基于手持技术的探究实验设计与教学应用案例.pdf

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1、釉 仪 嚣 2 0 1 2 if - 第1 1 期 手持技术 集方便快捷 与可视 直观等特点 于一 身 ，充分利用手持技术的特点并针对课堂教学 中学 生容易产生错误的“ 基本化学观念” 设计和开展探究 实验 ， 可纠正学生的错误认识 ， 促进学生化学思维的 提升。下面笔者介绍在教学实践中设计并应用于课 堂教学 的探究实验案例一则 。 一 、探究实验设计的背景 在初中化学教学 中，教师为了能将问题简单化 处理 ， 常将反应结束限定为反应物 1 0 0 消耗 ， 导致 学生没有反应限度的概念。此外， 很多教师习惯将多 种物质混合在一起发生 的反应分步解 释，使一些学 生形成 “ 反应总是先后发生的

2、” 错误认识 。同时在初 中教学 中， 部分教师喜欢过分强化“ 酸碱盐” 概念 ， 使 部分学生认为盐类是中性的为帮助学生澄清以 上错误认识 ， 笔者选用初中教学 中“ 盐酸与大理石反 应制取二氧化碳” 实验结束后 的残液 ， 利用手持技术 设计后续探究实验并在课堂教学 中开展取得 了较 好的教学效果 。 二 、 实验探究过程 1 实验步骤。 ( 1 )在 2 5室温条件下取用过量块状大理石与 适量 2mo F L稀盐酸于烧杯中反应， 至 目测无气泡放出。 ( 2 ) 从烧杯 中取 2 0 mL反应残液于锥形瓶中， 往 锥形瓶中放入搅拌磁子 。并将锥形瓶置于磁力搅拌 器操作 台待用。 ( 3

3、)在碱式滴定管中装入5 0mL0 5mo l LN a 2 C 0 3 溶液。 ( 4 )连接好 p H传感器 、 数据采集器与计算机 ， 打开数据采集程序( V E N I E R L a b P r o ) ， 并开始采集数据。 ( 5 ) 打开磁力搅拌器 ， 挤压碱式滴定管玻璃球 ， 利用 N a 2 C O ， 溶液滴定锥形瓶中的残液 ，计算机实时 记录反应体系中p H的变化。 ( 6 )在滴定过程 中记录锥形瓶中的实验现象 。 2 实验结果。 按上述步骤平行实验 3次，所得 3次实验图象 基本一致， 均如图 1 所示 。图 1中数据呈现 ： 反应残 液初始 p H约为 2 ( A点

4、) ， 随着 N a 2 C O 的滴入 ， 反应 体系 p H 迅速上升至 B点 ( p Hi7 ) ， 之后缓速下降至 6 7左右后基本维持不变( B C段) 。 随着 N a 2 C O ， 的继 续加入 ， p H再度升高至大于 1 0 ( D点 ) 。 B c 厂 ， _ w f 上 2 0 o 4 o 0 s 图 1 用 0 5 mo l L Na 2 CO3 滴 定 大 理 石 与 盐 酸 反 应 后 残 液 的 p H 变化 图线 在整个实验过程中 ， 反应在进行到A一 曰段时。 可 观察到锥形瓶 中不仅有 白色沉淀生成 ，且 同时有气 泡放出。B C段体系内几乎观察不到有气泡

5、产生， 仅 见到大量白色沉淀不断生成。 三、 实验结果的分析与探究 如果学生有着与前面“ 实验设计背景” 中所述的 相似错误观念 ，那 么该实验所得实验图象与学生头 脑 中预期图象将会不一致， 具体表现在“ 认为反应结 束为反应物 1 0 0 消耗” 的学生会不理解 A点的初始 p H， 认为 “ 反应总是分步发生 的” 学生会惊讶于 A B 段 的实验现象， D点 p H数值则会让 “ 认为盐类为 中 性物” 的学生所不解。此外 ， 体系 B C段 p H不为 7 也 会成 为 学生 的 疑 问点 。为 解 释实 验 图象 中所 呈 现 的 p H的变化 ， 保证实验设计 的科学性 ， 笔者

6、进行了 如下理论分析与进一步实验探究 。 1 A点 p H 的计算。 从理论上看， 对于反应 C a C O 3 + 2 H + = C a 2 + + C O 2 T + H2 0， 查表得 AG ( C a C O 3 ) ： 一 1 1 2 8 8 k J mo l ， A G ( H ) = 0 k J m o l ， A G ( C a 2 ) = 一 5 5 3 5 k J mo l ， A G ( C O 2 ) ( g ) = 一 3 9 4 4 k J too l ， AG ( H 2 0) 一2 3 7 2 H m o l ， 反应的A G O = A G ( C a 2

7、) + AG ( C O ) + AG ( H： 0) ) _ AG ( C a C O 3 ) + 2 9 2 0 1 2年第 l 1期 S HI Y AN J I A OX UEYU YlQ 2 AG ( H ) 1 = 一 5 6 3 k J to o l 。 该 反 应 A G= A G + RT I n ，初始盐酸物质的量浓度为 0 2 m o l L， 根据方 L J 程式计量关系 ，反应接近限度时溶液中 C( C a ) 兰 0 1 mo l L。 故 在反应接近限度 AG = O时 ， A G = = RT I n ， l Jt J 止 E 时有 一 5 6 3 k J to

8、o l x 1 0 0 0 J k J =一 8 3 1 4 J Kx 2 9 8 K I n ， 理论 上 c ( H + ) ： 3 7 x 1 0 m o l L， p H= 4 4 。 J 在实际实验时 ， 4点为“ 块状石灰石和适量稀盐 酸反应至 目测气泡逸出不明显后” 的残液 ， 此刻只是 接近反应终点而非反应结束 ， 故 图 1中显示最初 p H 小于 4 4是完全符合实际的。 2 A B段发生反应的分析。 经上述分析 ，碳酸钙在与盐酸反应至 C O ： 气泡 放 出时 ， 溶液呈酸性 ， 此时溶液为 C a C 1 2 与极少量盐 酸的混合溶液。 在此混合溶液中滴入 N a 2

9、 C 0 溶液， 体 系又该发生怎样的变化呢? 在物质的量浓度为0 1 mo l L的 C a C 1 溶液中， 由 于 K ( C a C O 3 ) = 4 9 6 x 1 0 = 0 1 X C ( C O 3 2 一 ) ， 经计算 得生 成 C a C O 所需 C 0 3 2 - 物质 的量 浓度为 4 9 6 x l mo l L 。 在 p H为 4 4的溶液中发生如下反应： 2 H C I + C O3 2 - _- H 2 0 + C O 2 ， A G ： A G + R T I “ 开 1 ， 当A G 4 7 x l 0 。 mo | L时 C 0 3 消耗 H 十

10、的反 应开 始发 生 。 在实验 中， 以0 5 m o l L N a 2 C O ， 滴定混合液， 滴人 1滴约 0 0 2 mL N a 2 C O ， 后溶液 中 N a 2 C 0 的物质的量 浓度约为 ( 0 0 2 m L x 0 5 m o l L ) 2 0 mL = 5 x l 0 m o l L， 该 物质 的量 浓度大于 C a C O 3 生成 以及 C O 放 出所 需 C 0 3 2 一 物质的量浓度 ，也就是说一旦在碳酸钙与盐酸 反 应后 的残液 中滴 入 N a 2 C 0 ， C a 结 合 C 0 3 2 一 生 成 C a C O 沉淀和 H 与 C 0

11、 3 2 - 生成 C O 的反应应同时发 生 ， 此阶段 由于 H 的消耗 ， 体系 p H迅速上升。在实 际进行 实验 时 ，在体 系 p H迅速 上升 的 A一 曰段 ， N a ， C O 滴入时能见 白色 C a C O 生成 ，实验现象与理 论分析相吻合。 3 B C D段 p H 的分析。 在 曰 一 C阶段，体系中主要发生的反应为 C a C 1 + N a 2 c 0 3 = 2 N a C I + C a C O ， 从实验图象来看 B c段 p H 一 直维持稳定 ( 因搅拌所致的局部 p H微小变化不 3 0 考虑 ) 且为 6 7左右。此 阶段溶液 p H为何不是 7

12、 7 我们分析 ， B C段为 C a ， C a C O ， N a ， C 1 一 和极少 量 C 0 3 2 - ， HC O 一 ， 以及 A B段生成 的未溢出体系的 C O ： 共存体系，且 C a z + 在从 日到 C的过程 中物质的量浓 度逐渐减小。首先我们查阅资料并未找到有关 C a C 1 溶液 p H数据 的权威记录。 于是我们在实验室采用分 析纯 C a C 1 配制物质 的量浓 度为 0 1 mo l L的 C a C 1 2 溶液 ， 并利用 p H传感器测得溶液 p H 为 7 3 。往该溶 液 中加入 N a C 1固体 稍许 搅拌 再 测 量溶 液 p H，

13、发现 p H数据没有变化。然后我们再用 0 1 m o l L N a 2 C O 3 溶液滴定 C a C 1 ， N a C 1 混合溶液 ，持续记录滴定过程 中的 p H， 实验过程中 C a C O3 持续产生 ， 溶液 p H持续 保持在 7 2左右。 最后我们再取 0 1 m o l L C a C 1 ： 溶液 加少许 N a C 1固体混合 ， 然后往溶液 中通人 C O ： 气体 一 段时间， 再次测量发现溶液 p H为 6 8 。 以上实验操 作多次重复结果相同。 经分析初步认为图 1中 日 一 C段 p H数值小于 7 是由于溶液 中溶有 C O 所致。C点过后 ， 由于

14、 C a 消 耗殆尽 ， C 0 3 过量 ，该离子水解使得溶液呈现碱性 ， 溶液 p H升高。 四、 探 究实验 的教 学应 用 将该探究实验应用于教学 ，显然不是要求学生 从理论角度来进行分析。在实际教学 中可先向学生 讲述实验步骤 ，在理解实验过程后要求学生根据 自 己的理解画出可能的 p H变化图线。 然后再按照所述 实验步骤进行实际操作 ，引导学生观察各阶段的现 象并记录。待实验完成后 ， 对比实际 p H图线与学生 所画图线 ， 引起学生认知冲突， 激发探究热情 。 教师可引导学生分析 以下问题 ：第一 ， A点 p H 为何 小于 7 7 第 二 ， A 日段你 观察 到 了什

15、么现 象 ， 该现 象说 明 了什 么 ?第三 ， 写 出 B C段 的化学 方程 式 ， 并 讨论 一 C段 p H为何不是 7 7如何验证你 的结论 ； 第 四， D点 p H为何大于 1 0 7作为初中生 ， 通过A点 p H 的分析 ，可很好地接受 “ 反应结束并不意味着物质 1 0 0 消耗” 的观念。 A B段气体与沉淀共生成的现象 给了学生反应可共同发生的直观印象。 对于 B C段 ， 可引导学生按照前面“ 日 一 C段 p H分析 ” 中所记录的 实验探究方法进行探究 ，使学生了解复杂反应体系 的变量控制法 ， 提升实验探究能力。D点的 p H分析 可使学生直接理解 盐溶液的 p H不一定都是 7 ， 从而 尽量减少错误观念对于高中学习的干扰。 f 该文为江苏省教育科 学“ 十二五” 规划立项课 题“ 数字传感技术与中学化 学教学的有效整合” 研 究 成 果之 一 立项编 号 ： D 2 0 1 1 0 2 1 9 4 )