基于化学仿真实验室的操作设计与应用的案例

吴柯军

【摘 要】化学仿真实验室是集方便、快捷、可视、直观、环保与数据统计等特点于一身的实验软件。它既是化学课堂的教学平台，也是教师制作课件的平台，又是教师与学生交互式学习，促进教学相长的平台，它的出现为教学注入了新的活力。平台能充分利用自身特点提升化学实验反应的成功率，使学生对化学实验由感性认识上升为理性认识，改变学生只对化学表面现象的浅性认识，促进学生化学思维的进一步提升。下面笔者介绍在教学实践中设计并应用于课堂教学的实验案例一则。

【关键词】教学实践;滴定操作;仿真实验

一、教材分析

在工农业生产及生活中，对溶液酸碱度控制十分重要。因此，有必要使学生掌握测定酸碱度的技术，而酸碱中和滴定恰好是最基本的测定方法。

在教材中，重点讨论了酸碱中和滴定原理中的三个内容：（1）滴定实质（2）滴定计算依据及方法（3）滴定终点判断方法。接着教材以HCl标准液滴定NaOH未知液为例，详细介绍了滴定过程所用仪器、操作步骤、注意点。根据滴定中PH值、HCl溶液体积记录画出“PH值—V（酸）”的曲线图，进而详细讨论曲线变化规律，突变范围出现原因。教材结束虽然没有提出误差分析，但该知识点在高考中有一定参考价值，故老师加入该部分教学内容。

本节课就是利用仿真实验室让学生模拟滴定过程，数据记录、统计、处理、绘制曲线并误差分析。不仅提高学生学习兴趣，而且增强了学生统计分析能力和自主获取知识能力，培养了学生严肃认真的实验态度和科学素养。

二、教学目标

1.知识与技能：（1）掌握酸碱中和滴定的原理及操作步骤，学习各种仪器的使用方法。

（2）理解滴定过程中PH值随标准液加入变化的曲线关系，会初步选用合适的指示剂。

2.过程与方法：用仿真实验法、网络搜索法来培养同学们用“用已知测未知”的实验思想。

3.情感态度与价值观：运用网络、多媒体情景调动学习情绪和激发学习兴趣，培养同学们环保意识和自主获取知识的能力。

三、教学重点与难点

1.滴定操作中原理、操作步骤及各仪器的使用方法。

2.滴定过程中PH值随标准液加入变化的曲线关系。

四、教学过程

环节一：【幻灯】引起水质污染的四张图片（工业、农业、生活、酸雨）

【师】 有这样一句顺口溜反映了近几十年来我国河流的水污染日趋严重。“七十年代，淘米洗菜;八十年代，浇花灌溉;九十年代，鱼虾绝代。”提高环保意识，防止环境污染是每一个公民的责任。

【过渡】当然，随着生活水平提高，人类越来越认识到水质对人类生存的重要性，国家也出台了水质检查常见项目的标准。

【幻灯】科学全面地评价水质的优劣需要检测许多项目：水温、酸碱度（PH值）、固体悬浮物等。

【师】水温很容易检测，那溶液的酸碱浓度如何检测呢？这节课我们就来解决这方面的问题。

设计意图：“让学生在生动具体的情景中学习”是化学新课程倡导的理念之一。本环节正是从现实环境中的水质污染来源与国家水质检测标准出发创造有效的学习情景，不仅使枯燥无味的滴定实验变的生动具体、饶有兴趣，而且使学生主动学习课堂知识，掌握课堂技能。不仅使教学内容充满丰富的情感，而且增强了学生的环保意识。

环节二：【师】问题1：中和反应的实质是什么？当酸碱刚好完全反应时，H+与OH-物质的量的关系是什么？

问题2： 有C1mol/L的NaOH溶液V1L，需加入C2mol/L的HCl溶液V2L才能完全中和，则有：C1=  C2=

【生】回答问题，得出酸碱中和滴定启示。

【过渡】我这有一瓶未知浓度的NaOH溶液，我们就来滴定它浓度是多少？

【幻灯】实验目的、实验方法、实验方案、实验仪器、信息提示（指示剂变色范围）

【师】介绍酸碱滴定管

【生】网络搜索 酸碱中和滴定视频观看。

设计意图：本环节以网络资源为平台进行教学。鉴于仿真实验平台有一定的局限性（见下文教学反思），故让学生利用网络搜索滴定视频，学习滴定操作过程，以完善课堂教学内容。当然这一过程不仅培养了学生勇于探索，积极进取的精神，而且使学生的学习从课堂内延伸到课堂外，也为学生的终生学习打下坚实的基础。

环节三：【师】开启酸碱中和滴定仿真实验界面，讲解相应仪器属性内容。

【生】进行滴定操作过程及数据处理过程。

[注：v（加HCl酸）、v（加NaOH碱）、v（溶液）、PH值都为可变数据]

【师】PH值—加HCl酸体积的曲线变化规律是什么？

【生】画出PH值—加HCl酸体积的曲线变化。

【师】改用甲基橙作为指示剂，其变化曲线与C（NaOH）又是怎样的？

【生】 锥形瓶属性中改用甲基橙指示剂进行仿真实验操作。

【幻灯】  问题4： 酸碱中和滴定PH值变化曲线规律是什么？

问题5：已知未知液C（NaOH）为0.008mol/L，酸碱中和滴定选用甲基橙或酚酞作指示剂，但它们在滴定终点的变色点并不是PH=7，这样对中和滴定终点的判断有没有影响？如何选用合适的指示剂？（用数据说明）

【生】回答，老师点评总结

设计意图：学生利用仿真实验平台虚拟学习滴定过程，直观显示V（酸）、V（碱）、PH值的变化，绘制并分析了PH—V（酸）的曲线变化过程，学会选用合适的指示剂。此环节不但显示仿真实验室的优越性，而且充分激发学生学习主动性，培养学生学习化学的兴趣。

环节四【生】反思总结操作过程、计算过程中疑惑点，网络搜索质疑点。

【幻灯】提供搜索参考内容。

搜索：关键词   [酸碱中和滴定 错误操作 酸碱浓度 测定办法]

设计意图：利用网络知识完善滴定操作知识，如误差分析，酸碱测定其它办法等等。整个过程不仅激发学生独立思考的积极性，而且培养了学生发现问题，解决问题的能力，更让学生保持独立的探索精神，使整个课堂显的有血有肉，充满丰富的情感。

五、教学反思

1.化学仿真实验平台的优点

（1）贯彻了绿色化学实验思想

绿色化学实验思想指在化学实验设计与操作过程中应尽可能符合“绿色化学”的思想。它要求在设计上优化实验方案，操作上严格控制药品用量，循环使用实验试剂与产物，从根本上消除污染，防止污染对环境的破环。

仿真实验室正是绿色化学理念在化学教学中的具体体现。例如酚酞指示剂用量严格控制到0.001mol，尽可能减少试剂用量，节约实验药品，达到试剂微量化要求。未知液、标准液能精确控制在25ml以下，既节约了试剂，又达到了实验目的，净化了实验环境，达到了试剂定量化要求。在真实实验过程中，往往因为操作错误，导致实验完全失败，结果需要重新配置标准液，重新滴定，而在仿真实验中只要点击重新开始键，这就是对试剂产物的循环利用，实现了绿色化学思想中的3R原则（减量化、再利用、再循环）。

（2）缩短实验时间，增加实验成功率。

仿真实验室能省去真实实验环境中许多简单的劳动。例如：溶液的配置，实验仪器的准备，实验装置的搭建。如果对实验内容设计为教学软件，可以在不同时间、不同场合中对实验进行多次模拟训练。

对于那些课堂上无法演示的实验，同样可以借助于仿真实验室达到良好的教学效果。例如：次氯酸见光分解实验，在真实环境中分解速度慢，很难观察到气泡产生和氯水颜色变化，而在虚拟环境中可以调节分解速度，颜色变化，这样既可以让学生节省实验时间，集中精力研究实验现象本身的特性与规律，又可提高学生学习兴趣和课堂的教学效果。

（3）有利于避免真实操作过程中带来各种危险

化学实验是学生学习化学的重要手段，化学实验室更是师生学习化学的重要场所。故师生在研究学习化学过程中不可避免地接触一些有毒的化学药品，有危险的实验操作。例如：氯气的制取，浓硫酸的稀释。这些实验对师生身体健康的影响不可忽视。研究调查表明：大多数老师不愿做化学实验的原因也在于此。而仿真实验室可以为学生提供虚拟的实验环境，让学生感到错误操作带来的危害性，这样也能给学生留下深刻的印象，引起对安全规范操作的重视，减少有毒药品的泄漏，降低化学事故的发生概率。

（4）数据统计更简单、直接，更具说服力

化学仿真实验室能够用相应的编程软件来代替人眼读取数据，手工记录数据，人脑统计、分析、处理数据，更使学生摆脱了繁琐的计算过程。例如：在CEM文件中编辑了PH=-log10（1000*n1/v3），结果在实验平台中直接显示了PH值变化，也直接显示了“PH值—V（酸）”的数据变化。让学生在每一时刻的瞬间都能看到实验变化情况，而后利用所学知识系统全面分析实验结果，更好地理解概念，掌握规律。

实践也证明：大部分学生能够充分相信，完全接受实验中数据统计的结果。例如：滴定过程中突变范围的出现。使用仿真实验平台不仅开阔了学生眼界，改变实验结果处理方案、手段，而且简化了数据处理过程，使实验结果更具说服了，教学效果更显著。

2.在操作设计与应用中几个需要探讨改进的地方

在操作设计与应用中，可能是自己的制作技术不到位，也有可能是仿真实验室自身有一定缺陷，感觉有几个地方不够完善，显的尤为遗憾。

（1）在中和滴定操作过程中，要求眼睛注视锥形瓶，右手滴加标准液左手旋摇锥形瓶，但实验平台中没有手摇动作设置。

（2）以盐酸滴定氢氧化钠，酚酞作指示剂为例，滴定到终点时，实验现象为恰好出现无色且半分钟内不恢复到粉红色。实验操作平台这一过程与现实滴定相互比较略有欠缺，平台中不能显示终点前滴加一滴标准液时，由粉红色变为无色，震荡又变为粉红色，再滴加一滴，溶液再由粉红色变为无色，半分钟后不再恢复为粉红色这一关键现象变化。

（3）酸碱滴定管本身就是精确的溶液量取仪器，在数据处理过程中，滴定管要求精确读数到0.01ml，可在确定读数时只能到小数点后一位。例如：滴加标准液18.25ml，但读数只能显示18.3ml，显然会增大最终误差，这是任何一位化学工作者所不愿发生的。虽然误差不可避免，但应当要求在可能的情况下把误差减为最小。

（4）学生在仿真实验平台操作过程中，难免会心浮气躁，在标准液滴加到终点时一下子滴加过量，没有观察到颜色与PH值的变化过程，如果在平台中有“退一步”操作键，那必将成为实验一大亮点，使教学更完美，效果更显著！

化学仿真实验室作为一种新的教学工具，具有再现功能和模拟真实情景功能。正是由于其虚拟性，才使其具备了真实实验中所没有的特殊优势。它可以把因仪器短缺，药品有毒，操作危险等因素而受限制的实验进行模拟再现，也可以节约时间、空间、资金，改善实验条件，改进教学方法，培养学生思想，开阔学生眼界，提高学生学习兴趣。虽然仿真实验室还不能完全取代实验教学，但事实证明：只要运用恰当方法将虚拟实验与真实实验有机结合起来，必定成为提高化学教学质量的新方案。

课题论文：2014年4月 江苏省实验教学研究第二期课题

课题名称《虚拟仿真实验与真实实验互补整合的策略研究》

（作者单位：常州市武进区礼嘉中学）