智能手机取色软件在化学教学中的应用

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智能手机取色软件在化学教学中的应用
文I卢锐
摘耍：颜色是学生认知化学物质，进行宏观辨识的重要维度。

但传统教学中对颜色识别往往源自主观判断，不利 于学生开展微观探析，理解物质结构与变化本质。

应用智能手机取色软件，可以对颜色进行相对客观、精 确、连续的记录。

在优化测量环境后，选取酸碱中和滴定指示剂选择等三个教学情境进行了实验设计与教 学。

实验证明，应用取色软件进行颜色识别和量化，解决了传统实验中颜色表征不精确的问题，有利于学 生建立颜色与微观离子、微观过程的联系，参与辨析活动，发展其“宏观辨识与微观探析”素养。

尺键ili丨：宏观辨识；微观探析；颜色测量；取色软件
根据教育部颁布的《普通高中化学课程标准(2017年版）》，化学学科核心素养被划分为“宏 观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证 据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科 学态度与社会责任”5个维度m。

与知识与技能的掌握不同，核心素养的每个水平都指向现实问题或任务的解决|21。

“宏观辨识与微观探析”作 为化学学科核心素养的要素之一，是学生认知理解客观物质世界的基本路径。

颜色是学生“宏观辨识”最为便捷熟悉的指标与手段。

在化学教学中，教师通过化学物质的独特颜色或化学反应过程中的颜色变化，激发学生学习兴趣、引入教学内容、引发思考也是常用的教学手段。

但仅凭肉眼对颜色观察存在弊端：首先，肉眼对颜色的观察是主观的。

每个人对颜色的识别与描述存在差异，这在教学上的表现就是，教师对某物质颜色的描述（依据教材）与学 生的实际观察结果或主观判断存在较大偏差。

对 于极少数具有颜色识别障碍（色盲或色弱）的学 生，通过颜色辨识化学物质或反应现象相当困难。

其次，对于混合物体系和化学反应过程而言，颜 色对物质的表征往往停留在宏观层面。

学生难以通过宏观颜色的辨识，分析微观组成和变化。

最 后，常规的颜色辨识停留在定性层面，一定程度上还会受到外界环境尤其是光环境的影响。

基于以上考量，笔者设置若干适宜以颜色作为宏观辨识与微观探析手段的教学情境，并应用有取色功能的A p p辅助教学。

一、颜色空间与取色软件
颜色空间指某个三维颜色空间中的一个可见光子集，包含某个色彩域的所有颜色，可用于表示色彩之间的关系|31。

数字图像处理中常用的颜色空间有CA/}VCW}X、R/F、//57 等。

其 中，/?G S(R e d,G r e e n,B l u e)是数字图像处理中最常用的颜色空间，它通过红、绿、蓝三原色的相加来产生其他的颜色。

配色方程如下。

C=aR+b G+cB ( 255^a,b,c > 0 )
其中，C为任意一种颜色，W、G、5分别代表红、绿、蓝三种颜色，而a、6、c则是三原色的权值。

取色一般指具有图像处理功能的软件实时抓取光标位置的颜色，并转换为各种颜色空间（常 见为)的表示形式|41。

智能手机高清摄像功能曰趋强大，有的已经可以对摄像头所拍摄到的画面（以摄像头中心点为取色点）进行即时或非即时取色。

图1为某款取色软件的界面，可以看到，借助该软件可以将颜色识别并转化为
权值，并记录毎次取色结果。

在这种技术的加持下，实验者可对颜色进行
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—H.U---------
图1取色应用软件界面
相对客观、精确、连续的记录，为依托颜色幵展“宏 观辨识与微观探析”活动，为发展学生学科核心素养提供了可能性。

二、测量环境的优化
颜色的测量受外部环境尤其是光环境影响，应用取色软件进行颜色测定也不例外。

实践中发现，如果直接将样品溶液置于试管等表面为弧形的容器中进行颜色测量，由于试管表面对外部光线产生反射，颜色测量精度和可重复性均较差。

因此，笔者在教学中，将所有样品溶液置于长方体形的石英比色皿中测量。

同时，为了进一步确保测量时光环境的稳定性，笔者借助3D打印技术，用白色聚乳酸材料制作了一个智能手机支架（如图2 )。

测量时，将智能手机置于手机嵌入槽，再将装有样品溶液的比色皿置于比色皿槽中测量（采用白色材料背景，确保无色透明样品的测量值为255、255、255 )。

图2智能手机支架设计图
设计支架的环节也可以在引导学生操作的过程中完成。

这样，有利于学生了解定量分析过程中的环境控制因素，思考利用样品光学性质进行定量分析时需要着重控制的环境变量，有利于认识更为精密的光学定量分析仪器。

三、教学情境的选取
坚持发展“宏观辨识与微观探析”这一维度核心素养的初衷，笔者应用取色软件的功能，在 选择相关教学情境时，主要有以下几点考量：首 先，该情境下的传统教学中，颜色辨识是固有环节，但因为肉眼辨识颜色存在不客观、不精确等问题，学生尚存疑惑或认知矛盾；其次，某些情 境中，因为是多元混合物体系，各种颜色互相干扰，肉眼辨识存在很大困难；最后，开展教学活动需要对颜色进行连续定量测定的情境。

基于以上考量，笔者最终选取了以下几个情境，开展以颜色的定量、精确、连续识别为主要“宏 观辨识与微观探析”手段的教学活动。

(一）酸碱中和滴定的指示剂选择问题
酸碱中和滴定是高中化学定量分析实验中的重要教学内容之一。

对于滴定指示剂的选择，之 所以不选择石蕊溶液作为滴定终点的指示剂，教 材的解释往往是“在滴定终点附近的颜色变化不够明显”。

教学过程中，常有学生提出质疑，认 为滴定终点附近，石蕊溶液由红一紫一蓝的颜色变化足够鲜明，可以被肉眼观察到。

同时，以酚 酞溶液或甲基橙溶液作为指示剂进行滴定时，颜 色的变化是否能真正“指示”滴定终点，学生也会对宏观现象与微观变化之间的联系产生疑问。

(二）CuCI2浓溶液稀释过程中的颜色变化
C u C l2溶液存在四水合铜[C u(H20)J2+ (蓝色）和四氯合铜[C u C14]2+ (黄色）两种配离子，两者可以因浓度或其他条件改变互相转化，存在 以下平衡。

[C u(H20)4]2++4C r[C u C1J2++4H20
因为两种离子的颜色互相干扰，这一平衡移动过程中，颜色往往介于蓝绿色之间，学生难以
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通过宏观颜色对应到微观离子的变化（尤其是黄
色的四氯合铜离子，几乎不可能通过肉眼直接观
察到）进而判断平衡移动的情况。

(三）胆矾晶体结晶水含量测定
胆矾晶体结晶水含量测定是高中化学常见的
定量分析实验，除了传统的热失重法测定以外，
近年来也出现了利用分光光度计或色度传感器进
行的数字化（改进型）实验|51161。

明确硫酸铜溶液的颜色、吸光度等光学性质，与其浓度的对应关系，有助于学生对其溶液进行定量分析。

四、实验设计与教学过程
(―)酸碱中和滴定指示
剂选择
第一步，配制0.1 m o l/L的
盐酸、N a O H溶液各100 m L。

因为本实验只是为了模拟酸碱滴定过程中指示剂的颜色变化，故没有必要对盐酸和氢氧化钠溶液进行标定。

第二步，取约1 m L盐酸滴入比色皿。

第三步，将比色皿和手机装入智能手机支架。

第四步，分别以石蕊、甲基橙、酚酞溶液为指示剂，用0.1 m ol/L N a O H溶液模拟滴定0.1 m ol/L盐酸，每滴一滴N a O H溶液，用取色软件进行一次颜色表征，记录所得值随滴入氢氧化钠溶液体积的变化趋势（如图3至图5 )。

从图像可以明显地观察到，使用石蕊溶液做滴定指示剂时，滴定终点附近的值、S值都有一定的变化，但变化不明显。

在使用酚酞溶液和甲基橙溶液做指示剂时，G值或5值都出现显著变化。

这样定量分析可以帮助学生理解，所谓“颜 色变化不明显”对于滴定终点判断产生的影响。

同时，将上述曲线与滴定曲线对照，也可以帮助学生发现宏观颜色变化与微观粒子浓度（t T与 〇H_ )变化的对应关系。

(二）CuCI2溶液中的平衡体系
利用取色软件和智能手机支架，检测C u C l2溶液稀释过程中的颜色变化（每滴1滴水，用取
图3滴定过程颜色变化（石蕊溶液）
图5滴定过程颜色变化（酚酞溶液）
图6氯化铜溶液稀释过程颜色变化
色软件读取1次值），结果如图6所示。

通过图像可以观察到，随着溶液被稀释（图 像由右到左），溶液颜色的S值不断升高，G值
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不断上升，其变化对应的就是溶液中两种离子即蓝色的丨C u(H20)4]2+和黄色的[C u C l4f+浓度变化。

当然，还可以选择向溶液中加入氯化钠粉末、硝酸银溶液等，改变氯离子浓度，进一步探究颜色变化背后反应的平衡移动情况。

(三）硫酸铜溶液浓度测定
第一步，准确称量31.25 g胆矾晶体，用 250m L容量瓶配制0.5 m o l/L C u S04溶液。

第二步，将0.5 m o l/L溶液分别稀释到0.1 m o l/L、0.2 m o l/L、0.3 m o l/L、0.4 m o l/L备用。

第三步，分别将五种浓度的C u S04溶液滴入比色皿中，用取色软件识别颜色，读取
值（如图7 )。

可以看到，溶液的浓度与值有较好的
对应关系，尤其是S值与溶液浓度的线性拟合程度较高。

但是实验结果如果用于硫酸铜溶液的测定，还存在问题。

其中最突出的问题在于，即便使用支架对测量时的背景颜色固定为白色，但测量时的值还是很大程度受到光环境的影响，实 验的准确度和重复性较差，不适合用来做比较精确的定量分析。

五、改进与反思
笔者应用取色软件和智能手机支架进行颜色测定的系列实验，旨在通过颜色的定量、精确、连续测量，帮助学生建立起宏观现象与微观离子、微观过程的联系，提高辨析能力。

本系列实验针对若干教学过程中围绕颜色所产生的教学疑难点而设计，以智能手机为载体，突破宏观现象与微观过程之间的壁垒，帮助学生 建立宏微联系，解答疑惑。

同时，辅以智能手机应用软件，学生对化学物质与化学过程的观察又增加了一个渠道，其在实验和学习过程中，又会 产生新的疑问。

例如，应用取色软件读取及G5 值时，会遇到重复率低的问题，笔者就引导学生寻找更为精密准确的测量工具，如分光光度计或其他光谱测量手段。

事实上，相对于高中常见的利用化学反应进行定量分析的手段而言，本实验 的意义在于为学生拓宽仪器选用思路，用信息技术进行样品的理化性质测量、定量分析。

虽然相对于分光光度计等定量分析仪器，本 实验中应用的软件还存在准确度不高、重复率较低、适用样品范围窄（只适用于溶液样品，且能 够测量的是具有可见光范围内颜色的溶液）等缺 陷，但借助移动终端和手机应用软件，学生可以随时随地快速便捷地使用软件进行定性或者半定量测量。

精确测定，也有助于学生透过宏观的颜色现象，对微观过程进行探究。

参考文献
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(作者系复旦大学附属中学教师）
责任编辑：祝元志
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