莫小靜 丁偉

摘要：本研究借助pH、氧化還原電位傳感器定量測(cè)定電解飽和食鹽水制備漂白劑的過(guò)程，得到時(shí)間pH、時(shí)間氧化還原電位圖像，發(fā)現(xiàn)陰極的電極反應(yīng)與OH、Cl2的反應(yīng)共同影響溶液的pH變化，CUC1、HC10/C1：、HCIO/C1、CIO-/C1多種氧化還原電對(duì)共同影響溶液氧化還原電位。同時(shí)借助間接碘量法測(cè)定了在1.0A電流下電解100 mL飽和NaCI溶液3mlns制得的漂白劑的有效氯濃度，發(fā)現(xiàn)電解后的溶液可以用于餐具、瓜果蔬菜、織物消毒，能夠滿(mǎn)足日常生活所需。

關(guān)鍵詞：電解食鹽水；pH；氧化還原電位；定量計(jì)算

文章編號(hào)：1008-0546（2022）11-0088-05

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Bdoi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.11.020

一、研究問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)“電解飽和食鹽水”選白人教版高中化學(xué)選擇性必修1第四章第二節(jié)，用作電解原理的應(yīng)用的例子。教材中該部分內(nèi)容主要呈現(xiàn)了電解飽和食鹽水的原理及該反應(yīng)在氯堿工業(yè)中的重要作用，而對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、過(guò)程、結(jié)果并無(wú)過(guò)多呈現(xiàn)。并且該節(jié)內(nèi)容在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的重點(diǎn)往往放在了電解過(guò)程中陰、陽(yáng)極離子的放電順序的機(jī)械記憶上，較少關(guān)注到實(shí)驗(yàn)的本身。書(shū)中提到氯堿工業(yè)可以制備“含氯漂白劑”，學(xué)生只能知道定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但是無(wú)法量化感知制備的過(guò)程。要電解多長(zhǎng)時(shí)間才能得到滿(mǎn)足日常生活所需的含氯漂白劑？得到的含氯漂白劑濃度是多少？對(duì)于這些量化的指標(biāo)教材中都無(wú)法給出確定的答案。

針對(duì)此現(xiàn)狀，本研究著重探究以下問(wèn)題：

（1）電解飽和食鹽水過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)的微觀過(guò)程是怎么樣的？微粒如何運(yùn)動(dòng)？

（2）需要電解多長(zhǎng)時(shí)間才能得到滿(mǎn)足日常生活所需的含氯漂白劑？得到的含氯漂白劑的濃度是多少？

二、實(shí)驗(yàn)方案

1．實(shí)驗(yàn)原理

（1）電解飽和食鹽水過(guò)程的pH和氧化還原電極電位的變化

電解飽和食鹽水的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

陽(yáng)極：

陰極：

總反應(yīng)：

在電解質(zhì)溶液中，Cl：和OH-進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)：

Cl2+OH-=HClO+Cl-

④

HClO+OH-=ClO-+H2O

⑤

ClO-是漂白液的有效成分，也是氯堿T業(yè)的副產(chǎn)品，利用其氧化性能夠?qū)a(chǎn)品漂白。

氧化還原電位即ORP（Oxidation Reduction Poten-tial）能夠反映溶液的宏觀氧化還原能力，是水溶液氧化還原能力的測(cè)量指標(biāo)，其單位是mV。從廣義上講，每1種不同的物質(zhì)都有一定的氧化／還原能力，這些氧化還原性不同的物質(zhì)能夠相互影響，最終構(gòu)成了一定的宏觀氧化還原性。因此，ORP可以用來(lái)反映水溶液中所有物質(zhì)具有的宏觀氧化還原性。溶液氧化性越強(qiáng)，ORP越大；溶液還原性越強(qiáng)，ORP越小。

在電解飽和食鹽水的過(guò)程中，由于生成了具有氧化還原能力的微粒，因此，可以測(cè)量反應(yīng)過(guò)程中的ORP的變化，進(jìn)而可視化反應(yīng)的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程。同時(shí)電解飽和食鹽水的過(guò)程生成了OH-，這是影響ClO-生成的重要因素之一，因此測(cè)量化學(xué)反應(yīng)過(guò)程pH變化也能夠可視化化學(xué)反應(yīng)的微觀進(jìn)程。

（2）漂白劑與溶液的酸堿性

pH與次氯酸鈉溶液平衡關(guān)系如圖1所示：當(dāng)溶液的pH<2，溶液中主要成分為Cl2；當(dāng)溶液48，溶液中的主要成分為ClO-。Cl2／Cl-的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為1.36 V，HClO/Cl2的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為1.61V，HClO/C1-的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為1.48 V，ClO-/Cl-的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)為0.89 V。

（ 3）NaCl0的不穩(wěn)定性

次氯酸鈉溶液在光照、加熱的環(huán)境下會(huì)發(fā)生白發(fā)的分解反應(yīng)，主要化學(xué)反應(yīng)方程式：

2NaClO=2NaCl+O2

⑥

3NaClO=2NaCl+NaClO3

⑦

次氯酸鈉溶液在常溫下會(huì)發(fā)生自然分解釋放出新生態(tài)原子氧：NaClO=NaCl+[O]，而新生態(tài)原子氧具有強(qiáng)烈的氧化作用，能進(jìn)一步引起一系列的反應(yīng)：

NaClO+H2O=NaOH+HClO

⑧

NaClO+2HC10=NaClO3+2HCl

⑨

HCl+NaOH=NaCl+H2O

⑩

3NaClO=NaClO3+2NaCl

研究表明，在堿性條件下，次氯酸鈉水溶液的分解主要是由反應(yīng)（6）引起的一系列反應(yīng)中各組分相互作用的宏觀結(jié)果，[1]而[O]的放出是次氯酸鈉分解的關(guān)鍵步驟，分解反應(yīng)宏觀上表現(xiàn)為準(zhǔn)一級(jí)反應(yīng)。因此，當(dāng)體系的溫度不變時(shí)，NaClO濃度越大，分解速率也越大。[2]

（4）測(cè)量電解結(jié)束后電解液的有效氯濃度

有效氯是指與每升產(chǎn)生的次氯酸鈉溶液所具有的氧化能力相當(dāng)?shù)穆葰獾馁|(zhì)量，用于定量表示消毒效果。有效氯濃度采取碘量法[3]測(cè)定，原理如下。

在酸性介質(zhì)中，次氯酸根與碘化鉀反應(yīng)，析出碘，以淀粉為指示液，用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定，至藍(lán)色消失為終點(diǎn)，反應(yīng)式如下。

有效氯的質(zhì)量濃度p（mg/L）的計(jì)算公式為：

式中，V1為滴定待測(cè)液時(shí)消耗的Na2S2O3·5H2O的體積（mL）；c為Na2S2O3·5H2o的濃度（mol/L）；M為氯原子的摩爾質(zhì)量（g/mol）；V2為待測(cè)液體積（mL）。

2．實(shí)驗(yàn)用品

（1）實(shí)驗(yàn)藥品

去離子水、飽和NaCl溶液、NaOH溶液、KIO3、Na2S2O3·5H2O、KI、H2SO4、淀粉溶液。

（2）實(shí)驗(yàn)用品

脫脂棉、橡膠塞、洗耳球、導(dǎo)線。

（3）實(shí)驗(yàn)儀器

Go Direct pH傳感器、Go Direct ORP傳感器、數(shù)據(jù)采集器（ Vernier，LABQ2）、磁力攪拌器、攪拌子、石墨電極、四口燒瓶（150 mL）、學(xué)生電源（0～32 V，0～3 A）、100 mL容量瓶、燒杯（50 mL）、移液管（25.00 mL）、碘量瓶（500 mL、100 mL）、50 mL四氟乙烯滴定管。

3．實(shí)驗(yàn)裝置

測(cè)量電解飽和食鹽水過(guò)程的pH和ORP變化的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示、碘量法測(cè)定有效氯含量裝置示意圖如圖3所示。

4．實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）可視化電解飽和食鹽水過(guò)程

按如圖4所示組裝儀器，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器，連接pH傳感器與ORP傳感器。向燒瓶中加入飽和NaCl溶液100 mL，設(shè)置數(shù)據(jù)采集頻率為2樣本／秒，點(diǎn)擊“采集”按鈕，待pH與ORP值穩(wěn)定后（30 s），接通電源，電流為1.0 A，電解3 mins后關(guān)閉電源，待pH和ORP值穩(wěn)定后（5 mins）停止采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)保存并導(dǎo)出。

（2）定量滴定電解后的電解液

①0.1mol/L Na2S2O3溶液的配制：

取10.4 g結(jié)晶硫代硫酸鈉，加入0.08 g無(wú)水碳酸鈉，用新煮沸并冷卻的蒸餾水溶解，稀釋至400 mL，放置兩周。

②Na2S2O3溶液的標(biāo)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取（0.48+0.06）g干燥至恒重的工作基準(zhǔn)試劑KIO3于50 mL小燒杯中，加新煮沸并冷卻后的蒸餾水溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL容量瓶中，并用新煮沸并冷卻后的蒸餾水稀釋定容至刻線，搖勻后準(zhǔn)確移取25.00 mL溶液于500 mL碘量瓶中，加2g碘化鉀及20mL 20%的H2SO4溶液，蓋上瓶塞輕輕搖勻，做好水封，于暗處放置10 mins。

將碘量瓶取出，用150 mL新煮沸并冷卻后的蒸餾水稀釋并同時(shí)沖洗瓶塞和瓶頸內(nèi)壁，用待標(biāo)定的Na2S2O3溶液滴定，慢搖快滴，至溶液出現(xiàn)淡黃色時(shí)，再加入2 mL 10 g/L淀粉溶液，快搖慢滴，溶液由藍(lán)色變?yōu)闊o(wú)色即為終點(diǎn)，記錄消耗的Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，平行實(shí)驗(yàn)3次。

③有效氯濃度測(cè)定

移取10.00 mL電解后的溶液置于100 mL碘量瓶中，加入10 mL碘化鉀溶液和10 mL硫酸溶液，迅速蓋緊瓶塞后用水封，于暗處?kù)o置5 mins。用硫代硫酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至淺黃色，加2 mL淀粉指示液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色消失為終點(diǎn)。

三、結(jié)果與討論

1．可視化電解飽和食鹽水過(guò)程

借助pH傳感器與ORP傳感器測(cè)量電解飽和食鹽水的過(guò)程，得到的“時(shí)間-pH”和“時(shí)間-ORP”圖像見(jiàn)圖5。

將數(shù)據(jù)127 s ORP異常數(shù)據(jù)剔除，導(dǎo)人到Origin數(shù)據(jù)處理軟件，繪制出“時(shí)間-pH”和“時(shí)間-ORP”圖像（見(jiàn)圖6）。

在反應(yīng)開(kāi)始前，測(cè)得飽和食鹽水的pH約為6.30，可能的原因有：a．配制飽和食鹽水的溶劑去離子水呈弱酸性；b．在配制飽和食鹽水后，溶液靜置了一段時(shí)間，可能溶解了空氣中少量CO2。

第一階段：AB、A'B段（30s～34s）和BC、B'C段（34 s～39 s），溶液的pH和ORP都呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)，這個(gè)階段中，陰極附近發(fā)生電極反應(yīng)：2H2O+2e-=H2↑+2OH-，陽(yáng)極附近電極反應(yīng)：2Cl--2e-=Cl2↑，陽(yáng)極附近生成的Cl2很快和陰極附近生成OH-發(fā)生反應(yīng)：Cl2+OH-=HClO+C1-。陰極生成了OH-，同時(shí)由于Cl2和OH-發(fā)生反應(yīng)消耗了OH-，因此溶液的pH先上升后下降；溶液中存在的氧化還原電對(duì)有φ0（H2O/H2）=-0.83，φ0（Cl2／Cl-）=1.36，φ0（HClO/Cl-）=1.61，此時(shí)溶液中Cl2、ClO-的濃度都比較小，溶液的ORP先上升再下降可能是由于φ0（H2O/H2）、φ0（Cl2／Cl-）、φ0（HClO/Cl-）三電對(duì)綜合作用的結(jié)果。

第二階段：CD和C'D段（39s～56s），溶液的pH和ORP都急劇上升。在外加電壓的作用下，Cl2不斷生成，由于Cl2的溶解度不大，生成的Cl2一部分溶解在溶液中，一部分逸散出體系，溶解在體系中的部分Cl2與OH-發(fā)生反應(yīng)，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不斷上升；溶液的pH約為6～8，此時(shí)溶液中有不斷電解生成的Cl2、Cl2和OH-反應(yīng)生成的HClO，HClO和OH-反應(yīng)生成的NaClO。溶液中存在Cl2／Cl-、HClO/C12、HClO/Cl-、ClO-／Cl-多種氧化還原電對(duì)，氧化態(tài)氯元素主要以HC10和Cl0-的形式存在，因此在該階段溶液的ORP急劇上升。

第三階段：DE和D'E段（56 s～95 s），該階段pH持續(xù)增大，ORP處于動(dòng)態(tài)平衡。電解持續(xù)發(fā)生，Cl2仍有大部分逸散到溶液體系外，溶解在體系中的部分Cl2與OH-發(fā)生反應(yīng)，n（OH-）生成>n（OH-）消耗，溶液的pH不斷上升；此時(shí)溶液的pH約為8～10，此時(shí)溶液的堿性較強(qiáng)，因此溶液中主要存在不斷電解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-發(fā)生反應(yīng)生成NaClO，中間狀態(tài)的HClO含量較低，因此溶液中主要存在ClO-／Cl-氧化還原電對(duì)，而該電對(duì)的電位較小，會(huì)導(dǎo)致溶液的ORP有所降低，但同時(shí)由于電解持續(xù)進(jìn)行，不斷有Cl2和ClO-生成，又會(huì)使ORP增大，此時(shí)溶液的ORP處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡。

第四階段：EF和E'F段（95 s～210 s），該階段中pH趨于穩(wěn)定，ORP處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，隨著Cl2的不斷生成，溶液和氣體環(huán)境中Cl2已經(jīng)處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，因此生成的Cl2主要存在于溶液體系中，可以認(rèn)為電極反應(yīng)生成的Cl2和OH-恰好反應(yīng)生成了NaClO，因此n（OH-）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

第五階段，F(xiàn)G、F'G段（210 s～213 s）和GH、G'H段（ 213 s～510 s），該階段停止了通電，溶液的pH不斷下降，在停電后瞬間溶液的ORP急劇下降，而后不斷上升。逸散在容器內(nèi)的Cl2溶解在溶液中，且部分與溶液中的OH-反應(yīng)：Cl2↑+2OH-=ClO-+Cl-，消耗了OH-，生成了ClO-，因此溶液的pH下降，ORP上升；在停電后瞬間溶液的ORP急劇下降可能是由于停電瞬間，陽(yáng)極附近生成Cl2的電極反應(yīng)停止了，后ORP不斷上升也可能是溶液中的NaClO在光照、溫度的影響下發(fā)生了白分解，產(chǎn)生了氧化性極強(qiáng)的新生態(tài)原子氧，隨著NaClO的不斷分解，溶液的ORP不斷上升。

2．定量滴定電解后的電解液

（1）KIO3標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定Na2S2O3溶液：

準(zhǔn)確稱(chēng)取0.4825 g KIO3基準(zhǔn)試劑配制KIO3標(biāo)準(zhǔn)溶液，并用標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)定Na2S2O3溶液，滴定結(jié)果見(jiàn)表1。

式中，m為KIO3恒重后稱(chēng)取的質(zhì)量，c為硫代硫酸鈉溶液的濃度，M為KIO3的摩爾質(zhì)量，V為樣品消耗硫代硫酸鈉溶液的體積，V0為空白消耗硫代硫酸鈉溶液的體積。

（2）有效氯含量的測(cè)定

用標(biāo)定后的0.1105 mol/L的Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，三次平行滴定的結(jié)果見(jiàn)表2。

代人有效氯的質(zhì)量濃度p（mg/L）的計(jì)算公式為

式中，V1為滴定待測(cè)液時(shí)消耗的Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積（mL）；c為Na2S2O3標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度（mol/L）；M為氯原子的摩爾質(zhì)量（ g/mol）；V2為待測(cè)液體積（mL）。

電解后的溶液有效氯濃度為889.2mg/L，經(jīng)查表4可知該濃度溶液可以用于餐具、瓜果蔬菜、織物消毒，能夠滿(mǎn)足日常生活所需。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本研究利用了pH、ORP傳感器，探究了電解飽和食鹽水的微觀過(guò)程。

通電后的第一階段，溶液的pH和ORP都呈現(xiàn)出先上升后下降趨勢(shì)的主要原因?yàn)槿芤褐笑?（H2O/H2）、φ0（Cl2／Cl一）、φ0（HClO/C1-）三電對(duì)綜合作用的結(jié)果。在第二階段，溶液的pH和ORP都急劇上升，該階段在外加電壓的作用下，Cl2和OH-不斷生成，且氧化態(tài)氯元素主要以HClO和ClO-的形式存在。在第三階段，pH持續(xù)增大，ORP處于動(dòng)態(tài)平衡，溶液中主要存在不斷電解生成的Cl2，溶液中的Cl2迅速和OH-發(fā)生反應(yīng)生成NaClO，中間狀態(tài)的HClO含量較低，因此溶液中主要存在ClO-／Cl-氧化還原電對(duì)，而該電對(duì)的電位較小，但同時(shí)由于電解持續(xù)進(jìn)行，不斷有Cl2和ClO-生成，又會(huì)使ORP增大。第四階段，pH值趨于穩(wěn)定，ORP值處于動(dòng)態(tài)平衡，溶液和氣體環(huán)境中Cl2已經(jīng)處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，生成的Cl2主要存在于溶液體系中，可以認(rèn)為電極反應(yīng)生成的Cl2和OH-冶好反應(yīng)生成了NaCl0，因此n（OH-）生成=n（OH-）消耗，溶液的pH也達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

停止通電后，溶液的pH不斷下降，在停電后瞬間溶液的ORP急劇下降，而后不斷上升。主要可能逸散在容器內(nèi)的Cl2再次溶解在溶液中發(fā)生反應(yīng)，消耗了OH-，生成了ClO-。ORP不斷上升也可能是溶液中的NaClO發(fā)生了白分解，產(chǎn)生了氧化性極強(qiáng)的[O]。

將電解后的電解液進(jìn)行碘量法測(cè)定其中的有效氯濃度為889.2 mg/L。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，在1.0 A電流下電解100mL飽和NaCl溶液3 mins制得的漂白劑可以用于餐具、瓜果蔬菜、織物消毒，能夠滿(mǎn)足日常生活所需。

五、教育教學(xué)價(jià)值

1．實(shí)驗(yàn)過(guò)程定量化

對(duì)于化學(xué)反應(yīng)，不僅要考慮其宏觀可見(jiàn)的屬性，還要考慮微觀層面原子和原子的相互作用，化學(xué)面臨的挑戰(zhàn)就是如何讓學(xué)生“看得見(jiàn)”微觀粒子的運(yùn)動(dòng)，而可視化被認(rèn)為是一種較好的解決方法。

對(duì)比經(jīng)典的電解飽和食鹽水實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)突出了電解池的應(yīng)用價(jià)值，借助數(shù)字化傳感器，將實(shí)驗(yàn)的微觀過(guò)程以圖像的形式進(jìn)行表征，可視化地呈現(xiàn)了電解飽和食鹽水制備漂白劑的過(guò)程；借助間接碘量法，測(cè)定電解結(jié)束后電解液的有效氯含量，定量化地呈現(xiàn)了電解飽和食鹽水制備漂白劑的過(guò)程。本研究重點(diǎn)探討了電解飽和食鹽水微觀過(guò)程與電解飽和食鹽水制備漂白劑的結(jié)果，充分利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值，將電解的過(guò)程與結(jié)果相結(jié)合，多角度、全方位地剖析電解原理，讓實(shí)驗(yàn)回歸課堂，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中多定性、少定量的問(wèn)題。[5]

2．學(xué)習(xí)過(guò)程具身化

將本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，學(xué)生可以通過(guò)微型裝置搭建、可視化數(shù)據(jù)采集與表征、定量化結(jié)果滴定等活動(dòng)，親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)表證、數(shù)據(jù)分析的過(guò)程，將定性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可定量感知的數(shù)據(jù)，感受電解后溶液的消毒效果。在實(shí)驗(yàn)互動(dòng)中，同學(xué)們豐富了對(duì)電解池的認(rèn)識(shí)，有效強(qiáng)化了對(duì)電解池原理概念的理解，而教師也能看見(jiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，[6]及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難，實(shí)現(xiàn)高效干預(yù)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

參考文獻(xiàn)

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[5]張瑾，林月環(huán)．化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀及基于核心素養(yǎng)的策略研究[J]．化學(xué)教與學(xué)，2020，No．523（7）：78-81.

[6]陳俊杰．基于理解和可見(jiàn)的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐[J]．化學(xué)教與學(xué)，2021，No.554（4）：86-89+96．

*本文系華東師范大學(xué)教育學(xué)部大學(xué)生科研基金2021年度“在線教育及教師發(fā)展”專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“數(shù)據(jù)可視化到數(shù)據(jù)故事化的實(shí)踐路徑研究”（編號(hào)：ECNUFOE2021KYZX017）的成果之一。