動(dòng)畫仿真在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

田 冬，陳永紅，鮑 霞

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南232001）

動(dòng)畫仿真在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

田 冬，陳永紅，鮑 霞

（淮南師范學(xué)院 化學(xué)與化工系，安徽 淮南232001）

以希托夫法測(cè)定離子遷移數(shù)為例，自行運(yùn)用flash動(dòng)畫軟件制作了仿真實(shí)驗(yàn)動(dòng)畫的教學(xué)運(yùn)用，模擬了實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和原理。

flash；離子遷移數(shù)；希托夫法；仿真

自多媒體技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，在課堂教學(xué)中由于其展示的作品立體結(jié)構(gòu)鮮明、動(dòng)態(tài)行為逼真、內(nèi)容層次豐富等多種優(yōu)越性，合理的運(yùn)用多媒體技術(shù)常常在教學(xué)中能取得意想不到的效果，因而受到了教師和學(xué)生的青睞。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，其程序是老師先師范講解，而后學(xué)生動(dòng)手操作，上課的環(huán)境不適合于多媒體的安裝運(yùn)用。隨著時(shí)代和技術(shù)的發(fā)展，教學(xué)改革的推進(jìn)，計(jì)算機(jī)在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用也將越來(lái)越廣泛，因而計(jì)算機(jī)在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用將會(huì)有越來(lái)越廣泛地舞臺(tái)。

希托夫（Hittorf）法是測(cè)量電解質(zhì)溶液中離子遷移數(shù)的一種經(jīng)典方法，具有原理簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)。但該方法和界面移動(dòng)法、電動(dòng)勢(shì)法相比較，其缺點(diǎn)是不易得到準(zhǔn)確的結(jié)果，因而要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的把握能力要求更高?？梢酝ㄟ^(guò)改進(jìn)儀器裝置提高了測(cè)量精度和教學(xué)效果，推離子遷移數(shù)的計(jì)算通式，增加各種教學(xué)效果［1－2］，這些工作都提高物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)質(zhì)量和效果。我們教學(xué)團(tuán)隊(duì)用flash軟件開(kāi)發(fā)出了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)驗(yàn)要求事項(xiàng)和實(shí)驗(yàn)反應(yīng)現(xiàn)象的模擬仿真課件，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前先在計(jì)算機(jī)上把握實(shí)驗(yàn)過(guò)程，而后進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作，也收到了較好的教學(xué)效果。所用教材是孫爾康教授主編的《物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)》（第四版，南京大學(xué)出版社），除將直形遷移管改變?yōu)槿蚁Ｍ蟹蜻w移管之外其他無(wú)大改動(dòng)［3］。

1 動(dòng)畫仿真的優(yōu)點(diǎn)

隨之計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，在許多實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中也引入了微機(jī)系統(tǒng)，其主要用途有以下幾個(gè)方面：（一）信號(hào)采集和控制；（二）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理；（三）課件展示；（四）模擬仿真。人們?cè)谖锢砘瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)自動(dòng)化、控制化和智能化的操作系統(tǒng)，但是物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容廣泛，設(shè)計(jì)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電化學(xué)、表面化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)等多方面的知識(shí)，有些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)不是很多，但過(guò)程十分重要，不利于計(jì)算機(jī)的信號(hào)采集。應(yīng)用Macromedia Flash 8.0軟件制作的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的動(dòng)畫插件及DV拍攝的實(shí)驗(yàn)視頻，應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，即有理論的講解，又有實(shí)驗(yàn)的操作與結(jié)果（顏色、沉淀和氣體產(chǎn)生等現(xiàn)象變化）的教學(xué)，很好地落實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能的學(xué)習(xí)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)的變化與理論的嚴(yán)密推理相得益彰，與傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)手段相比較，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

其一，把不易描述的現(xiàn)象重新展示出來(lái)，有些物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中現(xiàn)象如果不容易描述時(shí)，采樣了可視化的電腦模擬之后，就能很輕松地把這些現(xiàn)象展現(xiàn)給學(xué)生。其二，現(xiàn)實(shí)中短暫的暫時(shí)的現(xiàn)象突出出來(lái)，有很多的化學(xué)反應(yīng)它的現(xiàn)象變化很快，不容易觀察時(shí)，如果采用電腦模擬時(shí)，這些過(guò)程可以無(wú)限次的回放給學(xué)生，或者放慢過(guò)程，在flash動(dòng)畫中都很容易實(shí)現(xiàn)。最后可以是有毒的、危險(xiǎn)的用品的代替，通過(guò)電腦模擬后，就可以減少甚至不使用它們，從而使得安全性提高，也可以保護(hù)環(huán)境。

2 主要仿真內(nèi)容

2.1 硫酸銅遷移過(guò)程的現(xiàn)象仿真

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是了解遷移數(shù)的意義，并用希托夫法測(cè)定Cu2＋離子和SO42－離子的遷移數(shù)，從而了解希托夫法測(cè)定遷移數(shù)的原理和方法。溶液導(dǎo)電的過(guò)程，即是溶液中正負(fù)離子定向移動(dòng)的過(guò)程，如溶液中無(wú)帶電離子，該電路就無(wú)法導(dǎo)通電流。在實(shí)驗(yàn)之前，為了學(xué)生對(duì)照課件上的裝置圖模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，Cu2＋離子向陰極遷移，SO42－離子向陽(yáng)極遷移，我們?cè)O(shè)置了遷移管中反應(yīng)的顏色逐漸變化來(lái)表示反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)展情況。

圖1 離子遷移示意圖

遷移過(guò)程模擬如圖1所示，在通電前，無(wú)論是陽(yáng)極區(qū)、中間區(qū)還是陰極區(qū)所有的硫酸銅溶液的濃度都是一樣的（藍(lán)色的深度一致）。在通電遷移之后，陰極管中藍(lán)色逐漸加深，陽(yáng)極管中溶液的顏色逐漸變淺，反應(yīng)了溶液中Cu2＋離子由陽(yáng)極區(qū)向陰極區(qū)定向移動(dòng)的結(jié)果，反映了不同極區(qū)溶液濃度的變化。設(shè)計(jì)這類動(dòng)畫效果，有利于學(xué)生理解離子的定向遷移過(guò)程。

2.2 滴定反應(yīng)前的溶液預(yù)處理仿真

為了求得各反應(yīng)區(qū)溶液中的Cu2＋離子濃度，實(shí)驗(yàn)中采用反滴定法來(lái)求算Cu2＋離子的含量，即首先在弱酸性環(huán)境下，讓CuSO4和過(guò)量的KI充分反應(yīng)，生成單質(zhì)I2分子，形成黃色的碘溶液，然后用標(biāo)準(zhǔn)硫代硫酸鈉溶液來(lái)滴定碘溶液，測(cè)定溶液中Cu2＋離子的濃度。所以設(shè)計(jì)出反應(yīng)時(shí)的現(xiàn)象變化，有利于學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的了解和探究。

圖2 預(yù)處理過(guò)程示意圖

圖2的場(chǎng)景模擬了預(yù)處理過(guò)程的示意圖，從表示未加入KI溶液和醋酸溶液前的待測(cè)硫酸銅溶液，到加入KI溶液和HAc溶液后原來(lái)溶液的變化情況，用灰色的過(guò)渡色示意有CuI沉淀的生成，以及用黃色表示為生成了I2的溶液顏色。通過(guò)這些顏色的生成和變化，來(lái)啟發(fā)學(xué)生對(duì)反應(yīng)結(jié)果和進(jìn)程的理解，能加深學(xué)生的記憶。

2.3 滴定的反應(yīng)現(xiàn)象和過(guò)程仿真

實(shí)驗(yàn)的最后步驟是用標(biāo)準(zhǔn)的硫代硫酸鈉溶液來(lái)滴定反應(yīng)生成的I2，用于求算溶液中Cu2＋離子的含量，來(lái)計(jì)算Cu2＋離子和SO2－4離子的遷移數(shù)，這一步反應(yīng)相對(duì)而言較為簡(jiǎn)單，屬于學(xué)生對(duì)以前知識(shí)的回顧，在這個(gè)場(chǎng)景里我們也模擬了整個(gè)實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程和反應(yīng)現(xiàn)象，以便加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的把握能力。

圖3 滴定過(guò)程示意圖

圖3的場(chǎng)景動(dòng)畫反映主要進(jìn)程和關(guān)鍵部分，表示了滴加NaS2O3溶液后，隨著I2濃度的降低，溶液的顏色逐漸變淺色，這時(shí)滴入兩滴淀粉指示劑后，由于顯色反應(yīng)的發(fā)生，溶液變成紫色。然后繼續(xù)滴定直到紫色消失，到整個(gè)反應(yīng)過(guò)程結(jié)束，都在這一場(chǎng)景反映出來(lái)。根據(jù)NaS2O3溶液的體積可以求算溶液中Cu2＋離子的濃度。

運(yùn)用動(dòng)畫，激發(fā)學(xué)生了興趣，提升教學(xué)效果。運(yùn)用多媒體動(dòng)畫軟件，可以較好的反應(yīng)實(shí)驗(yàn)變化進(jìn)程，便于教師的講解，也可以指導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)?zāi)M動(dòng)畫，能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。投入到教學(xué)中使用收到了比較好的教學(xué)效果，其他物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)類似的動(dòng)畫課件我們也正在研發(fā)之中。

［1］李宏玲，但建明，杜志堅(jiān)，等.對(duì)物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)的探討［J］.石河化大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，23（12）：106－107.

［2］張國(guó)林，劉正銘.希托夫離化遷移數(shù)測(cè)定儀的改進(jìn)［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2000（4）：100－101.

［3］孫爾康，徐維清，邱金恒.物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.南京：南京大學(xué)出版社，1998：72－77.

Application of Animation Simulation to Physical Chemistry Experiment Teaching

Tian Dong，Chen Yonghong，Bao Xia
（Department of Chemistry and Chemical Engineering，Huainan Normal University，Huainan 232001，China）

This paper applied flash animation software to making animation simulation in teaching physical chemistry experiment on the determination of ion transference number by Hittorf＇s method，and the experimentation was simulated.

flash；ion transference number；Hittorf＇s method；simulation

O646.54

：A

：1673－1794（2010）05－0085－02

田 冬（1977－），男，碩士，講師，研究方向：物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)與儀器分析實(shí)驗(yàn)。

淮南師范學(xué)院質(zhì)量工程（HSJY200902，TSZY200801）

2010－07－11