基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，深化微粒觀認(rèn)識(shí)

韋存容

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。從微觀視角認(rèn)識(shí)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?cè)诮虒W(xué)中要注重學(xué)生微粒觀的構(gòu)建和深化，促進(jìn)學(xué)生從微觀的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的構(gòu)成、性質(zhì)及其變化。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為學(xué)生形成化學(xué)基本觀念提供直觀、真實(shí)的感性認(rèn)識(shí)材料，對(duì)學(xué)生微粒觀的構(gòu)建、發(fā)展和深化起著推動(dòng)作用。本文以高中化學(xué)“離子反應(yīng)”教學(xué)為例進(jìn)行探討。

一、準(zhǔn)備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，重溫微粒構(gòu)成觀

1.認(rèn)識(shí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)（含配套軟件）進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)中，我們使用電導(dǎo)率傳感器來(lái)測(cè)量溶液的電導(dǎo)率。溶液的電導(dǎo)率與溶液中離子的導(dǎo)電能力大小和濃度有關(guān)，電導(dǎo)率的變化可以反映溶液中離子的變化。

2.準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用品

試劑：0.05mol/LCuSO4溶液、0.1mol/LNaOH溶液。

儀器：Vernier電導(dǎo)率傳感器、VernierLabPro數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)、磁力攪拌器（磁子）、堿式滴定管、滴定管夾、鐵架臺(tái)、50mL燒杯等。

3.重溫微粒的種類和存在

在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)藥品時(shí)，學(xué)生可以觀察到CuSO4溶液呈藍(lán)色、NaOH溶液呈無(wú)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(shí)：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，肉眼難以看到。教師引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度思考，不難分析出CuSO4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)象的思維習(xí)慣。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(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，感悟微粒變化觀

1.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作

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

（2）設(shè)置數(shù)據(jù)采集模式。打開(kāi)數(shù)據(jù)采集軟件（Logger—Pro），點(diǎn)擊菜單欄“實(shí)驗(yàn)”選項(xiàng)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1000s，每秒采集1個(gè)數(shù)據(jù)。

（3）空白組：在燒杯中裝入25ml0.05mol/LCuSO4溶液，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，一段時(shí)間后點(diǎn)擊“停止”按鈕，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。獲得電導(dǎo)率—時(shí)間曲線I。

（4）參照組：用堿式滴定管勻速向25ml0.05mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸餾水25ml，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，一段時(shí)間后點(diǎn)擊“停止”按鈕，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。點(diǎn)擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。獲得電導(dǎo)率—時(shí)間曲線II。

（5）實(shí)驗(yàn)組：用堿式滴定管勻速向25ml0.05mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1mol/LNaOH溶液25ml，再重復(fù)（4）步驟。獲得電導(dǎo)率—時(shí)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(wú)法觀察到的。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)量溶液的電導(dǎo)率，能對(duì)微粒的存在進(jìn)行定性和定量的描述。從測(cè)得CuSO4溶液中電導(dǎo)率的存在，學(xué)生認(rèn)識(shí)到硫酸銅在水溶液中發(fā)生了電離，產(chǎn)生自由移動(dòng)的離子，“看到”物質(zhì)在水溶液中是以離子、分子等微粒形式存在的。

在向CuSO4溶液中分別加蒸餾水、NaOH溶液這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生從溶液電導(dǎo)率的不斷變化和藍(lán)色沉淀生成等宏觀現(xiàn)象，“看到”微粒不是靜止不動(dòng)的，而是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的。這樣的實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生培養(yǎng)正確的微粒觀，從微觀角度分析溶液中微粒的變化。

三、解讀實(shí)驗(yàn)圖像，發(fā)展微粒作用觀

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的圖表、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)事實(shí)，教師應(yīng)該引導(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(shí)驗(yàn)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(wèn)題，思考微粒變化

問(wèn)題往往能激發(fā)思維，促進(jìn)思考。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)和變化，其中什么變了？也許數(shù)字化實(shí)驗(yàn)記錄的圖像能給我們正確的答案。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)率不斷降低，這是由于向硫酸銅溶液中加水，各離子濃度降低；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)率也隨之發(fā)生變化，說(shuō)明微粒發(fā)生了變化。

2.深度思考，發(fā)展微粒作用觀

曲線III為什么先降低？藍(lán)色沉淀的生成和電導(dǎo)率的降低，說(shuō)明溶液發(fā)生反應(yīng)，即微粒間相互作用：Cu2+與OH-生成了沉淀，導(dǎo)致溶液中離子濃度降低。

曲線III先降低，有沒(méi)有降低到0？溶液的電導(dǎo)率沒(méi)有降到0，說(shuō)明溶液中只是部分離子參與了反應(yīng)，而另一些離子沒(méi)有參與反應(yīng)。曲線III為什么后來(lái)又上升？向溶液中繼續(xù)加入過(guò)量氫氧化鈉溶液，溶液中Na+和OH-離子濃度升高，電導(dǎo)率逐漸上升。

曲線III中電導(dǎo)率最低點(diǎn)是哪些離子沒(méi)有參加反應(yīng)？是Na+、SO42-？如何證明你的猜想？如何檢驗(yàn)SO42-？針對(duì)這些問(wèn)題，從而提出取上層清液，向其中滴加BaCl2溶液的方法來(lái)驗(yàn)證猜想。這是把新學(xué)的“離子反應(yīng)”概念作為看問(wèn)題的思路和方法，運(yùn)用微粒間的相互作用分析和解決實(shí)際問(wèn)題，不斷豐富和深化對(duì)概念本質(zhì)的理解，從而實(shí)現(xiàn)觀念的構(gòu)建和能力的提升。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們認(rèn)識(shí)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(shí)質(zhì)：反應(yīng)前后某些離子進(jìn)行了重組，離子的種類和數(shù)量發(fā)生了變化。

四、運(yùn)用符號(hào)表征，深化微粒觀認(rèn)識(shí)

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

1.學(xué)習(xí)符號(hào)表征，呈現(xiàn)微粒作用

用化學(xué)用語(yǔ)正確地表示以上實(shí)驗(yàn)中的離子反應(yīng)：Cu2++2OH-=Cu（OH）2↓。學(xué)生初步認(rèn)識(shí)到離子方程式的真正含義：用實(shí)際參加反應(yīng)的物質(zhì)在水溶液中的存在形式來(lái)表示溶液中化學(xué)反應(yīng)的式子。

通過(guò)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(shí)離子反應(yīng)的實(shí)質(zhì)；通過(guò)離子反應(yīng)的真實(shí)現(xiàn)象，學(xué)生能正確認(rèn)識(shí)和理解離子反應(yīng)的概念，從而進(jìn)一步掌握用離子符號(hào)、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(shí)了溶液反應(yīng)實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，用化學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述離子間的反應(yīng)，脫離了化學(xué)方程式的束縛，在以后的學(xué)習(xí)中能夠運(yùn)用離子反應(yīng)的觀點(diǎn)來(lái)分析問(wèn)題。

2.運(yùn)用微粒作用，深化概念認(rèn)識(shí)

舉例說(shuō)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？這個(gè)問(wèn)題是從微觀的角度，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(duì)參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)及其變化的認(rèn)識(shí)，是學(xué)生在知識(shí)積累后認(rèn)識(shí)上的質(zhì)的飛躍。

此過(guò)程可以幫助學(xué)生完善知識(shí)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(shí)際問(wèn)題的能力，從而形成化學(xué)觀念。

在“離子反應(yīng)”的教學(xué)中，教師以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)線索，建構(gòu)“離子反應(yīng)”概念，認(rèn)識(shí)復(fù)分解反應(yīng)實(shí)質(zhì)。這樣能使學(xué)生對(duì)化學(xué)的認(rèn)識(shí)實(shí)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(wèn)題的能力，逐漸實(shí)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(gè)系統(tǒng)而漸進(jìn)的過(guò)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。由于微粒具有抽象性，在教學(xué)過(guò)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(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)資源，分析知識(shí)的來(lái)龍去脈，以觀念為本進(jìn)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(shí)的實(shí)質(zhì)，逐步豐富和深化微粒觀。