基于计算模拟的“气体溶解平衡”的拓展教学 (1).pdf

学科教学基于计算模拟的“气体溶解平衡”的拓展教学长青0刘健?1.上海市进才中学北校上海2 0 0 13552.上海科技大学物质科学与技术学院上海2 0 12 10摘要：利用计算模拟技术，开发了计算机程序实现一个简化的气体溶液模型。该程序可以直观地模拟气体在液相中的溶解情况，可以定量地探究各个因素对气体溶解平衡的影响。基于此程序设计了新的教学模式，使学生容易理解气体溶解平衡的若干性质，建立起化学体系的微观运动和动态平衡的观念，并了解实验数据记录和统计分析的基本方法。关键词：计算模拟；气体溶解平衡；拓展教学中图分类号：G633.8文献标识码：A文章编号：16 7 2-0 2 45（2 0 2 3）0 3-0 0 37-0 5一、信气体的溶解是中学化学中的一个非常简单的过程。气体溶解度仅同气体与溶液的相互作用，以及温度有关。亨利定律指出，在一定温度下，气体在液体里的浓度与气体的压强等比值为定值，即亨利系数。然而，气体溶解度测量起来对精度要求高，且在测量过程中存在诸多影响因素，如液体体积、气体压强、起始状态等，这些因素不但数量多，而且不易控制。因此，中学阶段的学习仅仅停留在定性研究的层面上，比如通过例举生活中的常见现象，如“开启啤酒瓶盖，有大量泡沫溢出”等说明气体在水中有一定的溶解性，和温度、压强有关 2 。这样的教学过程使得学生的直观体验太少，各个因素对气体溶解度的影响也难以定量表征。计算模拟是指在计算机上搭建真实世界中的分子模型并进行特定的计算和演化，类似于在计算机上构造一个真实的世界。笔者曾开发过模拟金属置换反应的程序，取得了较好的教学效果 3。本文针对气体溶解平衡，笔者开发本文通讯作者。了一个计算机程序实现一个简化的气体溶液模型。该程序可以任意设置气体微粒的初始位置、数目、液相体积、体系温度等，通过运行程序直观地观测气体在液相中的溶解情况。结束后，程序可自动统计气液相微粒个数和浓度，从而可以定量地探究各个因素对气体溶解平衡的影响。通过计算模拟技术的辅助教学将体系模型化，让学生在计算机上通过控制变量直观、定量地得到气体溶解平衡与温度的关系，促进学生深层次的认知能力的发展。同时，基于此程序设计了新的教学模式，使学生容易理解气体溶解平衡的若干性质，发展模型认知、微观探析、动态平衡的核心素养，了解实验数据记录、统计分析的基本方法。二、计算模拟程序应用于气体溶解平衡的模型开发我们将编写的一个计算模拟程序用于“气体溶解平衡”的拓展教学部分，设置教学环节从实验探究到计算模拟的深度学习。程序中构38期第年建了一个气液界面并放置一定数目的气体微粒，根据微观的运动特性和计算模拟的原理，设定了微粒之间的运动规则，使各个微粒可以在格点上做随机的热运动，并以一定规则穿越气液界面。在程序上可以任意设定溶液空间大小、微粒的个数和初始位置、气体微粒和液相的相互作用、体系温度等。而一旦这些条件确定，体系就可在基于Metropolis采样的蒙特卡洛算法 4 中进行模拟。具体的规则是：每一步中随机选择一个分子并尝试向四周移动，如果碰到边界或其他分子则拒绝这个移动，如果这次移动穿越了气液界面则按照Metropolis判据来判断是否接收这个移动。模拟自动运行若干步后，可得到满足真实世界运行规律（即玻尔兹曼分布律）的计算机模拟结果。学生可以在计算机上通过运行本程序软件，控制变量后定量地探究各个因素对气体溶解平衡的影响，并用模拟获得的数据进行统计分析。程序运行的界面如图1所示。区域“1”显示气液界面系统的结构，上部的浅色区域和下部深色区域分别为气相空间和液相空间，灰色小球代表其中所含的气体微粒，在该区域可直观观察到微粒的实时位置。区域“2”显示的为液气相中的微粒浓度比随时间变化的实时图像。区域“3”实时显示了程序运行过程中液气相中的微粒数目、液气相中的微粒实时浓度和浓度比，以及在结束后程序给出动态平衡后一段时间的液相气相浓度比的平均值。由于气体在气相中的浓度和压强正相关，液相气相浓度比可以看作是模型的“亨利系数”，该数值反映气体溶解度的大小。使用该模型可以研究气体分子初始位置、数目、液相体积、体系温度等因素对气体溶解平衡的影响。体系从非平衡态演化到平衡态需要一定的时间，这条基本的物理化学规律在该程序中有很好的体现。运行中参考图1所对应的区域“2”浓度比随时间变化的实时图像可以观测体系在一段时间的运行之后，气液相中的浓度比是否已经动态平衡。若判断微粒在两相中的运动已经动态平衡，则可以手动停止，或等程序结束区域“3”显示的液相平均浓度比数值。在程序中还可以设置运行时间，我们设置运行时间为2 0 0 0 0 步。经过测试，这个运行时间一般是够的。若微粒在两相中的运动还没有达到动态平衡，则可以重新设置长一些的运行时间。使用该模型可以研究多种因素对气体溶解平衡的影响，可以借助Excel完成实验条件和实验结果的记录，进行数据处理和图形表征。5.4浓度比（液/气）2.720050100进度（%）运行信息初始个数：液50气503时间：10 0 0 0个数：液62气3 8浓度：液0.10 3气0.0 38浓度比（液/气）：2.7 19平均浓度（液）/平均浓度（气）：2.6 0 188图1程序的界面三、计算模拟程序应用于探究影响气体溶解平衡的因素的教学课例(一）教学设计我们设定教学目标为：学生通过本节课的学习，（1）知道影响气体溶解能力的因素，会利用有关气体溶解度的知识解释身边的一些现象；（2）利用控制变量的思维方法，学会建立模型、运用模型进行实验探究，能够根据图表、图像提取有效信息并进行分析处理；（3）通过微粒在体系中溶解和析出的动态过程，建立变化观念与动态平衡的思想，体会化学之美。气体溶解平衡的拓展教学设计如图2 所示。39学科教学在情境中提出问题在活动中解决问题在应用中评价问题素养功能环节情境线问题链活动线方法链形式线方式链情境1问题1活动1方法1形式1方式1环节一宏观辩识气体的溶解能力与宏观实验探究温度、压强描述实验现象，师生、生生演示法变化观念什么因素有关？对气体溶解能力的影响猜测、讨论原理评价例举生活中的实例题2活动2方法2形式2方式2微观探析环节二温度如何影响气学生利用计算模拟自主探究演示法构建模型师生、生生模型认知体的溶解能力？温度对气体溶解能力的影响学生实验法数据处理、图像表征评价平衡思想活动3方法3形式3方式3科学态度环节三归纳总结系统梳理讨论交流应用练习师生评价社会责任图2气体溶解平衡的拓展教学设计（二）教学实录1.环节一：借助宏观实验探究温度、压强对气体溶解能力的影响（视频展示：水未沸腾前，锅壁上有气泡打开汽水瓶盖时，会听到“味”的声音。）（学生思考、讨论现象背后的原因。）宏观实验1：在两支试管中都倒入约2 0mL汽水，然后分别放入盛有冷水和热水的烧杯中，观察现象。学生1：盛有热水的烧杯中的试管有气泡冒出。教师：实验中的变量是什么？随着这一条件的改变，气体的溶解能力变小还是变大了？学生2：实验中的变量是温度。随着温度的升高，气体的溶解能力变小了。结论1：二氧化碳的溶解能力随温度的升高而减小。宏观实验2：先往注射器针筒中抽入约40mL可乐，静置到没有气泡从溶液中冒出，把针筒口堵住。用力把针筒的活塞向下拉，过一会后，松开活塞，活塞回原处。观察现象。学生3：向下拉活塞时，溶液中出现大量气泡。松开活塞，活塞回原处的过程中气泡逐渐减少。教师：向下拉活塞时，注射器内什么条件发生了变化？出现气泡，说明气体的溶解能力变小还是变大了？学生4：向下拉活塞时，注射器内压强减小了。出现气泡，说明气体的溶解能力变小了。结论2：二氧化碳的溶解能力随压强的减小而减小。2.环节二：借助计算模拟程序从微观层面探究影响气体溶解平衡的因素教师：气体微粒的数目、溶剂的体积等因素对气体溶解能力有影响吗？体系温度与压强具体怎样影响气体溶解能力呢？（教师演示：教师借助计算模拟分别探究气体微粒初始位置、气体微粒总个数和液相体积对气体溶解平衡的影响。）基于目前阶段学生的知识基础，且考虑到大数据处理的统一性和烦琐性，以教师演示的形式分别对气体微粒初始位置、气体微粒总个数和液相体积对气体溶解平衡的影响进行了探究。如图3（a）所示，定量探究了气体溶解平衡与微粒初始位置的关系。设置初始液气相中微粒总数为10 0 个，温度2 5，水量2 0，变量为液相中微粒的初始数目。比如，横坐标10代表初始时刻有10 个气体微粒在液相中，另外9 0 个气体微粒在气相中。每一变量程序分别测定3次，取平均值，结果如图3（a）所示。通过模拟的实验值，可以从定量的层面，直观得到气体溶解达到平衡后，液相气相的浓度比是一个常数，不受微粒初始位置的影响。同时，每次模拟都有一定的误差，这是微观体系固有涨落带来的属性，学生可以建立起40期第年化学体系的微观运动和动态平衡观念，并了解实验数据记录和统计分析的基本方法。在气体微粒初始位置不影响气体溶解度的实验结果上，修改参数通过控制变量的方法定量探究气体溶解平衡与气体微粒总个数的关系。设置初始温度2 5，水量2 0，变量为气体微粒在液气相中的起始个数。模拟结果如图3（b）所示，气体溶解达到平衡后，液相气相的浓度比是一个常数，不受气体微粒总数的影响。接下来，还定量探究了气体溶解平衡与液相体积的关系，结果如图3（c）所示，模拟结果表明气体溶解达到平衡后，液相气相的浓度比是一个常数，也不受液相体积的影响。根据理想气体定律，气体的压强和气相中的微粒浓度成正比，这个模型里气相的“压强”的变化也可以用气相微粒的浓度变化表示，显然不同体系的气相的“压强”是不同的。然而，模型的液相气相的浓度比（可以认为是“亨利系数”）是一个常数，从而验证了亨利定律。3.53.53.5实验值实验值实验值3.0理论值3.0理论值3.0理论值2.52.52.52.02.02.01.51.51.5020406080100020406080100010203040液相中气体微粒的初始数目体系中气体微粒的总个数液相体积（a）与气体微粒初始位置的关系（b）与气体微粒总个数的关系（c）与液相体积的关系图3溶解平衡后的液气相中浓度比（学生探究：学生借助计算模拟自主探究温度对气体溶解平衡的影响。）通过演示实验了解模型的基本构建和探究过程后，同时参考具体的教程（图4），学生自主定量探究了气体溶解平衡与温度的关系。学生在计算机上利用软件建立模型，控制变量只对温度参数进行改变，利用Excel自主设计实验表格进行数据的记录。需要指出的是，这里用摄氏温度主要是考虑用起来方便，且模型中的液相并非特指水溶液，0 以下和10 0 以上在模型中是合理的。在教学过程中，温度的设定引发了学生强烈的好奇心。除了常规的针对液相为水设定标况下温度范围在0 一100内的探究，学生在计算模拟中大胆尝试了设置体系温度为50 0，或尝试设置了体系温度为-10 0，积极主动地建立模型进行了验证。将数据收集汇总后再进行处理，转化为图表，如图5所示，模拟结果从定量上显示气体溶解平衡受温度影响较大，液相气相的浓度比不再是常数，而是随着温度的升高，溶解度逐渐变小。根据玻尔兹曼分布公式可以得到液相/气相的浓度比的理论值应为K=exp（-E/R T），其中K是平衡常数，R是气体普适常数，T是绝对温度，E是气体分子在溶液中的溶解能，程序中设定为T=273K下的RT值（因溶解放热，故E取负值）。模拟的结果显示，无论在趋势上还是数值上，都和理论值相符较好，说明该模型可以正确地描述气体溶解平衡现象。这点让学生惊叹不已，他们感受到了计算模拟的神奇之处，深人理解了气体溶解的若干性质。学科教学探究气体溶解度和温度的关系姓名：教程：1、设置变量参数：右击 gaspy文件，点击 EditwithIDLE，出现下框，找到蓝框所示部分TempC即温度，按自己所设定数值，对此变量进行修改CauheniAdmreratorbnktopleBunQpionswindomstelAithtF.T.723.01-24Belghe10HtSolu100Eepc300.0-1.5/保存所做修改：点击菜单栏中的File选择“save，关闭文件2、运行：直接双击gas.py文件，出现以下两个窗口，在黑色编辑窗口中，点击Enter即可运行，如下图所示：图4气体溶解平衡的拓展教学教程指导探究气体溶解度和温度的关系姓名：一、数据记录浓度比（Sol/Gas）温度-1000100300次数50014.3272.8922.1311.7501.583247012.9352.1181.4331.36935.0372.6521.9791.7061.462平均值4.68828632.0761.6151471二、温度-溶解度曲线图2.559.5200-100100200300400500600三、结论：在相同条件下，气体的溶解度随着温度的升高而降低（填写“升高 还是“降低”）图5学生自主探究设计实验记录单3.环节三：总结练习学生1：在相同条件下，气体的溶解能力随着温度的升高而减小。学生2：气体微粒不停地在做无规则运动学生3：模型中液气浓度比曲线显示达到气体溶解平衡后，气体微粒仍然进行着溶解和析出的运动学生4：气体溶解最终达到的是一个动态平衡。学生小结。师生、生生互评后，辅以适量的气体溶解平衡在生活中的应用，进行课堂练习。（三）教学反思在宏观实验的基础上，通过计算模拟将气体溶解的过程模型化，展示了气体微粒在两相之间无规则运动直至达到溶解的动态平衡，探究了气体溶解能力随温度、压强、微粒个数等各个因素的变化。尤其是学生亲历了自主探究温度对气体溶解平衡的影响的实验过程，充分体现了教学中学生的主体性，而且计算模拟技术手段的应用在很大程度上激发了学生的探究兴趣，使学生提高了数据记录、统计分析和图表绘制能力。借助计算模拟程序从微观层面探究影响气体溶解平衡的因素的结果显示，无论在趋势上还是数值上，都和理论值相符较好，说明该模型可以正确地描述气体溶解平衡现象。需要注意的是，我们将计算模拟应用于气体溶解平衡的教学定性为拓展性教学，只让学生亲历了温度这一因素的影响探究。这是由于计算模拟的过程既涉及模型构建，又包含了数据统计和图表的处理。我们的本意是借助信息技术的使用提高学生学习化学的兴趣，使其深人理解化学本质。然而，一旦过多地在课堂中引入计算模拟，就容易削弱化学学科的实验特色，且数据处理过多还会抑制学生的兴趣，因而需要教师在教学设计中小心地把握好宏观实验和计算模拟结合的“度”。四、结语通过气体溶解的过程模型化，展示了计算模拟方法在化学教学中的创新探索。我们采取“实验探究”和“计算模拟”相结合的教学方式，取得了很好的教学效果。这种教学模式让学生充分认识到宏观现象和微观运动的内在联系，提高了学生对微粒的运动观认识的严谨性。在不过多涉及分子结构细节的前提下，基于微观和动态层面体现出物质变化本质，并在实际操作中了解实验数据记录和统计分析（下转第48 页）48期第年上接第41页五、结语在数字化转型的背景下，“互联网+”教育越发普及。传统教学模式发生变革，也催生了创新的评价模式。为了保证教学效果，教师需要完成线下教学思维模式的转型，实现教学理念的突破，充分运用信息化手段，借助平台的功能优势，结合数据分析，进行精准教学。只有这样，教师的在线教学能力才能有实质性的提高。在线教育教学的评价需要花费教师的大量时间和精力，也需要学生的支持配合。实践证明，“三循环”在线评价模式的教学实践富有成效，也能为其他课程在线教学的评价改革提供借鉴与参考。参考文献：1李玉清.基于线上线下混合式教学的高职课堂教学质量评价调查研究一一以现代物流管理专业为例J.办公自动化，2 0 2 3，2 8（6）：39-42.2张铎.在线教学存在的现实问题与解决策略J.教书育人，2 0 2 1（2 2）：46-47.的基本方法。我们今后将会继续开发成套的针对中学化学教学的计算模拟程序，探索计算模拟在中学课堂上的教学方法和效果，并总结教学经验，以期获得更好的教学效果参考文献：1傅献彩，沈文霞，姚天扬，等，物理化学：上册M.5版.北京：高等教育出版社，2 0 0 5.2 上海市中小学（幼儿园）课程改革委员会：九年义务教育课本：化学九年级第一学期（试用本）M.上海：上海教育出版社，2 0 2 1.3徐莹莹，朱永海，龚雨秋.疫情期间在线教学作业设计及其效果分析一一以安徽省为例J.中国教育信息化，2 0 2 1（7）：6 9-7 2.4李鹏.评价如何促进学习？从泰勒到厄尔的探索与反思J.外国教育研究，2 0 2 0，47（1）：31-44.5戴文清.高中化学课堂教学多元化评价的目的与方法J.教学与管理，2 0 2 1（1）：7 2-7 5.【6 吕惠卿，吴巧凤，夏明，等.发展性评价在化工原理教学过程中的应用与探索J.化工高等教育，2011,28（4):7 8-8 0.【7 李逢庆，韩晓玲.混合式教学质量评价体系的构建与实践J.中国电化教育，2 0 17（11）：10 8-113.【8 李久军，黄静梅.人工智能重塑职业教育高质量发展评价体系的价值与路径【.中国职业技术教育，2 0 2 3（2）：2 6-33，42.作者简介：唐辰炜，中职讲师，工学硕士，研究方向为中职专业课课程与教学。3青，刘健.计算化学在基础教育的创新应用一一以“金属与盐溶液置换反应”的拓展教学为例J.化学教学，2 0 2 1（4）：9 3-9 7.4】FR ENK EL，SM IT.分子模拟一一从算法到应用M.汪文川，等译.北京：化学工业出版社，2 0 0 2.作者简介：青，中学化学中级教师，研究方向为中学化学课程与教学、信息化教育教学。刘健，上海科技大学副研究员，博士，研究方向为理论和计算化学。