基于數(shù)字化實驗，深化微粒觀認(rèn)識

康玉琴 韋存容

摘要：以"離子反應(yīng)"教學(xué)為案例，基于電導(dǎo)率傳感器的數(shù)字化實驗，從數(shù)字化實驗的準(zhǔn)備、操作、實驗圖像分析到符號表征的學(xué)習(xí)等過程中，強化學(xué)生對電解質(zhì)溶液中微粒種類和存在的認(rèn)識，深化學(xué)生對微粒間相互作用及其變化的理解，從而理解離子反應(yīng)的實質(zhì)，逐步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)展和深化微粒觀。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實驗；微粒觀；離子反應(yīng)

文章編號：1008-0546（2016）09-0085-02 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.029

微粒觀是化學(xué)基本觀念的重要組成部分，也是化學(xué)基本觀念中最基礎(chǔ)的部分之一。從微觀視角，認(rèn)識和考察物質(zhì)世界是化學(xué)學(xué)習(xí)必備的思維方法，所以我們在教學(xué)中要注重學(xué)生“微粒觀”的構(gòu)建和養(yǎng)成，促進學(xué)生從微觀的角度認(rèn)識物質(zhì)的構(gòu)成、性質(zhì)及其變化。數(shù)字化實驗為學(xué)生形成化學(xué)基本觀念提供直觀、真實的感性認(rèn)識材料，對學(xué)生微粒觀的構(gòu)建、發(fā)展和深化起著推動作用。本文以高中化學(xué)離子反應(yīng)為例進行探討。

一、 準(zhǔn)備數(shù)字化實驗，構(gòu)建物質(zhì)微粒構(gòu)成

1. 認(rèn)識數(shù)字化實驗

數(shù)字化實驗是傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機（含配套軟件）組成的實驗系統(tǒng)，對實驗體系中某種（或某幾種）物理參數(shù)進行實時測量、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，一般用于研究化學(xué)本質(zhì)問題。具體過程是數(shù)據(jù)采集器采集和處理傳感器測量的物理參數(shù)，并傳給電腦，由專門軟件自動繪圖，數(shù)據(jù)和圖像可以保存在電腦中，也可直接在屏幕上投影。本實驗中，我們使用電導(dǎo)率傳感器，來測量溶液的電導(dǎo)率。溶液的電導(dǎo)率與溶液中離子導(dǎo)電能力的大小和濃度成正比，電導(dǎo)率的變化可以反映溶液中離子的變化。

2. 準(zhǔn)備實驗用品

試劑：0.05mol/L CuSO4溶液、0.05 mol/LNa2SO4溶液、0.1 mol/L NaOH溶液，儀器：Vernier 電導(dǎo)率傳感器、Vernier LabPro 數(shù)據(jù)采集器、計算機、磁力攪拌器（磁子）、燒杯、酸式滴定管、堿式滴定管、滴定管夾、鐵架臺、50 mL燒杯等。

3. 重溫微粒的種類和存在

在準(zhǔn)備實驗藥品時，學(xué)生可以觀察到硫酸銅溶液呈藍(lán)色、硫酸鈉溶液無色等宏觀現(xiàn)象。在初中化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)有了一定的微粒觀認(rèn)識：物質(zhì)都是由原子、分子、離子等基本微粒構(gòu)成的，微粒很小很小，肉眼無法看到。教師引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度思考，不難分析出硫酸銅溶液中微粒的種類和存在（主要是Cu2+和SO42-，另外有少量的H+和OH-），逐步培養(yǎng)從微觀角度分析宏觀現(xiàn)象的思想。學(xué)生由此獲知組成物質(zhì)的微粒是客觀存在的，其存在形態(tài)、種類與所處環(huán)境有關(guān)。

二、進行數(shù)字化實驗，感悟微粒變化

1. 進行實驗操作

（1）將電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計算機連接好。

（2）設(shè)置數(shù)據(jù)采集模式。打開數(shù)據(jù)采集軟件（Logger Pro），點擊菜單欄“實驗”選項，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間為1000s，每秒采集1個數(shù)據(jù)。

（3）空白組：在燒杯中裝入25 mL 0.05 mol/L CuSO4溶液，點擊“開始”按鈕開始采集數(shù)據(jù)，一段時間后點擊“停止”按鈕，結(jié)束實驗。點擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實驗數(shù)據(jù)進行保存。測得電導(dǎo)率，如附圖所示電導(dǎo)率一時間曲線Ⅰ。

（4）參照組：用堿式滴定管勻速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸餾水25 mL，點擊“開始”按鈕開始采集數(shù)據(jù)，一段時間后點擊“停止”按鈕，結(jié)束實驗。點擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實驗數(shù)據(jù)進行保存。獲得電導(dǎo)率一時間曲線Ⅱ。

（5）實驗組：用堿式滴定管勻速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1 mol/L NaOH溶液25 mL，重復(fù)（4）步驟，獲得電導(dǎo)率一時間曲線Ⅲ。

2. 觀察和分析微粒變化

原子、分子、離子等微觀粒子是我們?nèi)庋蹮o法看得到的，也摸不著的，數(shù)字化實驗測量電導(dǎo)率，能對微粒的存在進行定性和定量描述。硫酸銅溶液電導(dǎo)率的存在，讓學(xué)生認(rèn)識到硫酸銅在水溶液中發(fā)生了電離，產(chǎn)生自由移動的離子，讓學(xué)生“看到”物質(zhì)在水溶液中是以離子、分子等微粒存在的。

硫酸銅溶液中加水稀釋、加氫氧化鈉溶液，從溶液電導(dǎo)率不斷變化和藍(lán)色沉淀生成的宏觀現(xiàn)象，而“看到”微粒不是靜止不動的，而是不斷運動和變化的。這樣幫助學(xué)生培養(yǎng)和建立正確的微粒觀，從微觀角度，分析溶液中微粒的變化，探討酸、堿、鹽在溶液中的變化。

三、解讀實驗圖像，認(rèn)識微粒相互作用

教師應(yīng)該利用數(shù)字化實驗產(chǎn)生的圖表、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)實驗事實，引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)讀圖、分析和處理數(shù)據(jù)的能力，幫助學(xué)生了解現(xiàn)代實驗技術(shù)和手段，提高其學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和熱情。

1. 提出問題，思考微粒變化

問題往往能激發(fā)思維，促進思考。數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)及觀察到的宏觀現(xiàn)象讓我們看到微粒的不斷運動和變化，其中什么變了？也許數(shù)字化實驗記錄的圖像能給我們正確的解釋。我們能觀察到曲線Ⅰ平行于橫軸，即硫酸銅溶液中離子濃度一直不變，溶液是均一穩(wěn)定的；曲線Ⅱ電導(dǎo)率不斷減低（沒有降為0），顯示溶液中離子濃度不斷降低，這是向硫酸銅溶液中加水，各離子濃度降低；而曲線Ⅲ，展示的是向硫酸銅溶液中加氫氧化鈉溶液，生成藍(lán)色沉淀，電導(dǎo)率也隨之降低，說明微粒發(fā)生了變化。

2. 深度思考，認(rèn)識微粒相互作用

曲線Ⅲ為什么先降低后升高？藍(lán)色沉淀的生成和電導(dǎo)率的減低，說明溶液發(fā)生反應(yīng)，微粒間相互作用：Cu2+與OH-生成了沉淀，導(dǎo)致溶液中離子濃度減小。繼續(xù)加入過量氫氧化鈉溶液，溶液中離子濃度上升，電導(dǎo)率逐漸上升。

通過上述實驗，我們認(rèn)識到水溶液中的反應(yīng)是離子間相互作用，離子的結(jié)合和重組是構(gòu)成物質(zhì)及其變化的根本原因，從而形成離子反應(yīng)概念，并總結(jié)出離子反應(yīng)的實質(zhì)：反應(yīng)前后離子進行了重組、離子的種類和數(shù)量發(fā)生了變化。

從數(shù)字化實驗圖像顯示：曲線Ⅲ的電導(dǎo)率最低點處高于曲線Ⅱ，為什么呢？猜想：可能其他離子（Na+、SO42-）并未參與反應(yīng)，仍然以離子形式存在于溶液中。如何證明你的猜想？如何檢驗硫酸根？從而提出取上層清液，向其中滴加BaCl2溶液的方法來驗證猜想。這是把新學(xué)的“離子反應(yīng)”概念作為看問題的思路和方法，運用微粒間的相互作用，分析和解決實際問題，不斷豐富和深化對概念本質(zhì)的理解，從而實現(xiàn)觀念的構(gòu)建和能力的提升。

四、運用符號表征，深化認(rèn)識微粒觀

微粒觀作為一種化學(xué)基本觀念，是學(xué)生獲得的對化學(xué)總體性認(rèn)識。它決定了學(xué)生對化學(xué)知識的理解深度和靈活應(yīng)用程度，對提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有重要價值。

1. 學(xué)習(xí)符號表征，呈現(xiàn)微粒作用

通過離子方程式的書寫，學(xué)生可以從微觀角度正確理解物質(zhì)在水溶液的反應(yīng)，認(rèn)識離子反應(yīng)的實質(zhì)；通過離子反應(yīng)的真實現(xiàn)象，能正確認(rèn)識和理解離子反應(yīng)的概念；從而進一步掌握用離子符號、化學(xué)式表征離子反應(yīng)，書寫出正確的離子方程式。

學(xué)生在正確認(rèn)識了溶液反應(yīng)實質(zhì)的基礎(chǔ)上，用化學(xué)語言來描述離子間的反應(yīng)，脫離了化學(xué)方程式的束縛，使學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中能夠運用離子反應(yīng)的觀點來分析問題。

2. 運用微粒作用，深化概念認(rèn)識

舉例說明在水溶液中能夠發(fā)生上述離子反應(yīng)（Cu2++2OH-Cu（OH）2↓）的化學(xué)反應(yīng)有哪些？這是從微觀的角度，從微粒的種類、微粒的存在、微粒的數(shù)量、微粒的變化以及微粒間的相互作用等層面，形成對參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)及其變化的認(rèn)識，是學(xué)生在知識積累后認(rèn)識上質(zhì)的飛躍。

此過程可以幫助學(xué)生完善知識建構(gòu)，逐步建立起從微觀角度分析水溶液中反應(yīng)的思路和方法，培養(yǎng)新情境下解決實際問題的能力，從而形成化學(xué)觀念。

在“離子反應(yīng)”的教學(xué)中，以數(shù)字化實驗為支撐，將水溶液中微粒的存在和種類、部分微粒相互作用、引起的變化以及變化的結(jié)果等作為培養(yǎng)學(xué)生微粒觀的認(rèn)識線索，建構(gòu)“離子反應(yīng)”概念，認(rèn)識酸堿鹽在水溶液中的反應(yīng)實質(zhì)。這樣使學(xué)生對化學(xué)的認(rèn)識實現(xiàn)從宏觀向微觀、從現(xiàn)象向本質(zhì)、從定性向定量的轉(zhuǎn)變，豐富和發(fā)展學(xué)生分析問題的能力，逐漸實現(xiàn)具體概念性學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為觀念性學(xué)習(xí)。

化學(xué)微粒觀的構(gòu)建是一個系統(tǒng)而漸進的過程，其中微粒的構(gòu)成是微粒觀的基礎(chǔ)，微粒的變化和作用是微粒觀的核心和關(guān)鍵。由于微粒的抽象性，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平，把握教學(xué)內(nèi)容的層次性和階梯性，充分運用數(shù)字化實驗的直觀性和再現(xiàn)性，建立宏觀和微觀的聯(lián)系，構(gòu)建微觀觀念；還要善于挖掘教材中微粒觀知識資源，分析知識的來龍去脈，以觀念為本進行化學(xué)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度去掌握化學(xué)知識的實質(zhì)，逐步豐富和深化微粒觀。

參考文獻(xiàn)

[1] 白濤，馬紅艷等.基于手持技術(shù)的“離子反應(yīng)及其發(fā)生條件”教學(xué)研究[J].化學(xué)教育，2013，（4）：40-43

[2] 何彩霞.整體把握和實施觀念建構(gòu)的化學(xué)教學(xué)研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2011，（7）：12-14

[3] 龐玉璽.對于“離子反應(yīng)”教學(xué)的一點思考[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013，（5）：19-21

[4] 張勁輝.高一化學(xué)教學(xué)中微粒觀的培養(yǎng)構(gòu)想[J].福建教育學(xué)院學(xué)報，2011，（5）：42-44