酸碱中和滴定的原理 基于传感技术的教学设计

酸碱中和滴定的原理 基于传感技术的教学设计 龙照燕 魏 锐

基于传感技术的教学设计的指导思想和理论依据 1．建构主义学习理论对化学教学设计的要求 现代教学设计以现代学习理论为基础，建构主义学习理论认为，教学应以学生为中心，要求学生由外部刺激的被动接受者和知识的灌输对象转变为信息加工的主体、知识意义的主动建构者，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。只有在真实的情境中才能使学习更为有效。在建构性教学中，学生是知识的积极建构者；教师则是学生建构知识的支持者、辅导者和高级合作者，要求教师应当在教学过程中采用全新的教育思想与教学模式、全新的教学方法和全新的教学设计。在化学教学设计中体现建构主义的思想将使教学工作更加科学高效。 2．教学设计应遵循学生认识发展的规律——用问题组引导学生进行思考 人类认识事物的过程是一个从简单到复杂，由易到难，循序渐进的过程，学生的学习活动必然遵循这一规律。学生的学习活动是一种思维活动，思维贯穿于学习活动的始终。离开了思维活动，任何能力都难以形成和发展。心理学研究表明，思维总是在一定的问题情境中产生的，思维过程就是不断发现问题和解决问题的过程。 新课程中大力提倡的探究式教学有时也被人们称为“问题导向式”的教学，“问题”往往被视为探究式教学的核心。实际上，真正的学生探究活动整个就是由问题引导的，学生学习的过程其实就是一个问题解决的过程。在教学中，对于那些具有一定深度和难度的内容，教师应在对学生已有知识的分析和教材的深入研究之后，尽可能将要分析解决的核心问题，设计成若干个不同层次、不同梯度的问题，由于问题之间的难度不同、关系不同而形成了由低到高、不同层次的问题组。用问题组引导学生进行思考，能深刻理解有关知识，提高问题的整体效益。科学探究是一种知识建构的过程，而学生分析问题组的过程就是一种知识建构的过程。教师及时引导学生把问题讨论的结果进行有机整合，不仅核心问题获得解决，同时形成了系统的认知结构，学生的知识水平和分析问题的能力都得到了发展。

图1 利用问题组引导学生进行思考的教学设计过程 教师要认真分析教材，根据学生的认知特点，设计出科学的、有层次的问题组，在课堂教学中努力创设恰当的问题情境，通过问题启发学生积极的思维活动，以问题为主线来组织和调控课堂教学，充分调动学生学习的主体性，促进学生学习能力的形成和发展。并且及时引导学生把问题讨论的结果进行有机整合，形成系统的认知结构。

3．基于传感技术的教学设计是信息技术与学科整合的有效措施 信息技术是指人类对数据、语言、文字、声音、图画和影像等各种信息进行采集、处理、存储、传输和检索的经验、知识及其手段、工具的总和。学科整合是指整合学科分割所造成的知识支离破碎的状态，把不同学科的内容通过信息技术进行有机的组合，把知识与思维、理论与实际、感性与理性辩证统一起来。学科整合既有教育技术的整合，又有学科知识的整合。信息技术与学科课程的整合要发挥“不可替代”功能，要从实效出发，实事求是地解决问题。要多发挥信息的独特不可替代的功能，用不用，用什么样的教育技术，取决于是否有利于学生学习和教学质量的提高。在21世纪信息时代，我们有必要运用信息技术参与教学改革，进行学科整合，促进教学改革。 传感技术是当今世界一项令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。目前，传感技术的应用领域已经十分广泛，任何一个信息和控制系统都离不开传感技术。将先进的传感技术应用于化学实验及教学，可以快捷、方便地为学生提供较为精确的实验数据，帮助学生更好地理解实验中所包含的化学核心概念和原理，使学生提高科学探究的能力，体会技术在科学研究和社会生活中的重要意义，增强科技创新意识，全面提高科学素养。传感技术对化学实验的支持功能主要体现在以下方面： （1）突破传统实验的时空限制 传统实验多数都在实验室里进行，不易与周围的环境发生联系。由于传感技术仪器的便携性，使得教学和实验也能在室外方便地进行，突破了学习的空间限制；数据采集器采集数据的自动性，对于不同速率的反应可以设置合适的采集速率，使得反应速率很快和很慢的化学变化都能够方便地检测，突破了学习的时间限制。传感技术实验的实时性和直观性，让学生同时观察到实验现象和实验数据结果，能大大提高学生的学习兴趣和热情。 （2）进一步揭示化学反应的原理或实质 新课标突出体现的一个特点即是让学生通过实验探究来研究化学原理，揭示化学反应的实质。传感技术更高的灵敏度和分辨率、可控的采集速率、多样化的检测指标、形象化的数据显示以及强大的数据处理功能对此能起到很好的支持作用。例如温度传感器较温度计更加精确和灵敏，使许多热效应并不明显的实验都可以进入课堂；对于速率较快的化学反应，可以通过采集速率的设置使我们能够深入分析瞬间的反应过程；通过电导率、pH、压强、电流、电压、透光率等多种指标的检测，便于对各种反应的监控以及对化学反应原理的揭示。 （3）提供更多可供选择的定量实验 传感技术的使用，使一些传统的定量实验得到优化，实验过程更加简便，实验结果更加准确。例如可利用温度传感器替代温度计测定化学反应的反应热。同时，由于传感技术多种指标的检测功能使一批原理简单、操作复杂的定量实验变得简便易行，可供中学化学教学选用。例如化学反应平衡常数的测定、化学反应速率的测定、含铁物质中铁元素含量的测定等。这些定量实验的引入，对于学生定量研究意识和能力的培养将起到积极的促进作用。 （4）全面提高学生的信息素养 实验数据的获得、分析和处理是科学研究的重要环节。传感器是获得实验数据的一类有效武器，利用传感器可以获得实验过程中关于温度、浓度、色度、pH等很多方面的数据，利用数据采集器或计算机，可以将数据以图形形式显示出来，学生可以非常直观地对图形进行观察，然后作出判断或预测，还可以利用相关计算机软件，对数据进行线性拟合、微积分处理、数学建模等多种形式的处理，以发现隐藏在数据背后的化学规律和原理。有了传感技术和计算机及配套软件的支持，学生获得的数据就不再只是静态的，也可以是动态的，不仅有结果，也可以有过程，有助于提高学生的信息素养。 （5）有助于学生理性思维能力的提高 在传统实验中，我们主要是根据实验现象来提出问题。引入传感技术以后，我们还可以根据实验数据提出许多问题，使学生的思维处于积极、活跃的状态，同时也培养了思维的广阔性和发散性。这一过程中所包含的对数据的计算以及比较、概括、分析和综合都是培养思维的基本方法。有数据支持的实验探究活动也可以使化学同数学和物理一样，具有很强的逻辑性和严密性。 （6）提供更加丰富的教学资源 通过传感技术与实时录像系统的结合，实现实验现象和实验数据的有机整合，并且可以重复播放。这种数据和视频整合的教学资源便于我们在课堂上展示耗时较长、有毒、危险等特殊的化学反应；由网络和计算机支持的传感技术实验系统，使得学生的学习更加个性化，除了实时的实验探究之外，学生还可以利用计算机或网络进行实验的预习、复习或自学。 《酸碱中和滴定的原理》课时教学分析 1．酸碱中和滴定在中学化学中的地位和作用 定量分析在实际生产和科研中具有重要的价值，因此要学生了解定量分析的方法、掌握一定定量分析的技能、形成定量的思想非常重要。定量分析的种类很多，受学生基础的影响，不可能全部向学生展示。酸碱中和滴定操作简便、快速，并且有足够的准确性，因此，该方法具有很大的实用价值，在工农业生产和科学研究中被广泛使用。因此，中学阶段以酸碱中和滴定为案例，介绍定量测定的思路和方法。酸碱中和滴定方法本身是教学的重点，而其中蕴藏的定量测定的一般思路、思想则是该部分教学的核心，即由个案到一般的认识过程。 2．设计酸碱中和滴定实验方案所要考虑的核心问题 既然要达到让学生从酸碱滴定认识一般的定量测定方法，常规的教学无法满足要求，需要教师进行探究教学的设计，挖掘酸碱中和滴定作为一种定量测定的方法所蕴涵的定量分析的方法与思路。 设计酸碱中和滴定实验方案所要考虑的核心问题： 第一，酸碱中和反应的实质，即H+ + OH- = H2O；第二，酸碱中和滴定的计量依据和计算，即酸和碱起反应的物质的量之比等于它们的化学计量数之比。第三，如何准确判断中和反应是否恰好进行完全。本节课主要讨论原理的问题。本教学设计将酸碱中和滴定设计成“活动探究”，创设了一个真实的任务情境，而后转入对本节的重点内容即酸碱中和滴定原理的讨论，让学生设计方案解决这一问题。教师指导学生以盐酸滴定未知浓度的NaOH溶液为例，讨论滴定过程中溶液pH的变化，以及溶液从碱性经中性突变到微酸性的过程。根据指示剂在酸性或碱性溶液中的颜色变化来准确判断中和反应是否恰好进行完全并以此选择合适的指示剂。 综上，酸碱中和滴定的四个问题：确定反应；判断恰好完全反应；实验操作；数据处理是一致的。与定量分析要考虑的三个问题：反应原理；实验操作；数据处理是一致的。 本节课的教学难点是酸碱中和滴定的原理中如何判断恰好完全反应即指示剂的选择。而指示剂的选择这一难点要获得突破就要理解中和过程中pH存在的突跃。pH的突跃是真实存在的，但如何让学生直观感受到它的存在，是传统教学难以做到的，但使用传感技术可以解决这些问题。 3．教学设计思路 本课时属于分析化学的内容，主要讨论定量分析中强酸与强碱的中和滴定。本教学设计有两条主线： 一是方法线。教材将酸碱中和滴定设计成“活动探究”，创设了一个真实的任务情境，让学生设计并解决这一问题。教师组织学生设计实验方案，将学生分成小组讨论，最大限度地增强学生参与程度，通过学生的讨论，引导学生实验方案的设计就是要解决4个核心问题即确定反应；判断恰好完全反应；实验操作；数据处理。这就是酸碱中和滴定的分析过程，同时也是滴定分析的研究过程。使学生能够领会滴定分析的研究过程，进一步体会化学定量分析的方法。 二是知识线。本节课要完成的重要教学内容是酸碱中和滴定的原理。酸碱中和滴定原理的知识难点是指示剂的选择。通过实验设计方案中学生选择判断恰好完全反应的指示剂不相同，引导学生发现指示剂的变色范围和盐酸与氢氧化钠恰好完全反应溶液的pH不相同，使学生产生了强烈的认知冲突。此时教师利用传感器做实验：用0.1mol/LHCl来滴定0.1mol/LNaOH溶液，并利用计算机绘制出滴定过程中的pH的变化曲线。使学生真实的感受到反应过程中pH的变化特点，真正感受到滴定过程中“突跃”的存在，并结合课前布置的作业（内容见附件），通过教师的引导学生自己就可总结出在滴定终点时很少的盐酸的量（一