DOC《浅谈化学仿真软件在实验教学中的使用》

浅谈化学仿真软件在实验教学中的使用 福州十一中化学组 吴克敏 化学是一门以实验为基础的学科,化学教学过程也是以化学现象为研究基础的,学生对化学概念的认识、理解和掌握,要依靠对化学现象的感知.

新课程教材中安排有演示实验、分组实验、探究性实验、"做一做"小实验等等,这些实验如果让学生都能亲自动手实践,对提高学生学习化学的积极性和加强认知的完整性会有很大帮助.由于目前教学中课时有限,很难达到这种理想的实验教学安排,某些化学现象由于学生不能得到完整的感性材料,容易造成感知上的障碍,影响了对化学的学习. 在我校的教学实践中一直很重视化学实验教学,在保证教学进度的前提下,除教师演示实验全部安排外,还将部分学生分组实验和探究性实验安排在课堂教学中同步进行,但总的实验课时依然过少.特别是我校化学实验条件有限,实验过程中主要采用分组方式,不是每个学生都有动手机会,有些同学还因为受负面报道影响,产生了对化学药品的恐惧感,不敢动手实验,在分组实验时常常沦为实验的旁观者. 为辅助化学教学,很多老师在教学中采用了多媒体技术.计算机技术不仅能再现或模拟各类化学现象,而且还能通过各种手段使微观的、宏观的、难以用实验演示的化学反应现象形象地再现.但目前的多媒体技术使用中还存在一系列问题.首先是影响师生间的情感交流,教学中,教师盯电脑,学生盯投影,师生缺少交流;

二是片面追求多媒体技术,完全放弃传统的教学方式,一堂课下来连一个粉笔字也不写;

三是信息量大,速度快,消化难.把传统的教师"满堂灌"变成计算机的"电脑灌",学生容易身心疲倦,效果也事倍功半;

四是教师常常盲目使用多媒体教学,只是为了赶时髦、摆花架子,为迫求所谓课堂现代化而滥用多媒体.五是以模拟实验代替动手实验,学生很少亲自做实验,缺少直观性,不利于学生实验能力培养. 为解决目前的教学困境,弥补传统多媒体课件的不足,在高一学生普遍对电脑基本操作熟悉的前提下,我们开始尝试在教学和课外指导学生使用仿真化学实验软件学习化学实验,也取得了一定的经验,下面就一些使用案例与各位同行商榷. 我们使用的仿真软件为福州教育局定制的金华科仿真化学实验室3.5,主要由三大部分组成,一部分是中学化学小百科,分别介绍了常见化学药品、概念常识、著名化学家等,元素化合物性质特别安排成元素周期表形式,只要点击相应元素符号,就会显示如下图显示的相关元素性质页面,学生可以轻松查询所学元素,这也是教师备课的好帮手. 图1:中学化学小百科 元素性质界面 第二部分是三维分子模型,常规有机化学教学中一般使用球棍模型和比例模型帮助学生了解有机分子的空间结构,但存在着模型少、体积大、使用不方便等问题,特别是学生回家后不能参照,缺少即时性.通过在课堂上使用三维分子模型软件,让学生尝试搭建各种三维分子球棍模型和比例模型,如甲烷、乙烯、乙炔、四氯化碳、酒精、醋酸、甲醛、甘氨酸、乳酸、葡萄糖等,然后分别沿着x轴、y轴、z轴旋转,从分子的各个角度进行观察,能够帮助学生非常直观地了解分子的空间构造,教师不再需要费力解释各种有机分子的空间构型,一图胜千言.学生课后还可以利用软件自带的模型库来了解生物课介绍过的嘌呤、嘧啶,以及苯并芘等等复杂有机物,扩展自己的知识视野. 图2 甲烷分子球棍模型 酒精分子的球棍模型 苯分子的球棍模型 仿真化学实验室第三部分,也是最主体部分是可以进行化学实验装置的装配和设计. 因为它是一个虚拟的实验操作,在实验现象的准确性上有很多不足,如反应中颜色变化常常不够准确.我们在教学中首先将该软件用来让学生熟悉各种化学仪器和对基本化学实验操作进行模拟演练.高一新生刚开始学习时,我们在网络教室中安排学生熟悉软件界面,如图3所示,软件中分为反应器件和辅助器件,点击相应化学装置图标,就会在右侧组装区出现各种对应的化学实验装置图(图4). 通过软件模拟方式,使学生快速熟悉实验操作步骤,消除学生的紧张感和恐惧感,进入实验室后学生的实际动手过程很顺利,提高了实验教学的效率. 实验设计是传统化学教学中的重难点,因为大型成套装置使用不方便,学生很少或基本没有实际组装的经验,一般就是在题目中出现后,老师和学生一起在纸上、黑板上画图研讨,或者老师将常见装置组装好后放在实验室让学生观察,这些方法时间耗费大,效果不理想.化学仿真实验室最为我们看重的是它还可以进行实验设计,比之在纸上画画写写要直观、清晰的多,也更符合信息化时代学生的信息接收模式,即使学生回家后,还可以在家中继续利用电脑研究,不受时间和空间的限制. 气体的制取和检验实验是学生非常感兴趣的实验,以实验室制取、检验和收集氯气的实验为例,在软件中组装好实验装置后,在各实验装置上单击右键,选择【添加药品】就可以在各装置中加入相应药品,软件自带的药品库中涵盖了初高中教学中全部的化学药品,并按固体、液体、气体、溶质、溶液、离子等方式进行分类,方便快捷,也可以直接在【药品名称】中输入所需要的药品化学式,不用区分大小写,如盐酸只要输入HCL或hcl就可以找到. 图5 添加药品操作 最后得到如下图所示的成套装置,点击图4主界面中运行图标,就可以像普通化学实验一样,点燃酒精灯、加入浓盐酸进行实验.随着浓盐酸加入,各装置中出现相应实验现象,如集气瓶中收集到黄绿色氯气,洗气瓶中品红溶液褪色等. 图6 氯气的制备、收集、检验和尾气处理 传统教学中按图6完成实验后,如果要进一步深化问题:上图所示装置收集到的氯气纯净吗,如果不纯,怎样除去氯气中的杂质,从而收集到干燥纯净的氯气?一般就只能从理论上分析出浓盐酸有挥发性,加热过程中会挥发出大量氯化氢气体,可以利用饱和食盐水除去,再通过浓硫酸干燥得到干燥纯净的氯气,至于重新更换实验装置进行实验,一般就不现实了.而这个传统教学很困难的探究过程,在仿真实验室中通过改进实验装置轻松完成. 图7 干燥纯净氯气的制备、收集、检验和尾气处理 化学仿真实验室除了能轻松改进实验装置外,还能通过查看相关【容器属性】,直接"看到"反应中各容器内发生的化学反应各药品物质的量的变化,从宏观到微观,从现象到本质,一目了然. 图8实验中饱和食盐水各组分物质的量变化 图9实验中饱和食盐水中发生的化学反应 化学仿真实验室中通过设置变量,还可以将反应中各物质的变化变为直观图像显示,用来辅助化学反应速率、酸碱中和滴定等定量内容的教学. 图10 反应图像绘制 虽然仿真化学实验是虚拟的实验,只是在电脑上进行操作,但是通过三维分子模型的搭建、实验仪器的认知、成套实验装置的装配、实验装置改进设计等探究活动,可以充分提高学生的兴趣和积极性,让学生增强自主设计的理念.另外这样的实验没有化学药品的污染问题,即使出现错误操作也不会对学生造成伤害,很安全,还可以重复进行操作,效率也很高. 从虚拟走向真实,为真实进行必要的铺垫,这是仿真化学实验的魅力所在,它不失为一种化学实验教学的有效手段.