计实验演示前后学生对数字化实验的兴趣以及外界因素对NH3·H2O的电离平衡移动理解的问卷分析可知，将数字化与教学实践结合，对比传统实验，更注重传授学生程序性知识，化定性为定量，引导学生参与探究活动，从而改变学生对化学学习的态度、引起化学学习兴趣并且提高了课堂学习参与度。经数字化实验演示过后，学生更容易理解和认识离子反应，深刻领会宏观、微观、符号之间的本质联系及其蕴含的思维方法。
（四）教学反思
由以上分析可以得出，数字化实验的介入提升了学生学习化学的兴趣；图像的展示培养了学生的细心观察的能力、分析问题的能力和数形结合的能力；通过对实验的宏观现象和图像的辨识，在微观粒子层面进行电离过程的剖析，帮助学生突破难点，树立平衡思想、变化观念，发展 “宏观辨识与微观探析”的学科素养。不足之处：（1）实验前期准备时间较长，对离子传感器校准操作繁琐，用时长；（2）因传感器价格高，所以无法满足学生进行分组实验，多数由教师演示，缺少学生亲自操作体验过程；（3）个别学生分析图像有一定困难，需要教师细心的引导。
四、结论
本课题以合理设计数字化实验来服务课堂教学，化抽象为直观、化定性为定量、从现象到本质，激发学生探讨兴趣，感受数字化实验的魅力，体验信息化技术对化学学习的改变，深刻理解和应用勒夏特列原理为出发点，取得良好的教学效果。
选择探究氨水中NH3·H2O的电离平衡影响因素为代表，进行教学设计，而后到中学进行数字化教学实践，根据学生的课堂表现及课后问卷调查分析，取得了令人满意的结果。
“数字化实验”具有采集智能化、定量研究便捷化、实验现象直观化、实验创新化等优越性。国内外的多项研究表明在化学教学中运用“数字化实验”，为科学探究提供了技术支撑，不仅可以激发学生的学习兴趣，促进学生概念认知发展，还能提高学生的图像表征能力，进而促进学生科学素养的提高。经过反馈，同学们一致认为经过数字化探究过的实验记得更牢固、理解的更准确了。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003： 64．
[2] 上海市教育委员会.上海市中学化学课程标准（试行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004： 63．
[3] 中华人民共和国教育部制定．普通高中化学课程标准（ 2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：82-84．
[4] 于清江，武建功.也谈氨水受热时的电离[J].化学教学，2001，（02）：45-46.
[5] 邓玉华，杜丽君. 数字化实验在化学核心素养 “宏观辨识与微观探析”维度的教学应用——以弱电解质的教学为例[J]. 化学教育（中英文），2019，40（21）：77-81.
[6] 林建芬，盛晓婧，钱扬义．化学“四重表征”教学模式的理论建构与实践研究——从15年数字化手持技术实验研究的回顾谈起[J].化学教育，2015，36（7）：1-6.
[7] 王祖浩，孙丹儿，李法瑞，等．基于手持技术的高中生化学概念学习认知研究[J].中国电化教育，2010，31（6）：82-85.
关键词：电离平衡；数字化实验；应用研究
2003年教育部公布的《普通高中物理课程标准（实验）》首次提出“了解常见传感器及其应用，体会传感器的应用给人们带来的方便”的要求。2004年公布的《上海市中学化学课程标准（试行稿）》要求中学化学教学“推行在化学实验中使用图形计算器或掌上电脑（ 掌上实验室） 和传感器技术，并应用于中学化学课堂教学，特别是应用于研究性学习之中”。2018 年1月，《普通高中化学课程标准（2017年版）》正式颁布。该标准指出要在实验教学中积极探索现代信息技术与中学化学教学的深度融合，在中学化学教材中引入数字化实验。在人教版《化学反应原理（选修４）》的教学中，合理设计数字化实验来服务课堂教学，化抽象为直观、化定性为定量、从现象到本质，激发学生探讨兴趣，感受数字化实验的魅力，体验信息化技术对化学学习的改变，从而深刻理解和应用勒夏特列原理是一件有意义的工作。借助铵根离子传感器、pH传感器等以及数据采集器和Logger Pro3.9软件，合理选择代表物，设计水溶液中电离平衡的数字化实验，使抽象的概念形象化、数字化、图形化；通过实践发现，数字化实验的研究和应用，极大拓展了传统概念原理教学的局限，可在 “宏观辨识与微观探析” “变化观念与平衡思想” “证据推理与模型认知”等多个维度发展学生的核心素养。
一、研究内容
用铵根离子传感器、 pH传感器探究了NH3·H2O的电离平衡，通过往氨水溶液中分别加入少量强酸、强碱、醋酸铵固体以及将其稀释观察对平衡体系的影响。将数字化实验引入到教学实践中帮助学生从定量的视角理解外界因素对电离平衡的影响，以问卷调查的形式收集教学效果反馈，进行分析汇总，以便更好的提高教学效果。
二、实验准备
（一）仪器和试剂
1.仪器
NH4+—传感器（美国威尼尔有限公司）、pH—传感器（美国威尼尔有限公司）、LabQuest Interface System数据采集器LABQ2（美国威尼尔有限公司）、86-2磁力加热搅拌器、磁子。
2.试剂
25%氨水（天津市风船化学试剂科技有限公司）、醋酸铵（天津市北辰方正试剂厂））、盐酸、二次水。
（二） 实验步骤
第一步在1000 mL烧杯中加入25%浓氨水5.0 mL，配置成1.1 g/L的氨水溶液，在250 mL烧杯中加入氢氧化钠4.01g，配置成0.4 mol/L的氢氧化钠溶液，取20.8 mL 36.5%浓盐酸配制成1.0 mol/L的稀盐酸。
第二步各取60.0 mL（以便溶液没过NH4＋传感器的白色参照点）1.1 g/L NH3·H2O于放有磁子的两个烧杯中（防止NH4＋传感器和pH传感器在同一溶液中相互影响），同时打开86-2磁力加热搅拌器，让每个烧杯的磁子匀速转动。分别放入校正好的NH4＋传感器、pH传感器采集数据20 s左右，第三步在两个烧杯中同时加入0.10 g CH3COONH4溶液，观察图像。
同上述第二步操作，再在两个烧杯中同时加入0.50 mL1.0 mol/L盐酸溶液，观察图像。
同上述第二步操作，再在两个烧杯中同时加入3.0mL 0.4 mol/L氢氧化钠溶液，观察图像。
取60.0 mL 1.1 g·L-1 NH3·H2O放在有磁子的烧杯中，打开86-2磁力加热搅拌器，让烧杯的磁子匀速转动。放入校正好的pH传感器、NH4＋传感器采集数据20 s，再加入540.0 mL二次水稀释溶液，观察图像。
三、教学实践与图像讨论
（一）教学实践
图1传感器探究外界因素对NH3·H2O电离平衡影响课堂演示图
将数字化实验引入课堂，通过教学演示，学生能从定量的视角理解外界因素对电离平衡的影响，通过和老师共同对以下图像进行解读。对弱电解质的电离特点、电离平衡的建立及移动能够进行准确地分析，并且能快速回答提出的相关问题。
（二）各因素对氨水电离平衡的影响
1．同离子效应
图2 氨水加入乙酸铵NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图2可知，氨水加入乙酸铵后，铵根离子浓度增加，pH降低，说明NH3·H2O NH4＋＋OH-平衡向逆向移动。
2. 酸溶液对平衡的影响
图3 氨水加入盐酸NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图3可知，氨水加入1.0 mol/L的盐酸0.50 mL后，铵根离子浓度增加，pH降低，说明NH3·H2O?葑 NH4＋＋OH-平衡向正向移动。
3.碱溶液对平衡的影响
图4氨水加入氢氧化钠NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图4可知，氨水加入0.4 mol/L的氢氧化钠3.0 mL后，铵根离子浓度降低，pH升高，说明NH3·H2O?葑NH4＋＋OH-平衡向逆向移动。
4．稀释对平衡的影响
图5 氨水稀释NH4+和OH-浓度变化曲线图
分析图5可知，氨水加入540.0 mL二次水稀释后，铵根离子浓度降低，pH降低即OH-浓度降低，这是因为稀释引起的平衡移动，根据勒夏特列原理，加水稀释使得平衡体系中所有的离子浓度降低，平衡为了减弱这种改变使得离子浓度增大，所以NH3·H2O?葑NH4＋＋OH-平衡必须向正向移动，但只能减弱无法抵消这种改变，致使总结果是铵根离子浓度降低，pH降低。
（三）问卷分析
通过设计实验演示前后学生对数字化实验的兴趣以及外界因素对NH3·H2O的电离平衡移动理解的问卷分析可知，将数字化与教学实践结合，对比传统实验，更注重传授学生程序性知识，化定性为定量，引导学生参与探究活动，从而改变学生对化学学习的态度、引起化学学习兴趣并且提高了课堂学习参与度。经数字化实验演示过后，学生更容易理解和认识离子反应，深刻领会宏观、微观、符号之间的本质联系及其蕴含的思维方法。
（四）教学反思
由以上分析可以得出，数字化实验的介入提升了学生学习化学的兴趣；图像的展示培养了学生的细心观察的能力、分析问题的能力和数形结合的能力；通过对实验的宏观现象和图像的辨识，在微观粒子层面进行电离过程的剖析，帮助学生突破难点，树立平衡思想、变化观念，发展 “宏观辨识与微观探析”的学科素养。不足之处：（1）实验前期准备时间较长，对离子传感器校准操作繁琐，用时长；（2）因传感器价格高，所以无法满足学生进行分组实验，多数由教师演示，缺少学生亲自操作体验过程；（3）个别学生分析图像有一定困难，需要教师细心的引导。
四、结论
本课题以合理设计数字化实验来服务课堂教学，化抽象为直观、化定性为定量、从现象到本质，激发学生探讨兴趣，感受数字化实验的魅力，体验信息化技术对化学学习的改变，深刻理解和应用勒夏特列原理为出发点，取得良好的教学效果。
选择探究氨水中NH3·H2O的电离平衡影响因素为代表，进行教学设计，而后到中学进行数字化教学实践，根据学生的课堂表现及课后问卷调查分析，取得了令人满意的结果。
“数字化实验”具有采集智能化、定量研究便捷化、实验现象直观化、实验创新化等优越性。国内外的多项研究表明在化学教学中运用“数字化实验”，为科学探究提供了技术支撑，不仅可以激发学生的学习兴趣，促进学生概念认知发展，还能提高学生的图像表征能力，进而促进学生科学素养的提高。经过反馈，同学们一致认为经过数字化探究过的实验记得更牢固、理解的更准确了。
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部制定.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2003： 64．
[2] 上海市教育委员会.上海市中学化学课程标准（试行稿）[S].上海：上海教育出版社，2004： 63．
[3] 中华人民共和国教育部制定．普通高中化学课程标准（ 2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：82-84．
[4] 于清江，武建功.也谈氨水受热时的电离[J].化学教学，2001，（02）：45-46.
[5] 邓玉华，杜丽君. 数字化实验在化学核心素养 “宏观辨识与微观探析”维度的教学应用——以弱电解质的教学为例[J]. 化学教育（中英文），2019，40（21）：77-81.
[6] 林建芬，盛晓婧，钱扬义．化学“四重表征”教学模式的理论建构与实践研究——从15年数字化手持技术实验研究的回顾谈起[J].化学教育，2015，36（7）：1-6.
[7] 王祖浩，孙丹儿，李法瑞，等．基于手持技术的高中生化学概念学习认知研究[J].中国电化教育，2010，31（6）：82-85.
- 【发布时间】2020/11/5 16:30:52
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