基于Corel软件的四重表征设计在酸碱滴定中的运用

金晓董，徐 杲

(海宁卫生学校药学教研组，浙江 海宁 314400)

1 问题的提出

2019年国务院印发了国家职业教育改革实施方案，鼓励有条件的企业特别是大企业举办高质量职业教育，职业教育越来越受到社会的关注，随之的要求也就逐渐增高。中等职业教育是职业教育的有机组成，是社会经济发展的人才资源支撑。但是随着中职教育的大众化，必然导致中职药学专业新生的生源质量下降，其化学基础知识比较薄弱，参差不齐，如何使这批学生在中职教育中重新找回信心，这就需要教师利用现代化的教学手段，设计符合学生认知规律的课堂教学过程。

《分析化学》是药学专业的基础课程，是一门关于实验、计算和理论相结合的应用性学科。酸碱滴定作为《分析化学》教学中的第一个定量实验，主要包括酸碱滴定原理、滴定曲线、滴定突跃、化学计量点及指示剂的选择等知识点[1]。它是学生在学习中最感困难的概念之一，既是分析化学定量分析的精髓，也是药学专业学生必须掌握的基本操作技能。

表1 酸碱中和滴定对应的四重表征

华南师范大学钱扬义教授等提出了概念教学的“四重表征”教学理论，通过“四重表征”，深入透彻的认识对物质及其反应。根据这一教学理论，笔者将酸碱中和滴定的“四重表征”作如下定义[2-3]。

传统的酸碱中和滴定的教学是以理论计算为结果作出pH-V曲线，通过滴定曲线解释滴定突跃，再进行实验操作教学。这种简单的从“计算-pH-V曲线”的教学，使酸碱中和滴定的“曲线表征”十分抽象，学生难以理解pH-V曲线的变化过程。

教师应在酸碱中和滴定教学过程中展示宏观表征、微观表征、符号表征、曲线表征，以便于不同的学生选择合适的方式，建立符合自己认知的表征。本文以Corel ChemLab软件作为展现酸碱中和滴定的四重表征平台，能实时、直观地展示滴定过程中pH的变化与碱量的关系，并实时生成pH-V曲线，激发学生兴趣，多角度的进行概念建构[4]，实现对滴定突跃、指示剂的选择、滴定终点和化学计量点等知识的深刻理解，最终达到灵活运用并解决问题的目的。

2 关于Corel ChemLab软件简介

Corel ChemLab是美国COREL公司专为学生开发的模拟现代化学实验室的全交互软件[5]，即用户必须通过具体的操作，按照实际试验操作过程，达到模拟实验的目的。

3 基于四重表征理论的“酸碱中和滴定”教学设计案例

本文利用Corel ChemLab软件中的“酸碱实验”进行酸碱中和滴定教学。通过观察指示剂的变化，利用化学方程式的符号表征进行分析，深化理解，其教学设计包括以下几部分：

3.1 创设实验情境

创设情境：在某制药公司的化学实验中，摆放着1瓶100 mL未知浓度的氢氧化钠溶液，假如你是实验员，你该怎么快速有效的测定其浓度？

学生活动：pH法、沉淀法、酸碱中和法滴定。沉淀法和pH法操作繁琐，准确度与精密度比较差，而酸碱滴定法操作简便，相对误差较大。

设计意图：基于药学专业的专业特点，创设符合专业特点的实验情境，激发学生思考，引出本节课的主题酸碱中和滴定。

3.2 酸碱中和滴定概念与原理(微观表征-符号表征)

教师讲授：酸碱中和滴定是用已知物质的量浓度的碱(或酸)去滴定未知物质的量浓度的酸(或碱)，测定完全反应时消耗的碱(或酸)，反应实质：2H++OH-=H2O，来推算未知浓度的酸(或碱)浓度的方法[4]。

学生练习：20.00 mL 0.1000 mol/L的NaOH溶液与20.00 mL HCl溶液恰好完全反应，求HCl溶液的物质的量浓度。

学生活动：计算得出结论：0.1000 mol/L。

设计意图：学生掌握酸碱中和的离子方程式，从而学会利用化学原理符号表征去理解酸碱中和滴定，并通过计算题的形式，引导学生把理论计算与实验结合。

3.3 指示剂的选择(宏观表征)

教师提问：在没有明显现象的情况下如何判断酸碱恰好完全反应？

学生回答：利用pH试纸，一名学生使用pH试纸操作盐酸溶液滴定氢氧化钠溶液，另一名学生利用手机的同屏互动功能将实验过程传送至电子白板，以便全班学生观看实验操作。

教师活动：pH试纸滴定实验，其过程费时费力，且误差很大，这里就需要借助指示剂来完成。介绍指示剂的概念及变色范围。

图1 酚酞、甲基橙指示剂的变色范围

教师活动：指示剂变色时溶液pH值不是7，为什么我们能用指示剂来判断酸碱完全反应呢？引出Corel ChemLab软件。

设计意图：通过连续两个提问，步步深入显化认识冲突，使学生的兴趣提升到理性层面，培养学生观察、分析实验现象的能力。

3.4 Corel ChemLab软件解释酸碱中和滴定(宏观表征-曲线表征)

教师活动：打开Corel ChemLab软件(图2)，实验内容选择“强酸滴定曲线”，具体步骤如下：

①向空烧杯内倒入20 mL浓度为0.1000 mol/L HCl溶液，用鼠标拖拽含有HCl溶液的烧杯与空烧杯重合，当空烧杯图像变亮时即开始倒入，停止时单击即可。

②向HCl溶液的中加入酚酞指示剂，并连接pH计。

③滴定管内已装有30 mL 0.1000 mol/L NaOH溶液。点击滴定管，开始实验，软件自动弹出以NaOH体积的X轴和以HCl溶液的pH值为Y轴的滴定曲线图窗口，并自动记录读数。

④观察烧杯内溶液的颜色和滴定曲线的变化。

学生活动：分析滴定曲线(图3)。

讨论强碱滴定强酸的pH-V曲线变化，随着强碱体积的增加，pH值从1开始缓慢增加至4.3左右，在化学计量点附近，迅速增加至9.7左右，然后又缓慢增加。

教师活动：解释滴定突跃、突跃范围的概念，并进行德育渗透“凡事贵在坚持，前期的默默努力就是为了最后的突跃，莫要倒在黎明前。”

指示剂的使用原则：其一，指示剂的变色范围部分或全部落在滴定突跃内的指示剂，减小指示剂选择不当造成的系统误差；其二，为了减小视觉误差，指示剂颜色应选择从无色向有色变化或从浅色向深色变化。

图2 Corel ChemLab软件界面

图3 酸碱滴定的pH-V曲线

设计意图：以图形的形式直观地展示出滴定过程中溶液pH值的微观变化。学生在虚拟环境中进行操作，及时得到反馈信息，享受探究的乐趣。实现宏观表征与曲线表征有机链接，实现从微观角度去解释宏观现象。

3.5 学生使用Corel ChemLab软件绘制“强碱滴定曲线”

学生活动：根据教师的演示，使用“Corel ChemLab”软件，选择“强碱滴定曲线”，以甲基橙做指示剂，采集HCl滴定NaOH的pH-V曲线，观察指示剂颜色变化与滴定突跃是否吻合。

设计意图：学生举一反三，由“强酸滴定曲线”向“强碱滴定曲线”迁移，为后续的实验室酸碱中和滴定操作打下扎实的基础。

4 基于四重表征理论“酸碱中和滴定”教学设计的反思

以Corel ChemLab软件作为展现“酸碱中和滴定”知识平台，符合中职学生的认知水平，主要体现在以下4个方面：

(1)酸碱中和滴定的“四重表征”教学设计，从定量角度认识，在理解符号表征的基础上，基于Corel ChemLab软件从宏观表征开始，进入微观表征，做后以曲线表征展示结果，将四种表征以单个、整合呈现，从多个角度进行化学概念构建，让学生对化学反应有一个完整、透彻的认识。

(2)Corel ChemLab软件能显示酸碱溶液反应时的pH实时变化，特别是pH的突跃范围，便于揭示化学反应的原理和本质。在实验操作过程中，有利于学生更准确地控制和把握终点。

(3)Corel ChemLab软件中有多个酸碱滴定实验，包括一元弱酸、弱碱的滴定，学生在课后选择不同的方案进行操作，认识pH-V曲线的多种变化。实现在实验课开设不大量增加的情况下，学生能更多地接触、尝试不同的滴定实验的目的。

(4)这种实验方法突破了传统实验的时空限制，学生可以自由地选择时间和地点进行重复模拟操作，减少实验室污染，提高安全性，同时掌握简便高效的实验数据处理方法，是实验教学的有力补充。

总之，基于Corel ChemLab软件的酸碱滴定的四重表征教学设计是对传统实验教学的一种创新，对提高分析化学实验教学质量的产生积极影响，并为后续的沉淀滴定法，配位滴定法，氧化还原滴定法的学习打下扎实的基础[6]。