基于Corel軟件的四重表征設計在酸堿滴定中的運用

金曉董，徐 杲

(海寧衛生學校藥學教研組，浙江 海寧 314400)

1 問題的提出

2019年國務院印發了國家職業教育改革實施方案，鼓勵有條件的企業特別是大企業舉辦高質量職業教育，職業教育越來越受到社會的關注，隨之的要求也就逐漸增高。中等職業教育是職業教育的有機組成，是社會經濟發展的人才資源支撐。但是隨著中職教育的大眾化，必然導致中職藥學專業新生的生源質量下降，其化學基礎知識比較薄弱，參差不齊，如何使這批學生在中職教育中重新找回信心，這就需要教師利用現代化的教學手段，設計符合學生認知規律的課堂教學過程。

《分析化學》是藥學專業的基礎課程，是一門關于實驗、計算和理論相結合的應用性學科。酸堿滴定作為《分析化學》教學中的第一個定量實驗，主要包括酸堿滴定原理、滴定曲線、滴定突躍、化學計量點及指示劑的選擇等知識點[1]。它是學生在學習中最感困難的概念之一，既是分析化學定量分析的精髓，也是藥學專業學生必須掌握的基本操作技能。

表1 酸堿中和滴定對應的四重表征

華南師范大學錢揚義教授等提出了概念教學的“四重表征”教學理論，通過“四重表征”，深入透徹的認識對物質及其反應。根據這一教學理論，筆者將酸堿中和滴定的“四重表征”作如下定義[2-3]。

傳統的酸堿中和滴定的教學是以理論計算為結果作出pH-V曲線，通過滴定曲線解釋滴定突躍，再進行實驗操作教學。這種簡單的從“計算-pH-V曲線”的教學，使酸堿中和滴定的“曲線表征”十分抽象，學生難以理解pH-V曲線的變化過程。

教師應在酸堿中和滴定教學過程中展示宏觀表征、微觀表征、符號表征、曲線表征，以便于不同的學生選擇合適的方式，建立符合自己認知的表征。本文以Corel ChemLab軟件作為展現酸堿中和滴定的四重表征平臺，能實時、直觀地展示滴定過程中pH的變化與堿量的關系，并實時生成pH-V曲線，激發學生興趣，多角度的進行概念建構[4]，實現對滴定突躍、指示劑的選擇、滴定終點和化學計量點等知識的深刻理解，最終達到靈活運用并解決問題的目的。

2 關于Corel ChemLab軟件簡介

Corel ChemLab是美國COREL公司專為學生開發的模擬現代化學實驗室的全交互軟件[5]，即用戶必須通過具體的操作，按照實際試驗操作過程，達到模擬實驗的目的。

3 基于四重表征理論的“酸堿中和滴定”教學設計案例

本文利用Corel ChemLab軟件中的“酸堿實驗”進行酸堿中和滴定教學。通過觀察指示劑的變化，利用化學方程式的符號表征進行分析，深化理解，其教學設計包括以下幾部分：

3.1 創設實驗情境

創設情境：在某制藥公司的化學實驗中，擺放著1瓶100 mL未知濃度的氫氧化鈉溶液，假如你是實驗員，你該怎么快速有效的測定其濃度？

學生活動：pH法、沉淀法、酸堿中和法滴定。沉淀法和pH法操作繁瑣，準確度與精密度比較差，而酸堿滴定法操作簡便，相對誤差較大。

設計意圖：基于藥學專業的專業特點，創設符合專業特點的實驗情境，激發學生思考，引出本節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-符號表征)

教師講授：酸堿中和滴定是用已知物質的量濃度的堿(或酸)去滴定未知物質的量濃度的酸(或堿)，測定完全反應時消耗的堿(或酸)，反應實質：2H++OH-=H2O，來推算未知濃度的酸(或堿)濃度的方法[4]。

學生練習：20.00 mL 0.1000 mol/L的NaOH溶液與20.00 mL HCl溶液恰好完全反應，求HCl溶液的物質的量濃度。

學生活動：計算得出結論：0.1000 mol/L。

設計意圖：學生掌握酸堿中和的離子方程式，從而學會利用化學原理符號表征去理解酸堿中和滴定，并通過計算題的形式，引導學生把理論計算與實驗結合。

3.3 指示劑的選擇(宏觀表征)

教師提問：在沒有明顯現象的情況下如何判斷酸堿恰好完全反應？

學生回答：利用pH試紙，一名學生使用pH試紙操作鹽酸溶液滴定氫氧化鈉溶液，另一名學生利用手機的同屏互動功能將實驗過程傳送至電子白板，以便全班學生觀看實驗操作。

教師活動：pH試紙滴定實驗，其過程費時費力，且誤差很大，這里就需要借助指示劑來完成。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：指示劑變色時溶液pH值不是7，為什么我們能用指示劑來判斷酸堿完全反應呢？引出Corel ChemLab軟件。

設計意圖：通過連續兩個提問，步步深入顯化認識沖突，使學生的興趣提升到理性層面，培養學生觀察、分析實驗現象的能力。

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：打開Corel ChemLab軟件(圖2)，實驗內容選擇“強酸滴定曲線”，具體步驟如下：

①向空燒杯內倒入20 mL濃度為0.1000 mol/L HCl溶液，用鼠標拖拽含有HCl溶液的燒杯與空燒杯重合，當空燒杯圖像變亮時即開始倒入，停止時單擊即可。

②向HCl溶液的中加入酚酞指示劑，并連接pH計。

③滴定管內已裝有30 mL 0.1000 mol/L NaOH溶液。點擊滴定管，開始實驗，軟件自動彈出以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，并自動記錄讀數。

④觀察燒杯內溶液的顏色和滴定曲線的變化。

學生活動：分析滴定曲線(圖3)。

討論強堿滴定強酸的pH-V曲線變化，隨著強堿體積的增加，pH值從1開始緩慢增加至4.3左右，在化學計量點附近，迅速增加至9.7左右，然后又緩慢增加。

教師活動：解釋滴定突躍、突躍范圍的概念，并進行德育滲透“凡事貴在堅持，前期的默默努力就是為了最后的突躍，莫要倒在黎明前。”

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的指示劑，減小指示劑選擇不當造成的系統誤差；其二，為了減小視覺誤差，指示劑顏色應選擇從無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

設計意圖：以圖形的形式直觀地展示出滴定過程中溶液pH值的微觀變化。學生在虛擬環境中進行操作，及時得到反饋信息，享受探究的樂趣。實現宏觀表征與曲線表征有機鏈接，實現從微觀角度去解釋宏觀現象。

3.5 學生使用Corel ChemLab軟件繪制“強堿滴定曲線”

學生活動：根據教師的演示，使用“Corel ChemLab”軟件，選擇“強堿滴定曲線”，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。

設計意圖：學生舉一反三，由“強酸滴定曲線”向“強堿滴定曲線”遷移，為后續的實驗室酸堿中和滴定操作打下扎實的基礎。

4 基于四重表征理論“酸堿中和滴定”教學設計的反思

以Corel ChemLab軟件作為展現“酸堿中和滴定”知識平臺，符合中職學生的認知水平，主要體現在以下4個方面：

(1)酸堿中和滴定的“四重表征”教學設計，從定量角度認識，在理解符號表征的基礎上，基于Corel ChemLab軟件從宏觀表征開始，進入微觀表征，做后以曲線表征展示結果，將四種表征以單個、整合呈現，從多個角度進行化學概念構建，讓學生對化學反應有一個完整、透徹的認識。

(2)Corel ChemLab軟件能顯示酸堿溶液反應時的pH實時變化，特別是pH的突躍范圍，便于揭示化學反應的原理和本質。在實驗操作過程中，有利于學生更準確地控制和把握終點。

(3)Corel ChemLab軟件中有多個酸堿滴定實驗，包括一元弱酸、弱堿的滴定，學生在課后選擇不同的方案進行操作，認識pH-V曲線的多種變化。實現在實驗課開設不大量增加的情況下，學生能更多地接觸、嘗試不同的滴定實驗的目的。

(4)這種實驗方法突破了傳統實驗的時空限制，學生可以自由地選擇時間和地點進行重復模擬操作，減少實驗室污染，提高安全性，同時掌握簡便高效的實驗數據處理方法，是實驗教學的有力補充。

總之，基于Corel ChemLab軟件的酸堿滴定的四重表征教學設計是對傳統實驗教學的一種創新，對提高分析化學實驗教學質量的產生積極影響，并為后續的沉淀滴定法，配位滴定法，氧化還原滴定法的學習打下扎實的基礎[6]。