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  1    问题的提出

  随着高等职业教育大众化，高职食品检验专业新生化学基础知识变得参差不齐、比较薄弱，而化学是食品检验专业的基础学科，化学学科与其他科目相比具有更显著的复杂性，其概念性较强，是理论、实验和计算相结合的一门学科。

  “酸碱中和滴定”是化学概念中一个重要的概念系统，涉及到的概念有酸碱中和滴定原理、滴定曲线、滴定突跃、突跃范围、指示剂及其指示剂变色范围、滴定终点等^[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，也是食品检验专业的学生必须掌握的基本操作技能之一。

  教师如何在酸碱中和滴定教学过程中展示多元外在表征，如宏观表征(中和反应的终点与指示剂颜色的关系)、微观表征(2H⁺+OH^-=H₂O)、符号表征(当恰好反应时： c (H⁺) V (H⁺)= c (OH^-) V (OH^-)、图像表征(pH 曲线)、动态表征(酸碱中和滴定动画实验)、听觉表征(教师的讲解)等，以便于不同的学生选择合适的方式，建立恰当的表征。本文以Netlogo作为展现“酸碱中和滴定”知识的多重表征的平台，能实时、直观地演示酸碱中和滴定过程中pH变化与加入的碱的量的关系，并实时生成pH曲线，能极大地引起学生的兴趣，帮助学生从多角度直观进行概念建构。

  多元外在表征是化学概念教学的重要方法，能帮助学生通过化学概念的各种表征形式进行有意义学习^[2]。知识多元外在表征(multiple external representations,MERs)指提供多样化的、弹性的信息呈现方式，同一知识点或学习对象可以分别使用文本、图片、声音、动画、多媒体等方式显示出来^[3]。外在表征的多元性表现为^[4]：(1) 表征感觉通道形式的多元，可以是听觉表征(教师的言语)和视觉表征(课件动画)；(2) 表征的计算属性的多元，可以是书写文本、化学公式等符号表征；也可以是图表表征、图像表征等形象形式；(3) 表征的存在状态的多元，可以是静态的图片表征，也可以是动画实验等动态宏观表征。它们是各不相同的表征，这些表征传递不同的信息。在国内外文献中，学生学习化学概念的多元外在表征主要以计算机为基础，特别是计算机模型比较多，并且在计算机动画或者模型中，侧重分子水平上的表征即微观表征。

  2    关于Netlogo软件简介

  Netlogo的特点在于运用多重表征方式，比较突出宏观现象、微观、符号的联系^[6]，让学生在理解的基础上进行记忆，最终达到灵活运用并解决问题的目的。

  随着计算机技术的发展，相继出现了各种类型的基于多元表征的教学软件，目前国外比较流行的有Netlogo、PHET等。其中Netlogo 是由美国西北大学连接学习与计算机建模中心(Centerfor Connected Learning and Computer-Based Modeling，CCL)基于Java 语言开发，该软件已经包括了涉及经济、社会、科学、人工智能等多个领域的软件模型库^[5]，该软件可以在网上免费下载(软件下载的网址：http://cclnorthwestern.edu/netlogo)。

  3    基于多元外在表征理论的“酸碱中和滴定”教学设计案例

  本文结合Netlogo中的“酸和碱”模型进行酸碱中和滴定教学。学生利用这个软件，在学习化学知识的过程中，既可以注意观察反应的宏观实验现象，又可以给出合理的微观解释，并能通过化学式、方程式等符号表征进行适当的表述和分析，深化学生对酸碱中和滴定的理解。“酸碱中和滴定”教学设计包括以下几部分。

  3.1    创设酸碱中和滴定实验情境

  教师活动：基于酸碱中和滴定法的优点，这节课我们就来学习测定酸度浓度的一种方法：酸碱中和法。

  学生活动：气体法、沉淀法、pH法、酸碱中和法。气体法难以准确测量气体的体积，沉淀法操作麻烦，pH试纸法不够准确，而酸碱滴定法易于操作，且准确度与精密度比较高。

  设计意图：以与学生食品检验专业相关的事例说明测定和控制溶液酸碱性的重要性并引出新课，帮助他们树立职业观念。

  问题引入：让学生品尝饮料厂的员工因为错误计算配制出来一种苹果醋，学生说跟正常的苹果醋相比酸度口感相差很多。假如你是化验员，你是否会去检验苹果醋的酸度？由此可以说明测定和控制溶液的酸碱性，对生产生活和科学研究等都具有重要意义。

  教师活动：有一瓶未知浓度的盐酸溶液，结合预习你能想出多少种测定其浓度的方法？

  3.2    酸碱中和滴定概念与原理(符号表征)

  恰好反应时： n (H⁺)= n (OH^-)； 酸碱中和滴定是用已知物质的量浓度的酸(或碱)去滴定未知物质的量浓度的碱(或酸)，测定完全反应时消耗的酸(或碱)，来推算未知浓度的碱(或酸)浓度的方法：

  教师活动：酸碱中和滴定原理是以酸碱中和反应为基础的，反应的实质是：2H⁺+OH^-=H₂O；

  思考：向20.00 mL盐酸中加入0.100 0 mol/L的氢氧化钠溶液20.00 mL后恰好完全反应，请计算盐酸的物质的量浓度。并讨论对于上述这个反应，实验的关键之处是什么。

  c _酸 V _酸= c _碱 V _碱

  学生活动：交流讨论，得出结论：0.100 0 mol/L；实验的关键之处：(1) 准确测量溶液的体积；(2) 判断恰好完全反应 ^[1]。

  设计意图：学生熟悉酸碱中和的离子方程式，学会从化学原理符号表征的角度去解释酸碱中和滴定的原理。

  3.3    滴定管的介绍

  学生活动：交流讨论，得出结论：有“0”刻度，精确度为0.01 mL，小刻度在上，大刻度在下；酸式滴定管装有酸性溶液，带磨口玻璃的活塞；碱式滴定管装有碱性溶液，带有橡皮管；聚四氟乙烯滴定管，因为它的材料特点，既可以作为酸式滴定管又可以作为碱式滴定管。

  教师活动：根据以上实验的要求，我们引入一种精确并便于滴加的仪器：滴定管。请同学们观察桌面上的3支滴定管，思考：这3种滴定管有什么共同点？区别是什么？

  3.4    指示剂的选择

  教师活动：刚才我们介绍了滴定管，解决了准确测量溶液的体积的问题，怎么判断恰好完全反应呢？中和反应没有明显现象，这里要借助指示剂来完成(图 1)。

  学生活动：发现它们的变色区间并不包括中性，与酸碱恰好完全反应并不吻合，有误差。

  

  图1 酚酞、甲基橙的变色区间

  Figure 1. Colour-changing ranges of phenolphthalein and methyl orange

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  教师活动：指示剂造成的误差，在一般实验当中是允许的。用标准氢氧化钠滴定盐酸时，使用酚酞作指示剂，当溶液无色变成浅红色时停止滴定，使用甲基橙作指示剂时，溶液由红色变橙色时停止滴定。

  3.5    演示实验(宏观表征→微观表征→图像表征)

  学生活动：观察并描述实验现象，并尝试解析产生该现象的原因：刚开始加入氢氧化钠，混合溶液总体呈酸性，颜色不变；随着氢氧化钠的加入，混合溶液由无色变成淡粉色，达到滴定终点，此时如果继续滴，会出现红色，根据滴定终点的体积，可以算出盐酸的浓度。

  教师活动：以用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定20.00 mL 0.100 0 mol/L盐酸溶液为例，从化学计量关系来解释滴定过程^[8](表 1)，并画出滴定曲线(图 2)。

  

  图2 用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定20.00 mL 0.100 0 mol/L盐酸溶液滴定曲线

  Figure 2. Titration curve of 0.100 0 mol/L sodium hydroxide solution titrate with 20.00 mL 0.100 0 mol/L hydrochloric acid solution

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  表1 用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定20.00 mL 0.100 0 mol/L盐酸溶液 Table1. 0.100 0 mol/L sodium hydroxide solution titrate with 20.00mL 0.100 0 mol/L hydrochloric acid solution

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  V_NaOH量/mLHCl被滴定百分数/%溶液的组成[H⁺]/(mol/L)pHpH变化规律 滴定前-H⁺ Cl^-1.0×10^-11.00由盐酸决定 10.00
  18.00
  19.80
  19.9850
  90
  99
  99.90H⁺ Cl^-
  Na⁺3.3×10^-2
  5.3×10^-3
  5.0×10^-4
  5.0×10^-51.48
  2.28
  3.30
  4.30渐变
  }突变
  渐变 20.00100Cl^- Na⁺1.0×10^-77.00 20.02
  20.20
  22.00100.1
  101
  110Cl^- Na⁺
  OH^-2.0×10^-10
  2.0×10^-11
  2.1×10^-129.70
  10.70
  11.68

  表1 用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定20.00 mL 0.100 0 mol/L盐酸溶液
  Table1. 0.100 0 mol/L sodium hydroxide solution titrate with 20.00mL 0.100 0 mol/L hydrochloric acid solution

  教师活动：演示氢氧化钠滴定盐酸的实验。取未知浓度盐酸20.00 mL，加入酚酞，用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定。

  设计意图：创设实验情境，培养学生观察、分析实验现象的能力，用“微观表征”“图像表征”来解释“宏观表征”。

  3.6    Netlogo解释酸碱中和滴定(宏观表征→微观表征→图像表征)

  

  图6 滴定曲线

  Figure 6. Titration curve

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  图3 “酸和碱”Netlogo模型界面

  Figure 3. The Netlog model of acid and base

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  酸碱中和滴定模型模拟了一元强碱滴定一元强酸的过程。打开“Strong Acid”界面(图 3) 。界面左上角设有控制酸碱分子数的滑块及滴加碱的按钮：“vol-acid”控制滴定操作开始前水溶液中的酸分子数，“vol-base”滑块控制滴定开始后每一次加入的碱分子数；界面左下角设有溶液pH变化曲线、滴定曲线及记录溶液pH的按钮；界面右边蓝色海龟代表水分子，绿色海龟代表水合氢离子，红色海龟代表碱分子，可以通过上方滑块来控制粒子运动速度处于较慢速度便于观察。

  教师活动：讲解酸碱中和滴定模型：首先设置酸碱的量，如酸(50 molecules)和碱(10 molecules)，此时没有加碱的情况下，锥形瓶中只有水分子(蓝色海龟)和水合氢离子(绿色海龟)，锥形瓶中溶液的pH一直保持在3.48(图 4)。随着氢氧化钠的不断加入，锥形瓶中除了有水分子(蓝色海龟)和水合氢离子(绿色海龟)还有氢氧根离子(红色海龟)(红色海龟分布在图像中心位置，就像滴定操作中氢氧化钠刚滴加进去，集中在中心位置，还没有扩散)，pH增加得非常缓慢，接近中性时突然加快，点击一次“add-base”键，可以改变1或2个pH单位，滴定曲线发生突跃变化(图 5)，达到滴定终点，如果继续滴加，pH曲线增加又趋于缓慢。按下“record pH”，自动绘制出滴定曲线(图 6)。

  学生活动：根据教师在演示实验中讲述的氢氧化钠与盐酸的计量关系，学生设置相关变量，小组讨论预测图像模拟、pH变化。然后操作界面上的按钮，控制、改变系统相关变量(酸碱的微粒数)，观察物质微粒的相互作用(中间窗口)以及有关性质的变化(如微粒数、pH)。重新设定新的相关变量，再相互交流，开展评选等，由此展现各种激发学生积极性和参与性的教学活动。

  

  图5 pH曲线

  Figure 5. pH curve

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  按“setup”键实验进入准备状态。界面右边布满酸分子和水分子。按“go”，粒子开始运动。每次加入碱后，“pH Curve”图均会发生相应的变化。监视器“pH”反应溶液某一时刻的pH。每一次滴加碱后，待示数稳定后，按下“record pH”键，在“Titration Cunre”中会自动记录下稳定时溶液的pH。以此类推，当滴定反应完成后，软件会自动绘制出滴定曲线^[7]。

  

  图4 pH曲线

  Figure 4. pH curve

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  设计意图：通过Netlogo模型，学生的思维不会受到约束，在自由的环境中进行操作和探究假设，并得到及时的反馈，享受探究的乐趣。实现了“宏观表征”向“微观表征”和“图像表征”转变，学会了从微观的角度去解释宏观实验现象。

  4    基于多元表征理论“酸碱中和滴定”教学设计的反思

  (3) 在软件中酸碱的量学生可以自由设置，根据设置不同的酸碱的量，观察现象，认识pH曲线的变化也不一样，学生多次练习软件后反映在实际操作过程中操作更熟练，滴定效果更好，滴定终点更容易把握。

  (1) 学生在实验操作过程中，氢氧化钠刚开始 滴入盐酸溶液中，宏观现象颜色不变化，但软件显示氢氧根离子和氢离子发生中和反应的过程，学生反映能更好地理解这个滴定反应的过程。

  以Netlogo作为展现“酸碱中和滴定”知识的多重表征的平台，帮助学生从多角度直观进行概念建构，促进学生对抽象知识的理解。本课题选取数十名学生作为被试，在学生操作使用该软件后进行访谈，访谈结果主要体现在如下3个方面：

  (2) 软件能显示酸碱溶液反应时的pH的变化，特别是pH的突跃范围，学生反映能更准确地控制和把握终点，在实验操作过程中滴加试剂时会更耐心仔细，控制好滴定速度，注意半滴滴加，太快容易滴加过量，会注意颜色变化，明白氢氧化钠与盐酸反应的pH变化过程。

  以Netlogo中“酸碱中和滴定”教学为例，其教学策略可以做进一步改进。教师在教学中，可以先提与课堂相关问题，让学生作出假设，当学生提出各自假设后，再与小组成员讨论最终形成小组统一的假设，教师进行实验的呈现和分析，此时，学生写下观察到的现象，并与原假设进行比较；最后小组讨论异同，确认和纠正自己的假设，最终形成结论。对于小组活动的形式可以多样，研究表明2人小组合作进行操作和观察时，学习效果比较明显，学生参与性加强。在小组活动时，教师先给学生一系列问题引发其思考，使用“预测-验证-确认或调整思路”的方式，结合实验操作来组织小组活动的教学^[9]。

• 1. [1]

     刘汝亭,罗德炳. 福建基础教育研究, 2014(11):74-76

  2. [2]

     任红艳.化学问题解决及其教学的研究.南京:南京师范大学博士学位论文,2005

  3. [3]

     唐剑岚.数学教育学报, 2008(1):30-34

  4. [4]

     Sanger M J, Brecheisen D M, Hynek B M. The American Biology Teacher, 2001:63(2):104-109 doi: 10.2307/4451051

  5. [5]

     雍忠能,陈凯. 软件导刊, 2012(9):8-9

  6. [6]

     韦斯林,柳秀峰,王祖浩.中国电化教育,2014(7):139-144

  7. [7]

     张凤,陈凯,蒋良军.软件导刊(教育技术),2010(6):74-76

  8. [8]

     牛培元. 分析化学.北京.中国商业出版社,1993:114

  9. [9]

     孙丹儿,韦斯林. 现代教育技术, 2012(7):114-117

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  图 1  酚酞、甲基橙的变色区间

  Figure 1  Colour-changing ranges of phenolphthalein and methyl orange

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  图 2  用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定20.00 mL 0.100 0 mol/L盐酸溶液滴定曲线

  Figure 2  Titration curve of 0.100 0 mol/L sodium hydroxide solution titrate with 20.00 mL 0.100 0 mol/L hydrochloric acid solution

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  图 3  “酸和碱”Netlogo模型界面

  Figure 3  The Netlog model of acid and base

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  图 4  pH曲线

  Figure 4  pH curve

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  图 5  pH曲线

  Figure 5  pH curve

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  图 6  滴定曲线

  Figure 6  Titration curve

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  表 1  用0.100 0 mol/L氢氧化钠滴定20.00 mL 0.100 0 mol/L盐酸溶液

  Table 1.  0.100 0 mol/L sodium hydroxide solution titrate with 20.00mL 0.100 0 mol/L hydrochloric acid solution

  V_NaOH量/mLHCl被滴定百分数/%溶液的组成[H⁺]/(mol/L)pHpH变化规律 滴定前-H⁺ Cl^-1.0×10^-11.00由盐酸决定 10.00
  18.00
  19.80
  19.9850
  90
  99
  99.90H⁺ Cl^-
  Na⁺3.3×10^-2
  5.3×10^-3
  5.0×10^-4
  5.0×10^-51.48
  2.28
  3.30
  4.30渐变
  }突变
  渐变 20.00100Cl^- Na⁺1.0×10^-77.00 20.02
  20.20
  22.00100.1
  101
  110Cl^- Na⁺
  OH^-2.0×10^-10
  2.0×10^-11
  2.1×10^-129.70
  10.70
  11.68

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