化学软件Crocodile Chemistry在“离子反应”教学中的应用
蓝仁敏
[摘要]“离子反应”是高中化学必修课程中的重难点之一，其內容抽象，课堂演示实验又无法展示溶液中离子的行为，学生对离子反应的微观原理缺少直观印象，为此借助化学软件CrocodileChemistry，模拟多种类型的离子反应，帮助学生直观地观察离子反应过程中的宏观和微观变化过程，从而提高高中化学课堂教学效率。
[关键词]化学软件，Crocodile Chemistry，离子反应
[中图分类号]G633.8[文献标识码]A [文章编号]1674-6058（2020）11-0051-03
2017年版高中化学课程标准进一步要求学生能通过以化学实验为主的多种探究活动学习化学，让学生通过参与科学探究过程自主获取化学知识，发展“科学探究与创新意识”核心素养。但由于当下中学化学实验教学受到实验条件、课时、师资配备等诸多因素的限制，学生动手实验的机会较少，更多的是靠教师在课堂上的演示实验来获取直观的感性认识。而在教师进行课堂演示的过程中，学生更关注宏观的反应现象，对反应的微观原理则缺少直观印象。鉴于此，本文以“离子反应”的教学为例，借助Crocodile Chemistry软件，着重探讨一种既简洁、高效、可操作性强、方便教师驾驭，同时又能在课堂上让学生从宏观和微观两个角度同时观察反应的现象与原理的教学方法，以培养学生“宏微结合”的科学素养和思维品质。
一、“离子反应”的教学难点及教材实验的不足
“离子反应”选自人教版化学必修1第二章第二节，它不仅是高中化学重要的基础知识，而且由于其涉及微观粒子在水溶液中的行为，也是整个高中化学的教学重难点之一。学生初中时虽已做过溶液的导电性实验，但他们的认识仅停留在宏观层面。在此基础上，教师可用问题组驱动学生思考：从微观的角度分析，究竟发生了怎样的反应才会导致溶液导电性的变化？为什么中和反应无明显现象，却可以判断其发生？什么是离子反应？离子反应的本质是什么？这些抽象问题的解答必须借助实验的手段。把实验内容和学生的讨论密切结合起来，才是认识电解质的电离和离子反应本质的最佳途径。
但教材中只呈现了几个简单的试管实验（如图1），对现象稍作分析后，便直接得出离子方程式的概念和书写步骤，再通过四组酸碱反应离子方程式的书写，得出离子反应的本质。
这样传统的课堂演示实验中存在以下不足之处：（1）学生无法从实验现象中直接观察到反应的微观进程，进而无法深刻理解“离子反應的微观实质是离子浓度的减小”;（2）这些试管实验在初中学习复分解反应时早已做过，若不能深入微观层面观察无异于“炒旧饭”，很难引起学生的兴趣和重视。
二、基于“微粒观”的离子反应实验教学文献分析
当下“离子反应”的教学研究热点集中在学生“微粒观”的建构上，这与化学核心素养中“宏观辨识与微观探析”维度相吻合。
付慧敏在《让学生“看到”离子在反应——关于离子反应教学的改进》中，通过改进溶液的导电性实验，利用滴定管控制试剂滴加速率，并借助磁力搅拌器使离子充分接触，通过灯泡明显的亮暗渐变，让学生“看到”离子反应的进行。何彩霞在《恰当运用对比实验帮助学生理解化学概念——以“离子反应”教学为例》中，分别往两杯Ba（OH）2溶液中逐滴加入Na2SO4溶液和H2SO4溶液，通过烧杯中的现象相同而串联的电流表指针变化不同说明两杯溶液中离子的“行为”有所差异。
采用直观化的教学手段也是培养“微粒观”的有效教学策略之一。林晓纯等在《将概念教学转化为以多媒体为主的教学——《离子反应》第二课时教学设计》中，利用多媒体播放实验视频和Flash动画来模拟微观离子的运动与结合过程，化静为动，激发学生的学习兴趣。但制作Flash动画耗时较长，要求教师具备较高的信息技术水平，这无形中增加了教师的备课量。而网络上现成的Flash教学动画良莠不齐，有些还可能存在科学性错误，使用时要注意甄别。
随着新课程改革和信息化浪潮的齐头并进，化学学科教学与信息技术深度融合的研究在全国范围内迅速展开。在我国教育发达地区，手持技术融合化学教学的应用研究已初具规模。与教学课件和Flash动画等这类常见的技术手段相比，手持技术能够深入化学微观世界，更加直观、全面和定量地辅助教学。目前在中国知网上检索到的将手持技术融合离子反应教学的文献就有50余篇。例如，兰宁静在《运用信息技术设计“离子反应”教学》中利用电导率传感器将实验现象与数据处理结果同步化，较好地探究了宏观与微观的关系。孙京在《电导传感器应用于离子反应教学的案例研究》中，利用电导传感器生动形象地将离子反应过程中离子浓度的变化显示在屏幕上，既帮助学生理解离子反应的本质，又提升了学生的学习兴趣，教学效果很好。马雪燕在《手持技术应用于{离子反应}教学的课堂实录》中，将手持技术应用于课堂教学，使学生能够深刻认识离子反应的本质，同时也培养了学生的科学精神和探究能力。胡爱彬在《基于DIS实验探究离子反应的生长课堂》中，利用DIS实验从离子反应的发生机理、进行方向、本质等角度帮助学生建构离子反应的概念，但在引人手持技术的实验中也遇到了一些问题导致教学效果打了折扣。例如，学生在做DIS实验时得不到较好甚至是相反的曲线，主要原因是溶液浓度过高，滴加试剂速度过快，传感器来不及全面感应而只检测到局部溶液的电导率变化，因此显示的电导率一直增大。传感器探头的保养和使用大多需要特殊条件，若不注意，会使得数据的重现性和稳定性不好，采集的信号峰会出现噪点（得不到平滑的曲线），对教学产生不必要的干扰。由于手持技术需要配套多种先进仪器，一般学校难以配备，因而在大范围地推广运用方面也存在一定的困难。
为此，笔者将Crocodile Chemistry模拟实验软件引入“离子反应”的课堂教学中。Crocodile Chemistry是一款功能强大的模拟实验软件，不仅能够展示肉眼“看不见”的微观世界，而且能逼真地模拟一些较危险、毒性大、耗时长等不便于课堂演示的实验，充分体现了信息技术与学科教学的深度融合，具有一定的推广价值。
三、“离子反应”课堂教学的相关实验研究
1.选用Crocodile Chemistry模拟电解质在水溶液中的微观电离过程
学生在初中已做过溶液的导电性实验，可通过灯泡的亮暗来判断溶液中是否存在自由移动的离子。但高中生的思维水平不能仅停留在“宏观”和“定性”层面，还应转向更深层次的“微观”和“定量”层面。因此，可以借助Crocodile Chemistry模拟实验来分别测定NaCl固体的电导率和将NaCl固体溶于水时电导率的变化，同时展示溶液中的离子行为（如图2），让学生从“微观”和“定量”的角度对溶液中离子的行为有更为直观的认识。
2.选用Crocodile Chemistry模拟硫酸铜溶液滴入氢氧化钠溶液中的电导半变化过程
硫酸铜溶液和氢氧化钠溶液的反应有明显的蓝色沉淀产生，学生虽能看到明显现象，但并不清楚现象背后的反应实质。而运用Crocodile Chemistry软件进行实验演示和实时数据处理（如图3），可以学生让看到未滴入硫酸铜溶液前氢氧化钠溶液的电导率是个较高的值，而滴入硫酸铜溶液后，部分离子结合成沉淀从溶液中脱离出来，使得离子浓度在不断减小，电导率在降低，依据曲线上的突变（拐点）来判断反应终点。而最终电导率降为零，说明溶液中已没有自由移动的离子。该图像为学生用肉眼观测反应过程中的细微变化提供了技术支持，从而促进学生更深刻地理解反应的实质。
3.选用Crocodile Chemistry模拟稀琉酸滴入氢氧化钠溶液中的电导率变化过程
教材呈现的酸碱中和反应实验，是通过指示剂颜色突变来判断反应终点的，现象虽明显，但并不能直观说明微观粒子的行为。而运用Crocodile Chemistry软件进行模拟实验并对电导率数据进行实时处理（如图4）时可明显地看到电导率在不断变化，反映着溶液中离子浓度在不断变化。由曲线上的拐点（突变）便可判断反应终点，此时电导率并没有降为零，意味着减少的是结合成水的U，和OH-，而Na+和SO42-仍在溶液中，从而让学生直观地理解中和反应的实质。
4.选用Crocodile Chemistry模拟醋酸钠溶液滴入盐酸中的电导率变化过程
大部分学生能够从生成沉淀、气体和水等三个宏观角度来判断离子反应的发生，但醋酸钠和盐酸的反应并没有上述现象，这个化学反应到底能否发生，大部分学生对此感到十分疑惑。
通过Crocodile Chemistry軟件进行实时数据处理，显示在滴入醋酸钠溶液后，盐酸的电导率显著下降（如图5），说明发生的化学反应使离子浓度下降。实际上，是由于Ac-和H+结合生成了难电离的弱电解质醋酸，使溶液中离子的浓度明显减少，该过程揭示了离子反应的本质是使反应朝着离子浓度减少的方向进行。简单的模拟实验却发展了学生“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
四、反思总结
“离子反应”是高中化学的新知识，也是整个高中阶段化学学习的重要基础。Crocodile Chemistry模拟实验软件的介入能让学生从宏观和微观层面体验化学实验中的真实情境，并借助数形结合，转定性为定量，化抽象为直观，在辅助学生高效学习知识的同时，进一步发展学生的思维品质。
