基于IrydiumChemistryLab的四重表征教学模式研究
张雪莉 郭进利 杨金凤
摘 要：作者引入虚拟软件IrydiumChemistryLab，对四重表征教学模式应用于“盐类的水解”中进行研究，通过虚拟实验探究盐溶液的酸碱性及水解的影响因素，监测溶液微观组成及变化动态，分析粒子浓度柱状图，以化学符号用语表达盐类水解过程及盐溶液中的三大守恒关系，曲线表征与符号表征将“宏观层面观察实验现象”与“微观层面解释宏观现象”建立了有机联系，四重表征思维相互转化，形成独特的化学学习思维，最终实现了化学核心素养的培养。
关键词：IrydiumChemistryLab;四重表征;盐类的水解;虚拟实验
中图分类号：TP393? ? ? ? ?文献标志码：B? ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2021）06-0086-06
一、问题的提出
化学是一门理论与实践相结合的学科，2009年钱扬义等人提出“曲线表征”的分析方法，并将三重表征发展为包括宏观表征、微观表征、符号表征以及曲线表征的四重表征[1]。宏观表征具体内涵为感知具体现象以及变化，微观表征表现为表征物质内部微粒组成与结构、运动变化、相互作用以及反应机理等，符号表征为表征物质的组成与结构、性质的符号以及反应的方程式等，曲线表征为表征曲线图中的变量。四重表征教学模式是在真实课堂教学中创设驱动学生进行“四重表征”转化的问题情境，引导学生观察实验现象，思考现象的宏观本质，理解微观层面的信息，落实微观表征及其微观世界里的分子离子符号表征，观察实验过程中相关数据的曲线图像，落实曲线表征。
信息技术赋能教育为基础教育的信息化转型发展提供了动力[2-4]，教育信息化2.0时代推进了课堂教学中的信息技术与教育的深度融合，具有学科专业特点的教学软件工具的设计、开发与应用对构建课堂教学的信息化融合与新生态发展具有重要意义[5-8]。IrydiumChemistryLab是一款存在于美国化学集成网站的虚拟软件[9]，化学中存在许多概念、定理、本质、现象等需要实验来深入理解的知识[10]，但由于资金不足、环境污染、危险性等一些客观原因难以实施实验，利用该软件辅助教学，使实验过程没有限制，更直观可视。
“盐类的水解”是高中化学中的一大重点，几乎是每年高考中必考的知识点，更是高中化学知识中的一大难点，学生对水解的本质、方程式的书写以及盐类水解的影响因素等知识点难以掌握[11]，本文尝试在“盐类的水解”教学中应用四重表征教学模式，利用虚拟软件IrydiumChemistryLab监测：盐溶液的pH值落实宏观表征，盐溶液的粒子浓度柱状图反映粒子的种类及大小关系，落实微观表征及曲线表征，理解水解本质，书写水解方程式，落实符号表征。
二、基于IrydiumChemistryLab的四重表征教学研究——以“盐类的水解”为例
1.IrydiumChemistryLab软件功能及使用
该软件界面主要有三个区域，即左侧的工具菜单区、中间的实验区以及右侧的数据显示区（见图1）。菜单区提供了基础化学实验中常见的各种酸碱盐溶液、指示剂溶液以及常用的实验仪器，如容量瓶、烧杯、锥形瓶以及加热器等。实验区可以将溶液倒入反应仪器中反应，用加热仪器加热，滴定仪器滴定，如酸或碱遇指示剂变色的反应、酸和碱的滴定实验等。数据区可以实时监测化学反应发生过程，可以使溶液内部的温度、pH值、粒子浓度等由微观向宏观转化的“可视化”表征。
先简单了解溶液微观成分的实验，只需要在菜单区找到目标溶液并用鼠标拖动至实验区，数据区即可显示溶液内部定量化的数据;再到对目标溶液进行加热的实验，需要在工具菜单里找到加热器并用鼠标拖至需要加热的溶液下方加热即可进行;若进行两个溶液的混合反应，需要将目标溶液一一拖至实验区，鼠标点击将其中一个溶液拖至另一溶液瓶口，在实验区下方输入栏输入倒入的体积，反应即已进行，例如：NH4Cl溶液在室温下的pH值（见图2）、NH4Cl溶液加热过程（见图3）、Na2CO3溶液遇酚酞变色实验（见图4）。
2.“盐类的水解”教学设计理念及分析
“盐类的水解”这一节课的教学贯穿四重表征教学模式，利用IrydiumChemistryLab虚拟软件，从宏观角度来探究具体的微粒存在形式以及浓度大小，在浓度大小的柱形圖中直观感受微观组成及变化，曲线表征与符号表征将“宏观层面观察实验现象”与“微观层面解释宏观现象”建立了有机联系，教学过程中四重表征思维相互转化，加深对化学知识的理解，实现可视化、形象化的教学效果。
3.实现四重表征相互转化的教学策略
基于四重表征教学模式，设计盐类的水解教学任务，制定相应的应对策略，关系如表1所示。从宏观表征转化为微观表征体现在引导学生从虚拟软件探究不同盐溶液的pH值，从不同的宏观现象思考背后的微观动态以及盐溶液的水解率;从曲线表征转化为微观表征体现在从粒子浓度柱状图中分析盐溶液内部粒子成分;从微观表征转化为符号表征体现在理解微观水解本质、书写水解的方程式及内部粒子浓度关系;从符号表征转化为宏观表征体现在通过方程式推测盐类水解过程的热效应。
4.教学实施
探究性学习主要包括两个学习任务：①盐溶液的酸碱性规律，通过大量的虚拟探究实验来呈现不同盐溶液的酸碱性，引发学生的认知冲突;归纳酸碱性与盐类型的关系;②盐类水解的本质，通过个案探究内部组成变化，使水解呈现直观化，理解盐类水解的本质。
（1）盐溶液的酸碱性规律
设计意图：设疑引入，激发学生从宏观辨识到微观探析的学习兴趣，实现宏观表征到微观表征的转化。
教师设疑：盐溶液一定呈中性吗？引导学生思考，激发学生探究的欲望。
学生利用虚拟实验监测不同盐溶液的pH值。pH值与盐溶液都呈现中性的旧知产生冲突，学生自主填完表2，归纳出盐溶液“谁强显谁性”的酸碱性规律，并想要究其原因。
（2）盐类水解的本质
设计意图：思考盐溶液呈现不同酸碱性的本质，借助虚拟化学实验充分调动学生的学习兴趣，深入探究盐溶液呈现不同酸碱性的原因。通过软件呈现的柱状图，引导学生分析、思考出现新粒子背后的原因，从宏观的盐溶液酸碱性过渡到微观的盐溶液内部离子种类，使其思维从宏观深入微观，从静态转入动态。此过程落实曲线表征向符号表征的思维转化。
首先，以醋酸钠为例，虚拟实验CH3COONa溶液（1mol/L，25℃），数据区随即出现溶液内部粒子种类及大小的数据图表。如图5所示，学生发现25℃1mol/L的CH3COONa溶液中存在CH3COOH，疑惑不解，CH3COONa和H2O电离均不直接生成CH3COOH，那CH3COOH从何而来？教师引导学生思考并分析：①图5中CH3COONa溶液中存在的粒子种类和浓度;②CH3COONa盐溶液内部离子是否会发生相互作用形成CH3COOH？③H3COONa溶液为何显碱性？建立宏观表征深入微观表征的思维活动，由虚拟实验引发了学生认知冲突。
其次，由虚拟实验NH4Cl溶液（1mol/L，25℃）引发学生认知冲突，探究NH4Cl溶液的内部粒子。学生分析图6，思考：①NH4Cl溶液中为什么还出现了NH3;②NH4Cl和H2O电离均不直接生成NH3，那么NH3从何而来？③NH4Cl溶液内部离子会不会发生相互作用呢？④CH3COOH从何而来？⑤盐类水解的本质是什么？
最后，教师再次引导学生从宏观表征深入到微观表征的分析与评价的思维活动，学生得出结论：①CH3COONa溶液中出现的CH3COOH产生于CH3COONa和H2O电离产生的H+相互作用，使得溶液中的OH-浓度大于H+浓度;②NH4Cl和H2O电离产生的OH-反应生成了弱电解质NH3·H2O，溶液中的NH3正是由NH3·H2O电离而来，使得溶液中的H+浓度大于OH-浓度;③盐类水解的本质是盐电离出的弱酸阴离子或弱碱阳离子，结合水电离的氢离子或氢氧根，生成弱酸或弱碱，破坏了水的电离平衡，最终使盐溶液呈现不同的酸碱性。
（3）盐类水解的方程式
设计意图：教师引导学生学会并能熟练应用“四步分析法”，即水的弱电离、盐溶液的完全电离、离子间的相互作用、方程式的叠加。学生根据分析法“四步走”，推测出盐溶液内部的作用情况，深入理解盐类水解的本质，学会方程式的书写。再利用多种趣味性可视化的教学方式，使学生愉快地学习原本枯燥的理论知识，体会盐类水解的本质，直观感受微观世界离子的变化情况，进一步落实微观表征到符号表征的思维进阶。
基于IrydiumChemistryLab软件的虚拟实验，对CH3COONa溶液、NH4Cl溶液和NaCl溶液进行“四步分析法”的应用，结果记入表3。
学生应用分析法四步走学习了盐类的水解方程式之后，进入趣味化模拟阶段。教师组织四名学生模拟水解过程，学生分别扮演醋酸根离子、钠离子、氢离子、氢氧根离子。氢离子同学跟氢氧根离子同学俩人一出场就喊着：“我们是好兄弟，在水中数量相等，我们永远不分离！”而这时醋酸根离子跟钠离子组成的醋酸钠进来了，说：“我们是强电解质，在水中自由自在，互不干扰。”醋酸根离子看到氢离子后十分激动，说到：“咱俩才是天仙配，在一起形成弱电解质”，氢离子走后，氢氧根离子本来有些沮丧，但醋酸根离子给它说了几句悄悄话，氢氧根离子立马就开心了起来，笑着说：“你走了，我就是溶液中的老大！”
（4）盐类水解的热效应
设计意图：利用虚拟软件探究酸碱中和反应的热效应，进而推测盐类水解的热效应，培养学生逆向思维能力，此过程落实符号表征到宏观表征的思维转化。
教师引导学生活动：①书写盐类水解的方程式;②盐类的水解跟酸碱中和反应有何关系？③虚拟实验平台监测结果与盐类水解的热效应分析？
教师引导学生从符号表征深入到宏观表征的分析与评价的思维活动，得出结论：①盐类水解就是酸碱中和反应的逆反应;②虚拟实验酸碱中和反应并监测其热效应，盐类水解的热效应与酸碱中和反应的热效应相反。学生进行虚拟探究实验，具体实验过程如图7所示。
（5）综合分析与评价盐类水解的影响因素
设计意图：教师设置习题和问题驱动学生思考、分析盐类水解的影响因素，引导学生虚拟实验探究，计算水解率，理解影响盐类水解的因素。在这个过程中，从数学角度培养学生分析数据、处理数据、解决目标问题的能力，培养学生科学探究意识，落实宏观表征到微觀表征的思维进阶。
教师设疑：盐溶液由于水解使酸碱性不一，我们已经学习过影响化学平衡的因素有反应物自身的性质（内因）和温度、浓度（外因）等，那么影响盐溶液水解的因素有哪些？引导学生思考并进行类比推理，猜测可能的影响因素有盐溶液自身性质（内因）和温度、浓度（外因）。此时教师引导学生虚拟探究盐类水解的影响因素。
首先进行虚拟实验探究：对其他条件相同的NaHCO3、Na2CO3和NaCN溶液，监测pH值，计算水解率，对比、综合分析水解程度。学生实验后得出结论，如表4所示：①三种盐溶液的水解程度大小关系为：Na2CO3>NaCN>NaHCO3;②盐溶液的水解程度与自身组成有很大的关系;③组成盐的弱酸阴离子对应的酸越弱，盐溶液的水解程度越大，即“越弱越水解”。
继续进行虚拟实验探究：对温度均为25℃1mol/L和3mol/L的NH4Cl溶液，监测pH值，计算水解率，对比、综合分析水解程度。最后再将25℃1mol/L的NH4Cl溶液加热至35℃左右，同样监测pH值，计算水解率，对比、综合分析水解程度。学生实验后得出结论，数据如表5所示。①浓度和温度都影响盐的水解程度;②相同温度下1mol/L的NH4Cl水解程度大于3mol/L的NH4Cl溶液的水解程度，得出规律：“越稀越水解”;③相同浓度下34.9℃左右的NH4Cl溶液的水解程度大于25℃的NH4Cl溶液，得出规律：“越热越水解”。
（6）盐类水解中的不等式与等式
设计意图：盐类水解中守恒关系与离子浓度大小关系在教学中一直属于理论知识，以理论推导的方式讲授未免过于枯燥，而借助虚拟软件学生能够直观感受到离子浓度的大小及关系，体验学科的科学性，实现微观表征向符号表征的转化。
教师设疑：通过虚拟探究几种盐溶液的微观定量化数据，你认为盐溶液内部粒子浓度大小有序吗？
学生观察CH3COONa溶液的粒子浓度数据图，得出结论：CH3COONa溶液中，存在不等式：C（Na+）>C（CH3COO-）>C（OH-）>C（H+）>C（CH3COOH）。
教师追问：在物理学中，孤立系统电荷守恒，那么在盐溶液内部是否存在电荷守恒？
学生分析CH3COONa溶液的粒子浓度，得出结论：①C（H+）+C（Na+）=C（OH-）+C（CH3COO-）;②盐溶液内部电荷守恒。
教师再问：自然界中存在质量守恒，物理学上，质量守恒用于功能转换，也叫能量守恒;在化学中，质量守恒包括反应前后物质总质量不变、原子守恒、元素守恒。盐类水解中，为了使质量守恒通俗易懂，通常称之为物料守恒，盐溶液的物料守恒式是怎样的？
学生分析CH3COONa溶液的粒子浓度，得出结论：①C（Na+）=C（CH3COO-）+C（CH3COOH）;②盐溶液内部物料守恒即为水解前后原子种类数目不变。
（7）教学拓展——酸碱质子理论
设计意图：在学习了电荷守恒及物料守恒后，教师讲授酸碱质子理论，引导学生书写盐溶液中的质子守恒式，拓宽学生的思维，落实微观表征向符号表征的转化。
教师讲授酸碱质子理论，酸碱质子理论对以往的酸和碱的定义进行了扩充，凡是能给出质子（H+）的物质都归为酸，因此除了常见的强酸弱酸以外，NH4+、[Fe（H2O）6]3+等也属于酸;凡是能接受质子（H+）的物质都是碱，因此除常见的强酸强碱以外，CH3COO-、CO32-、Fe[OH]63-等属于碱;既能给出质子（H+）又能接受质子（H+）的物质称之为两性物质，如HCO3-、H2O、HS-、HPO42-等属于两性物质[12]。
讲解了酸碱质子理论后，教师设疑：能否用酸碱质子理论解释醋酸钠的水解过程？归纳盐类水解的本质？
学生思考醋酸钠的水解过程，得出结论：①CH3COO-（酸）接受了H2O给的H+（质子）形成CH3COOH，水接受质子H+形成H3O+，致使醋酸钠溶液显碱性;②盐类水解本质是酸给出质子、碱接受质子，致使盐溶液呈现不同的酸碱性。
教师引入质子守恒：既然盐类水解的本质就是酸给出质子、碱接受质子的过程，那么盐溶液中的质子守恒式如何书写？
教师讲授质子守恒式PBE的书写方式：①找出平衡体系参与质子转移的起始形式作为零水准;②写出质子转移平衡式，并对齐得失质子的产物;③根据得失质子产物浓度相等的原则写出[13]。
教师引导学生写出醋酸钠溶液中的PBE方程：
①以CH3COO-和H2O為零水准
②CH3COO-+H2O=CH3COOH+OH-
H2O+H2O=H3O++OH-
③C（CH3COOH）+C（H+）=C（OH-），此为醋酸钠溶液的PBE方程。
三、小结
宏观、微观、符号的时刻联系是化学不同于其他学科的主要特征。在“盐类的水解”教学中引入IrydiumChemistryLab虚拟软件，引导学生从宏观角度来探究具体的微粒存在形式以及浓度大小，在浓度大小的柱形图中直观感受内部组成及变化，曲线表征与符号表征将“宏观层面观察实验现象”与“微观层面解释宏观现象”建立了有机联系，教学过程中四重表征思维相互转化，使学生主动构建对化学知识的四重表征，有助于学生从一个特殊的宏微结合的视角分析问题和解决问题，加深对化学知识的理解，实现可视化、形象化的教学效果，此外，在“互联网+”时代，化学教学中应用信息技术会为教学注入活力，为教学改革带来新的发展契机。但在“盐类的水解”中利用IrydiumChemistryLab虚拟软件辅助教学，仍存在相关教学数据库的不足、用于虚拟实验的试剂及仪器有限等问题，随着科学技术的发展，有待进一步的研究。
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（编辑：鲁利瑞）
