中学化学实验的计算机仿真模拟

摘要：化学实验的计算机仿真模拟是一种非常有效的新型教学辅助手段，具有多方面的优越性。本文以中学化学实验的无机实验即Ca（OH）2与过量的CO2反应和有机实验即乙酸乙酯的制备为例，阐述金华科仿真化学实验室的操作以及在中学化学实验中的应用，并将此款软件与最优的化学实验结构相结合来促进化学实验教学的发展。

关键词：化学实验；计算机；模拟；软件

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）03-0189-02

一、引言

化学实验是推行素质教育的一种有效形式，化学是一门实验学科，因此，化学实验在中学化学教学中处于相当重要的地位。目前由于实验教学经费、实验设备等条件的制约，基础化学实验教学遇到各种各样的难题。在实验教学中所用的试剂绝大部分有毒、有害、易燃、易爆、强腐蚀、实验费用高、教学时间长、占用资源多等特性，使学生的基本理论、基本操作、基本技能等得不到很好的训练[1]，化学实验教学质量不能得到提高。随着现代科学技术的迅猛发展，化学教学也应该利用现代科技手段达到提高教学质量的目的，特别是化学实验更应该利用计算机进行辅助教学，从而在教学效果上达到事半功倍的作用。利用计算机来预习和完成基础化学实验，模拟实验过程是当前化学实验教学的一种新模式，也是一种非常理想的实验教学手段。随着计算机技术的发展，先后出现了很多优秀的多媒体动画制作软件，如3Dmax、Director、Authorware、Flash等[2]，这些软件可以丰富和加强化学实验教学。因此，基于金华科仿真化学实验室软件特点可以设计和模拟化学实验，为学生提供一种新的学习方法，为教师提供一种新的辅助教学平台。

二、金华科仿真化学试验室简介

金华科仿真化学实验室是专门针对中学化学教学而研制的一个仿真化学实验软件。仿真化学实验室包括：化学仿真实验室、三维化学分子模型和中学化学小百科。在化学仿真实验室中可以自由的搭建实验仪器、添加药品，并让它进行反应。它不但有逼真的现象，还能提供准确的实验数据进行分析。利用三维化学分子模型的三维动画可以展示奇妙的微观化学世界。中学化学小百科有不同的分类资源，如元素周期表、化学药品、概念常识和化学家等资源，可以利用它十分方便的查找出相关的化学信息，并可以把这些信息以网页的格式输出。

三、典型无机和有机化学实验仿真

下面以中学化学中典型的无机实验和有机实验为例，简要介绍仿真化学实验室的应用。

1.无机化学实验：Ca（OH）2与过量的CO2反应。①搭建实验仪器和添加药品在仿真化学实验室的器件箱中选择实验仪器，按实验要求搭建好实验装置，把反应生成的CO2通入到Ca（OH）2溶液中。将鼠标移到锥形瓶处右键，然后选择“添加药品”选项，出现一个对话框。在对话框中选择“固体”选项，然后在“药品名称”中输入CaCO3（固体），在“物质的量”中输入0.5mol，然后点击“添加”，按同样的方法在锥形瓶中加入100ml的H2O（液体）。在分液漏斗中加40ml，0.5mol/L的HCl（溶液）。在集气瓶中加入40ml，0.01mol/L的Ca（OH）2（溶液）。②智能反应与制定反应。仿真化学实验室软件默认的是容器中的“智能处理反应”选项为选中状态，但为了达到更佳的效果，我们需要选择制定反应，调整容器中进行的反应方程式，并改变反应速度和反应平衡。同时可以看到计算机模拟化学反应的仿真效果。③定义变量和注释。为了更好地表现并分析这个反应，可以利用实验数据进行分析，首先需要对容器中的药品定义变量。如果想要知道反应过程集气瓶中碳酸钙和碳酸氢钙各自的量的变化，就要为这两种物质定义变量。首先弹出集气瓶的属性对话框，在集气瓶中添加CaCO3（固体），点击“添加”按钮，为集气瓶添加0ml的CaCO3（固体），然后点击“定义变量”按钮弹出定义变量对话框，再在工作区中点击一下鼠标，就会弹出“注释编辑”对话框，在此对话框中编辑注释。然后运行实验，就可以实时地看到集气瓶中Ca（OH）2（溶液）、CaCO3（固体）Ca（HCO3）2这三种物质的量的变化。④曲线图设置鼠标点击器件箱中的按钮，就能创建出曲线对象，鼠标右键点击这个曲线，在弹出的菜单中点击“属性”，这里会弹出“曲线对象设置”对话框。在对话框将各项设置好后，点击“确定”，再运行实验。

2.有机化学实验：乙酸乙酯的制备。下面我们应用金华科仿真化学实验室来模拟乙酸乙酯的实验室制备，并在此过程中介绍三维化学分子模型的使用。①搭建实验仪器和添加药品。按实验要求组装好实验装置并添加药品。往一只试管中加入3ml乙醇，然后边摇动边慢慢加入2ml浓硫酸和2ml冰醋酸。用酒精灯均匀加热，在另一只试管中加入40ml饱和碳酸钠溶液，产生的蒸气经过导管通到饱和碳酸钠溶液的液面上[3]，按要求连接好实验装置。②三维化学分子模型。利用三维化学分子模型搭建出乙醇和醋酸的球棍模型。根据不同需求，我们可选择四种不同的模型，从分子的微观角度上找出官能团的位置。从微观角度去看，我们就更能直观准确地理解酯化反应的原理。该酯化反应经历了加成―消去的过程，质子活化的羰基被亲核的醇进攻发生加成，在酸的作用下脱水成酯。可以用含氧的同位素18的乙醇和乙酸反应，发现乙酸乙酯里含有氧18的原子，从而证明酯化反应的过程是羧酸分子中羰基上的羟基跟醇分子中的氢原子结合生成水。为了让学生更直观地理解化学反应原理，我们利用三维分子模型来解释。

图2 乙酸与乙醇反应原理（球棍模型）

③课件的生成。课件的生成按不同需要可分为两种，一种是编译成可执行文件，一种是生成网络课件。保存好的文件可以生成VRML文件，也可以保存在IE浏览器中，在课件做好后，选择“编译成可执行文件”文件就能保存到指定的位置；若果是生成网络课件的话，则只要选择“生成网络课件”，按要求将课件保存好即可。

四、结论

金华科仿真化学实验室界面友好，易于操作，比较灵活，支持数据库，能够根据需要定制实验，数据处理功能比较强大，其他辅助功能如3d分子浏览器等能够满足对于实验的支持和扩充。利用金华科模拟化学实验可以减少药品的使用，经济实惠，同时不受环境，空间、时间等条件的限制，直观形象，学生的基本实验操作技能不受现实实验条件的影响，通过模拟化学实验学生的学习兴趣较易被激发出来，增大了教学密度和容量，保证了实验质量，大大减少了环境污染。但仿真化学实验室也有其不足之处，它是2d界面，不能模拟真实场景，所以还达不到3d界面的立体效果，在搭建实验装置过程中，导管弯管部分默认弯度为90度，不能进行弯曲的更改，因此达不到真实导管的效果。该软件中的化学表达式不规范，化学式中的数字不能用下标表示，比如碳酸钙和碳酸氢钙的化学式为CaCO3和Ca（HCO3）2，但在该软件中碳酸钙和碳酸氢钙的化学式的书写表达默认为“CaCO3”“Ca（HCO3）2”。虽然该软件的功能较强大，但它在化学实验教学上只能起着辅助作用，不可完全代替教师的教学[4]，同时，也不能完全决定教师的教学效果的好坏，所以教师应该有目的地采用适合中学化学实验教学的化学实验模拟软件来模拟化学实验，但不可以代替其它化学理论和实验教学手段、方法。

参考文献：

[1]祁正兴.ChemLab在化学实验教学中的应用[J].中国教育研究论丛，2006，（00）：151-152.

[2]崔静.中学化学实验的计算机模拟.中学化学教学参考[J].2004，（7）：27-28.

[3]王祖浩.化学必修2[M].南京：江苏教育出版社，2007.

[4]江兰，彭雪蓉，何晓利.计算机模拟实验应用于化学教学的研究[J].科技创新导报，2009，（2）：152-153.