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    立足微粒認(rèn)識(shí)的初中元素化合物教學(xué)研究與實(shí)踐

    2013-04-29 00:44:03賴思恒
    化學(xué)教學(xué) 2013年9期
    關(guān)鍵詞:微粒觀初中化學(xué)

    賴思恒

    摘要:立足微粒認(rèn)識(shí)進(jìn)行教學(xué),通過觀察、想象、類比、模型化等方法去理解元素化合物知識(shí)的本質(zhì),能使學(xué)生建構(gòu)更加嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的化學(xué)知識(shí)系統(tǒng),發(fā)展更加完善的化學(xué)思維能力和科學(xué)素養(yǎng)。

    關(guān)鍵詞:初中化學(xué);元素化合物教學(xué);微粒觀;化學(xué)微觀思維

    文章編號(hào):1005–6629(2013)9–0021–04 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

    2011年版的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出“化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)自然科學(xué),其基本特征是研究分子和創(chuàng)造分子”[1]。這充分體現(xiàn)了在分子等微粒的基礎(chǔ)上研究物質(zhì)既是化學(xué)學(xué)科研究和學(xué)習(xí)的基本方法,也是與其他學(xué)科的根本區(qū)別。運(yùn)用這種研究方法學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí),學(xué)生真正從化學(xué)的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界,才可能正確地認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)和變化規(guī)律,厘清化學(xué)知識(shí)與其他學(xué)科知識(shí)的區(qū)別與聯(lián)系,進(jìn)而建構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的化學(xué)知識(shí)系統(tǒng),發(fā)展完善的化學(xué)思維能力和科學(xué)素養(yǎng)。為此,教師在“元素化合物”的教學(xué)過程中,要注意挖掘具體知識(shí)的深刻內(nèi)涵,確定有關(guān)教學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含著哪些可以幫助學(xué)生更加透徹地認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化規(guī)律的微粒觀,從而確定學(xué)生從宏觀與微觀兩個(gè)方面來認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的思維方式,增進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科特征和本質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

    1 初中課程標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)微觀知識(shí)與元素化合物教學(xué)內(nèi)容的分析

    2011年版的《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》把初中化學(xué)微觀知識(shí)安排為一個(gè)主題“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”,包括“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”、“微粒構(gòu)成物質(zhì)”、“認(rèn)識(shí)化學(xué)元素”和“物質(zhì)組成的表示”,共4個(gè)二級(jí)主題。這些內(nèi)容是學(xué)生學(xué)會(huì)在分子等微粒的水平上研究元素化合物的基礎(chǔ),有助于學(xué)生用微粒觀念和觀察、想象、類比、模型化的方法去理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)。初中的元素化合物知識(shí)主要被安排在“身邊的化學(xué)物質(zhì)”這個(gè)主題中,包括“我們周圍的空氣”、“水與常見的溶液”、“金屬與金屬礦物”和“生活中的常見化合物”共4個(gè)二級(jí)主題。這些物質(zhì)的性質(zhì)和變化規(guī)律與物質(zhì)的微粒性密切相關(guān),引導(dǎo)學(xué)生在分子等微粒的基礎(chǔ)上運(yùn)用比較、歸納和推理等思維方法進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究,能更加深刻地認(rèn)識(shí)不同化學(xué)物質(zhì)之間的區(qū)別和聯(lián)系,以及促進(jìn)學(xué)生深刻理解化學(xué)微觀知識(shí)。

    2 立足微粒認(rèn)識(shí)的初中元素化合物教學(xué)實(shí)踐

    初中階段,學(xué)生對(duì)微粒的認(rèn)識(shí)要求包括:物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的;物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì),構(gòu)成物質(zhì)的微粒不同,物質(zhì)的性質(zhì)就不同;化學(xué)變化的實(shí)質(zhì)只是原子之間的重新組合,在這過程中原子是不變的。這些認(rèn)識(shí)是對(duì)具體知識(shí)的概括提升,具有超越事實(shí)的遷移價(jià)值,能促進(jìn)學(xué)生從分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)與變化,增進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解、促進(jìn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化。

    但是,初中生的抽象思維能力尚未成熟,化學(xué)微觀知識(shí)水平處于啟蒙階段。教學(xué)要從學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)開始,先建構(gòu)起微粒觀和對(duì)微粒產(chǎn)生一定的認(rèn)識(shí),然后再應(yīng)用這些觀念去分析和解決問題[2],使學(xué)生逐步增強(qiáng)抽象思維,形成微觀思維,以及在微粒認(rèn)識(shí)上研究物質(zhì)的思維習(xí)慣。

    2.1 引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)微觀粒子與宏觀物質(zhì)的聯(lián)系,初步建立化學(xué)微粒觀

    首先,以典型的生活現(xiàn)象(如“花香四溢”)、化學(xué)史實(shí)(如盧瑟福α粒子散射實(shí)驗(yàn))、科學(xué)技術(shù)成就(如“原子操縱”技術(shù))和探究實(shí)驗(yàn)等等,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物質(zhì)確實(shí)是由看不見的微粒構(gòu)成的,初步建立起原子和分子的概念;然后,在一些具體的實(shí)例上,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)與變化跟其構(gòu)成微粒的聯(lián)系。如通過對(duì)水蒸發(fā)和過氧化氫分解這兩個(gè)過程的物質(zhì)變化類型、有關(guān)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)改變情況,以及構(gòu)成物質(zhì)的分子進(jìn)行直觀的對(duì)比分析(如表1),引導(dǎo)學(xué)生把物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的改變歸因于其構(gòu)成分子的改變,從而建立起分子的概念,并形成“物質(zhì)的性質(zhì)主要是由物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定”的觀念。最后,借助一些簡(jiǎn)單的微粒模型,例如讓學(xué)生以氧原子和氫原子的模型組合成水分子的模型。并以此為基礎(chǔ),模擬水分子分裂成氧原子和氫原子,氧原子和氫原子重新組合成氧分子和氫分子的過程,讓學(xué)生感悟、體驗(yàn)化學(xué)變化中分子可分而原子不能再分的過程,初步認(rèn)識(shí)化學(xué)變化的本質(zhì)。使學(xué)生在微粒的水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律,初步建立化學(xué)微粒觀。

    2.2 引導(dǎo)學(xué)生了解利用微粒觀研究物質(zhì)的方法,形成化學(xué)微觀思維

    初中生建立了必備的化學(xué)微觀知識(shí)后,還需要經(jīng)過在微粒觀的指導(dǎo)下,通過理論的演繹分析和事實(shí)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證去分析問題,才能逐漸形成化學(xué)微觀思維和在微粒水平上研究物質(zhì)的學(xué)習(xí)方法。教學(xué)的過程如圖1所示:

    例如有關(guān)碳單質(zhì)的教學(xué)。我們要引導(dǎo)學(xué)生明確不同碳單質(zhì)物理性質(zhì)的差異性??梢韵忍岢鲞@樣的問題:金剛石、石墨和C60都是由碳元素組成的單質(zhì),它們的性質(zhì)是否會(huì)存在差異呢?接著,啟發(fā)學(xué)生根據(jù)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思想收集這些碳單質(zhì)結(jié)構(gòu)的有關(guān)信息,驅(qū)動(dòng)學(xué)生比較這些碳單質(zhì)的結(jié)構(gòu),得出“它們的結(jié)構(gòu)不同,性質(zhì)就可能存在差異”的預(yù)測(cè);最后,從結(jié)構(gòu)出發(fā)去探究各種碳單質(zhì)的性質(zhì),獲得“金剛石、石墨和C60都是由碳元素組成的單質(zhì),但是由于它們的原子排列方式不同,因此它們的性質(zhì)存在著明顯差異”的結(jié)論。另一方面,還要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)不同碳單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的相似性。學(xué)生已經(jīng)知道了碳原子排列方式不同而導(dǎo)致不同碳單質(zhì)的物理性質(zhì)存在差異,往往就容易產(chǎn)生不同碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)也不相同的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。因此,教師就有必要引導(dǎo)學(xué)生分析:不同的碳單質(zhì)在結(jié)構(gòu)上都是由碳原子構(gòu)成的,它們的化學(xué)性質(zhì)主要由碳元素決定,因此不同碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是相似的。進(jìn)一步,我們還可以引導(dǎo)學(xué)生從碳原子最外層電子數(shù)來推測(cè)碳單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。最后,就讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)碳單質(zhì)的各種化學(xué)性質(zhì)。這樣,學(xué)生就開始從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)上去分析物質(zhì)的性質(zhì),了解從微觀角度認(rèn)識(shí)化學(xué)物質(zhì)的切入點(diǎn)。

    又如CO2和CO的教學(xué)。教材明確指出:“1個(gè)二氧化碳(CO2)分子比1個(gè)一氧化碳(CO)分子多1個(gè)氧原子,這就使得它們的性質(zhì)有很大不同”[3]。為了讓學(xué)生體驗(yàn)這種差異,筆者先展示二氧化碳滅火器和煤氣標(biāo)簽,讓學(xué)生體驗(yàn)CO2的不可燃和不助燃的性質(zhì),以及認(rèn)識(shí)CO的可燃性。進(jìn)一步,引導(dǎo)學(xué)生在比較碳單質(zhì)、 CO2和CO的結(jié)構(gòu)異同的基礎(chǔ)上思考:如何使CO轉(zhuǎn)化為CO2?學(xué)生根據(jù)CO分子比CO2分子少了一個(gè)氧原子,想到它再與一個(gè)氧原子結(jié)合就能形成CO2分子。那么什么物質(zhì)可以提供氧原子給CO分子呢?學(xué)生通過回憶碳的化學(xué)性質(zhì)就想到O2和CuO,從而推測(cè)出CO能分別與O2和CuO反應(yīng),體現(xiàn)出可燃性和還原性;同樣,將CO2轉(zhuǎn)化為CO,就需要奪取CO2中的一個(gè)氧原子。學(xué)生能想到用碳單質(zhì)去奪取?;谝陨系囊龑?dǎo)和分析,學(xué)生再通過實(shí)驗(yàn)對(duì)物質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)碳和碳的氧化物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的預(yù)測(cè),就可以學(xué)會(huì)從得失氧原子的角度研究物質(zhì)的還原性和氧化性的方法,理解碳和碳的氧化物之間的區(qū)別與聯(lián)系,體驗(yàn)從微粒變化基礎(chǔ)上研究物質(zhì)性質(zhì)的微觀思維方法。

    2.3 引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用微粒觀理解物質(zhì)的性質(zhì),形成化學(xué)知識(shí)系統(tǒng)

    物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì),化學(xué)微粒應(yīng)該成為解釋和預(yù)測(cè)宏觀物質(zhì)變化的工具。學(xué)生通過比較不同物質(zhì)的構(gòu)成,找出各類物質(zhì)在結(jié)構(gòu)上的共同點(diǎn),借助化學(xué)微觀思維進(jìn)行認(rèn)知遷移,可以快速弄清各類物質(zhì)的聯(lián)系與區(qū)別,提高學(xué)習(xí)的效率。這個(gè)過程如圖2所示:

    3 立足微粒認(rèn)識(shí)的元素化合物教學(xué)策略

    立足微粒認(rèn)識(shí)的元素化合物教學(xué)要解決的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何把微粒觀念轉(zhuǎn)化成分析和解釋宏觀物質(zhì)的思維方法。所采取的教學(xué)策略要有利于學(xué)生把微粒觀與元素化合物知識(shí)聯(lián)系起來,激發(fā)學(xué)生的深度思考,增強(qiáng)學(xué)生的理解力。

    3.1 深入挖掘元素化合物知識(shí)的微觀內(nèi)涵

    教材上呈現(xiàn)的往往是具體的知識(shí),而有關(guān)的包含基本觀念的過程和方法常常是內(nèi)隱的。只有先對(duì)元素化合物知識(shí)內(nèi)容(特別是新舊知識(shí)的聯(lián)系)進(jìn)行深入分析,充分挖掘其中隱含的微觀內(nèi)涵,才能在教學(xué)中有的放矢,引領(lǐng)學(xué)生立足微粒認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)。

    在思想方法層面要挖掘從微觀角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)與變化的微觀思維方式,使之轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生分析問題和解決問題的思想方法。例如,在學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)時(shí),教師就要引導(dǎo)學(xué)生去挖掘物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性質(zhì)的聯(lián)系,認(rèn)識(shí)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的研究方法。在事實(shí)認(rèn)識(shí)層面要挖掘?qū)唧w微粒的認(rèn)識(shí),引導(dǎo)學(xué)生從個(gè)別物質(zhì)的性質(zhì)出發(fā)總結(jié)出該類物質(zhì)的性質(zhì)[4],再提煉為構(gòu)成這類物質(zhì)的特征微粒或結(jié)構(gòu)的性質(zhì),從而提高學(xué)生對(duì)有關(guān)元素化合物的性質(zhì)和變化現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和有關(guān)科學(xué)探究的預(yù)測(cè)能力。比如,從CuSO4、CuCl2等溶液的顏色提煉出含有Cu2+的水溶液一般是藍(lán)色的,以及從FeSO4、FeCl2等溶液的顏色提煉出含有Fe2+的水溶液一般是淺綠色的等等,使學(xué)生在進(jìn)行金屬的置換反應(yīng)時(shí)能推測(cè)鐵釘與硫酸銅溶液反應(yīng)時(shí)液體由藍(lán)色變淺綠色。

    3.2 突出運(yùn)用化學(xué)微粒觀念學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的方法

    微粒觀的構(gòu)建意義在于當(dāng)學(xué)生面對(duì)一個(gè)具體物質(zhì)時(shí),能對(duì)構(gòu)成該物質(zhì)的微粒進(jìn)行分析,并根據(jù)這些微粒的特點(diǎn)及其與其他微粒的相互作用預(yù)測(cè)該物質(zhì)的性質(zhì)和變化,進(jìn)行生成性學(xué)習(xí)。教學(xué)中,教師要突出化學(xué)學(xué)科的思維方式,引導(dǎo)學(xué)生從微觀的視角分析和解釋物質(zhì)的宏觀變化,把對(duì)物質(zhì)宏觀變化的觀察與微觀結(jié)構(gòu)的想象緊密結(jié)合起來,深刻理解和認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)規(guī)律[5]。要注重引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)構(gòu)成的異同進(jìn)行物質(zhì)的分類,從構(gòu)成物質(zhì)的微粒特點(diǎn)去推測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)和相關(guān)變化現(xiàn)象,形成運(yùn)用化學(xué)微粒觀念以及對(duì)相關(guān)化學(xué)微粒的認(rèn)識(shí)去學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的思路。

    例如,人教版初中化學(xué)教材以Na2CO3、CaCO3和NaHCO3為例來介紹碳酸鹽的化學(xué)性質(zhì)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)構(gòu)成的角度去分析,Na2CO3、NaHCO3和CaCO3一樣都是含有碳酸根離子的碳酸鹽,因此,都能像CaCO3那樣與稀鹽酸反應(yīng)。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生寫出相關(guān)的化學(xué)方程式,分析這些物質(zhì)的反應(yīng)實(shí)質(zhì)是碳酸根離子與氫離子的結(jié)合生成H2O和CO2。

    進(jìn)一步學(xué)習(xí)復(fù)分解反應(yīng)規(guī)律的時(shí)候,可以引導(dǎo)學(xué)生通過書寫化學(xué)方程式理解初中階段學(xué)習(xí)的復(fù)分解反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是幾種常見離子之間的組合。這樣,當(dāng)學(xué)生再學(xué)習(xí)其他元素化合物,如銨鹽等離子化合物時(shí),就能自覺運(yùn)用對(duì)有關(guān)微粒的認(rèn)識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí):既然銨鹽含有銨根離子,就可能會(huì)與堿類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而生成H2O和NH3。

    學(xué)生一旦形成了運(yùn)用化學(xué)微粒觀念去學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的方法和思路,就能促進(jìn)對(duì)元素化合物知識(shí)的理解。即使以后把有關(guān)的具體知識(shí)遺忘了,運(yùn)用這種方法和思路,也能使知識(shí)很快就重現(xiàn)出來。

    3.3 注重運(yùn)用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證

    立足微粒認(rèn)識(shí)的化學(xué)教學(xué)應(yīng)該要引導(dǎo)學(xué)生自覺地從微粒的角度對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類,探討該類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)而通過對(duì)比、遷移去認(rèn)識(shí)其他同類物質(zhì)的性質(zhì)。但是形成的新認(rèn)識(shí)是否正確,需要通過實(shí)驗(yàn)探究來驗(yàn)證。

    例如,學(xué)習(xí)堿的化學(xué)性質(zhì)時(shí),學(xué)生根據(jù)NaOH和Ca(OH)2在分類上都屬于堿、在構(gòu)成上都含有OH-離子的特點(diǎn),推測(cè)NaOH也能像Ca(OH)2那樣與CO2反應(yīng)[6]。在此基礎(chǔ)上,讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究NaOH與CO2的反應(yīng)。通過對(duì)NaOH能與CO2反應(yīng)的預(yù)測(cè)和驗(yàn)證,學(xué)生不僅學(xué)會(huì)運(yùn)用微粒觀研究物質(zhì)的性質(zhì),還強(qiáng)化了對(duì)運(yùn)用微粒觀研究物質(zhì)的有效性的體驗(yàn),使學(xué)生獲得并相信從微粒角度研究和學(xué)習(xí)物質(zhì)是科學(xué)可靠的方法,從而在往后的學(xué)習(xí)中自覺運(yùn)用起來。此外,結(jié)合化學(xué)實(shí)驗(yàn),運(yùn)用科學(xué)探究模式組織立足微粒認(rèn)識(shí)的教學(xué),能讓學(xué)生的理論分析和實(shí)踐認(rèn)識(shí)有機(jī)結(jié)合起來,使學(xué)生的思維過程更加嚴(yán)密。

    3.4 善用問題驅(qū)動(dòng)微粒層次的思考

    初中生的微觀知識(shí)還在形成當(dāng)中,應(yīng)該要以問題引領(lǐng)和驅(qū)動(dòng)學(xué)生從微粒的角度出發(fā)研究物質(zhì)??梢栽O(shè)計(jì)聚焦于微粒層面的問題,啟發(fā)學(xué)生在微粒認(rèn)識(shí)的水平上進(jìn)行深層次的思考,讓學(xué)生在運(yùn)用微粒觀解決問題的過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)具體元素化合物知識(shí)的理解。

    例如,在關(guān)于酸和堿的中和反應(yīng)的教學(xué)中,教師要抓住教學(xué)內(nèi)容的核心,即酸中的H+和堿中的OH-結(jié)合生成H2O。教師可以設(shè)計(jì)以下問題:

    (1)酸(如HCl)在水溶液中能解離出什么離子呢?

    (2)堿(如NaOH)在水溶液中能解離出什么離子呢?

    (3)如果把酸(如HCl)和堿(如NaOH)加入同一試管中,它們解離出來的離子能結(jié)合成什么微粒呢?

    這三個(gè)問題體現(xiàn)了從微粒的變化過程來研究物質(zhì)的變化,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)從微粒層面分析問題的方法。學(xué)生在回憶HCl和NaOH的構(gòu)成的基礎(chǔ)上,通過對(duì)微粒(離子)的重新組合,得出中和反應(yīng)的本質(zhì)是:H++OH-=H2O,這樣,學(xué)生就能比較容易理解其他的酸與堿也能發(fā)生類似的反應(yīng)了。通過對(duì)這樣的問題的思考,學(xué)生會(huì)意識(shí)到物質(zhì)的性質(zhì)與其構(gòu)成的微粒密切相關(guān),久而久之就會(huì)形成從微觀角度分析問題和解決問題的習(xí)慣,掌握從微粒研究物質(zhì)性質(zhì)的方法。

    立足微粒認(rèn)識(shí)的化學(xué)教學(xué)是以“觀念建構(gòu)”來促進(jìn)“知識(shí)建構(gòu)”。把微粒觀用作指導(dǎo)教與學(xué)的方法,一定程度上為學(xué)生另辟蹊徑,使學(xué)生避開紛繁蕪雜的表象,從本質(zhì)上更加清晰地認(rèn)識(shí)各種物質(zhì)的區(qū)別和聯(lián)系,以及各種化學(xué)規(guī)律,從而構(gòu)建更加科學(xué)、深刻的化學(xué)知識(shí)系統(tǒng)。更為重要的是讓學(xué)生了解從微觀角度去研究化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法。這種方法正是學(xué)習(xí)高中化學(xué)知識(shí)(如離子反應(yīng)、有機(jī)物的性質(zhì)等等)的重要方法,有利于學(xué)生的可持續(xù)學(xué)習(xí),是做好初中與高中的銜接的有效方法。總的來說,立足微粒認(rèn)識(shí)的化學(xué)教學(xué),能使學(xué)生把觀念轉(zhuǎn)化為行動(dòng),在物質(zhì)構(gòu)成的奧秘中體驗(yàn)化學(xué)知識(shí)的妙趣。

    參考文獻(xiàn):

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