化學軟件Crocodile Chemistry在“離子反應”教學中的應用

藍仁敏

[摘要]“離子反應”是高中化學必修課程中的重難點之一，其內容抽象，課堂演示實驗又無法展示溶液中離子的行為，學生對離子反應的微觀原理缺少直觀印象，為此借助化學軟件CrocodileChemistry，模擬多種類型的離子反應，幫助學生直觀地觀察離子反應過程中的宏觀和微觀變化過程，從而提高高中化學課堂教學效率。

[關鍵詞]化學軟件，Crocodile Chemistry，離子反應

[中圖分類號]G633.8[文獻標識碼]A [文章編號]1674-6058（2020）11-0051-03

2017年版高中化學課程標準進一步要求學生能通過以化學實驗為主的多種探究活動學習化學，讓學生通過參與科學探究過程自主獲取化學知識，發展“科學探究與創新意識”核心素養。但由于當下中學化學實驗教學受到實驗條件、課時、師資配備等諸多因素的限制，學生動手實驗的機會較少，更多的是靠教師在課堂上的演示實驗來獲取直觀的感性認識。而在教師進行課堂演示的過程中，學生更關注宏觀的反應現象，對反應的微觀原理則缺少直觀印象。鑒于此，本文以“離子反應”的教學為例，借助Crocodile Chemistry軟件，著重探討一種既簡潔、高效、可操作性強、方便教師駕馭，同時又能在課堂上讓學生從宏觀和微觀兩個角度同時觀察反應的現象與原理的教學方法，以培養學生“宏微結合”的科學素養和思維品質。

一、“離子反應”的教學難點及教材實驗的不足

“離子反應”選自人教版化學必修1第二章第二節，它不僅是高中化學重要的基礎知識，而且由于其涉及微觀粒子在水溶液中的行為，也是整個高中化學的教學重難點之一。學生初中時雖已做過溶液的導電性實驗，但他們的認識僅停留在宏觀層面。在此基礎上，教師可用問題組驅動學生思考：從微觀的角度分析，究竟發生了怎樣的反應才會導致溶液導電性的變化？為什么中和反應無明顯現象，卻可以判斷其發生？什么是離子反應？離子反應的本質是什么？這些抽象問題的解答必須借助實驗的手段。把實驗內容和學生的討論密切結合起來，才是認識電解質的電離和離子反應本質的最佳途徑。

但教材中只呈現了幾個簡單的試管實驗（如圖1），對現象稍作分析后，便直接得出離子方程式的概念和書寫步驟，再通過四組酸堿反應離子方程式的書寫，得出離子反應的本質。

這樣傳統的課堂演示實驗中存在以下不足之處：（1）學生無法從實驗現象中直接觀察到反應的微觀進程，進而無法深刻理解“離子反應的微觀實質是離子濃度的減小”;（2）這些試管實驗在初中學習復分解反應時早已做過，若不能深入微觀層面觀察無異于“炒舊飯”，很難引起學生的興趣和重視。

二、基于“微粒觀”的離子反應實驗教學文獻分析

當下“離子反應”的教學研究熱點集中在學生“微粒觀”的建構上，這與化學核心素養中“宏觀辨識與微觀探析”維度相吻合。

付慧敏在《讓學生“看到”離子在反應——關于離子反應教學的改進》中，通過改進溶液的導電性實驗，利用滴定管控制試劑滴加速率，并借助磁力攪拌器使離子充分接觸，通過燈泡明顯的亮暗漸變，讓學生“看到”離子反應的進行。何彩霞在《恰當運用對比實驗幫助學生理解化學概念——以“離子反應”教學為例》中，分別往兩杯Ba（OH）₂溶液中逐滴加入Na₂SO₄溶液和H₂SO₄溶液，通過燒杯中的現象相同而串聯的電流表指針變化不同說明兩杯溶液中離子的“行為”有所差異。

采用直觀化的教學手段也是培養“微粒觀”的有效教學策略之一。林曉純等在《將概念教學轉化為以多媒體為主的教學——《離子反應》第二課時教學設計》中，利用多媒體播放實驗視頻和Flash動畫來模擬微觀離子的運動與結合過程，化靜為動，激發學生的學習興趣。但制作Flash動畫耗時較長，要求教師具備較高的信息技術水平，這無形中增加了教師的備課量。而網絡上現成的Flash教學動畫良莠不齊，有些還可能存在科學性錯誤，使用時要注意甄別。

隨著新課程改革和信息化浪潮的齊頭并進，化學學科教學與信息技術深度融合的研究在全國范圍內迅速展開。在我國教育發達地區，手持技術融合化學教學的應用研究已初具規模。與教學課件和Flash動畫等這類常見的技術手段相比，手持技術能夠深入化學微觀世界，更加直觀、全面和定量地輔助教學。目前在中國知網上檢索到的將手持技術融合離子反應教學的文獻就有50余篇。例如，蘭寧靜在《運用信息技術設計“離子反應”教學》中利用電導率傳感器將實驗現象與數據處理結果同步化，較好地探究了宏觀與微觀的關系。孫京在《電導傳感器應用于離子反應教學的案例研究》中，利用電導傳感器生動形象地將離子反應過程中離子濃度的變化顯示在屏幕上，既幫助學生理解離子反應的本質，又提升了學生的學習興趣，教學效果很好。馬雪燕在《手持技術應用于{離子反應}教學的課堂實錄》中，將手持技術應用于課堂教學，使學生能夠深刻認識離子反應的本質，同時也培養了學生的科學精神和探究能力。胡愛彬在《基于DIS實驗探究離子反應的生長課堂》中，利用DIS實驗從離子反應的發生機理、進行方向、本質等角度幫助學生建構離子反應的概念，但在引人手持技術的實驗中也遇到了一些問題導致教學效果打了折扣。例如，學生在做DIS實驗時得不到較好甚至是相反的曲線，主要原因是溶液濃度過高，滴加試劑速度過快，傳感器來不及全面感應而只檢測到局部溶液的電導率變化，因此顯示的電導率一直增大。傳感器探頭的保養和使用大多需要特殊條件，若不注意，會使得數據的重現性和穩定性不好，采集的信號峰會出現噪點（得不到平滑的曲線），對教學產生不必要的干擾。由于手持技術需要配套多種先進儀器，一般學校難以配備，因而在大范圍地推廣運用方面也存在一定的困難。

為此，筆者將Crocodile Chemistry模擬實驗軟件引入“離子反應”的課堂教學中。Crocodile Chemistry是一款功能強大的模擬實驗軟件，不僅能夠展示肉眼“看不見”的微觀世界，而且能逼真地模擬一些較危險、毒性大、耗時長等不便于課堂演示的實驗，充分體現了信息技術與學科教學的深度融合，具有一定的推廣價值。

三、“離子反應”課堂教學的相關實驗研究

1.選用Crocodile Chemistry模擬電解質在水溶液中的微觀電離過程

學生在初中已做過溶液的導電性實驗，可通過燈泡的亮暗來判斷溶液中是否存在自由移動的離子。但高中生的思維水平不能僅停留在“宏觀”和“定性”層面，還應轉向更深層次的“微觀”和“定量”層面。因此，可以借助Crocodile Chemistry模擬實驗來分別測定NaCl固體的電導率和將NaCl固體溶于水時電導率的變化，同時展示溶液中的離子行為（如圖2），讓學生從“微觀”和“定量”的角度對溶液中離子的行為有更為直觀的認識。

2.選用Crocodile Chemistry模擬硫酸銅溶液滴入氫氧化鈉溶液中的電導半變化過程

硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液的反應有明顯的藍色沉淀產生，學生雖能看到明顯現象，但并不清楚現象背后的反應實質。而運用Crocodile Chemistry軟件進行實驗演示和實時數據處理（如圖3），可以學生讓看到未滴入硫酸銅溶液前氫氧化鈉溶液的電導率是個較高的值，而滴入硫酸銅溶液后，部分離子結合成沉淀從溶液中脫離出來，使得離子濃度在不斷減小，電導率在降低，依據曲線上的突變（拐點）來判斷反應終點。而最終電導率降為零，說明溶液中已沒有自由移動的離子。該圖像為學生用肉眼觀測反應過程中的細微變化提供了技術支持，從而促進學生更深刻地理解反應的實質。

3.選用Crocodile Chemistry模擬稀琉酸滴入氫氧化鈉溶液中的電導率變化過程

教材呈現的酸堿中和反應實驗，是通過指示劑顏色突變來判斷反應終點的，現象雖明顯，但并不能直觀說明微觀粒子的行為。而運用Crocodile Chemistry軟件進行模擬實驗并對電導率數據進行實時處理（如圖4）時可明顯地看到電導率在不斷變化，反映著溶液中離子濃度在不斷變化。由曲線上的拐點（突變）便可判斷反應終點，此時電導率并沒有降為零，意味著減少的是結合成水的U，和OH^-，而Na⁺和SO₄^2-仍在溶液中，從而讓學生直觀地理解中和反應的實質。

4.選用Crocodile Chemistry模擬醋酸鈉溶液滴入鹽酸中的電導率變化過程

大部分學生能夠從生成沉淀、氣體和水等三個宏觀角度來判斷離子反應的發生，但醋酸鈉和鹽酸的反應并沒有上述現象，這個化學反應到底能否發生，大部分學生對此感到十分疑惑。

通過Crocodile Chemistry軟件進行實時數據處理，顯示在滴入醋酸鈉溶液后，鹽酸的電導率顯著下降（如圖5），說明發生的化學反應使離子濃度下降。實際上，是由于Ac^-和H⁺結合生成了難電離的弱電解質醋酸，使溶液中離子的濃度明顯減少，該過程揭示了離子反應的本質是使反應朝著離子濃度減少的方向進行。簡單的模擬實驗卻發展了學生“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養。

四、反思總結

“離子反應”是高中化學的新知識，也是整個高中階段化學學習的重要基礎。Crocodile Chemistry模擬實驗軟件的介入能讓學生從宏觀和微觀層面體驗化學實驗中的真實情境，并借助數形結合，轉定性為定量，化抽象為直觀，在輔助學生高效學習知識的同時，進一步發展學生的思維品質。