以溶液專題復(fù)習(xí)為突破口借助數(shù)字化實驗整合微粒觀教學(xué)

倪江紅

摘要：微粒觀是化學(xué)的基本觀念，也是做好初高中化學(xué)教學(xué)銜接的重要環(huán)節(jié)，“微粒觀”應(yīng)貫穿化學(xué)教學(xué)過程的始終。在學(xué)生學(xué)完九年級化學(xué)內(nèi)容后，以“溶液專題復(fù)習(xí)”教學(xué)為例，將微粒觀的教學(xué)內(nèi)容進行整合，并借助數(shù)字化實驗進行教學(xué)設(shè)計及實踐研究，突破學(xué)生認知難點，建構(gòu)微粒觀的系統(tǒng)認知。

關(guān)鍵詞：微粒觀;溶液;數(shù)字化實驗;整合;初中化學(xué)

文章編號：1008-0546（2019）10-0042-04 中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.011

一、微粒觀教學(xué)的價值

使學(xué)生初步形成化學(xué)基本觀念是義務(wù)教育階段化學(xué)教育的一個重要的教學(xué)目標(biāo)。中學(xué)化學(xué)課程中的基本觀念包括：元素觀、微粒觀、變化觀、實驗觀、分類觀、化學(xué)價值觀。什么是化學(xué)最核心的觀念呢？《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》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)，其特征是研究分子和創(chuàng)造分子?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》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)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)。可見，中學(xué)化學(xué)研究的對象是物質(zhì)，而且是從微觀的角度認識物質(zhì)及其變化的科學(xué)，因此，“微粒觀”是中學(xué)化學(xué)的核心觀念。

初中化學(xué)教學(xué)中幫助學(xué)生建構(gòu)“微粒觀”，引導(dǎo)學(xué)生從微觀視角認識物質(zhì)及其變化，將宏觀和微觀相結(jié)合，提高學(xué)生分析與解決實際問題的能力，提升化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。這也是為學(xué)生在高中階段進一步學(xué)習(xí)“氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)、微粒間的相互作用、化學(xué)鍵”等重要的化學(xué)知識，打下扎實的基礎(chǔ)。

二、初中化學(xué)教材中微粒觀內(nèi)容的滲透

在滬教版初三化學(xué)教學(xué)中，有5章共11處涉及微粒觀的內(nèi)容，如表1所示：

初中化學(xué)教材中微粒觀的形成是螺旋上升，逐步推進的?？梢哉f第3章《物質(zhì)構(gòu)成的奧秘》正式給學(xué)生開啟了從物質(zhì)的宏觀世界進入微觀世界的大門，學(xué)生開始認識分子、原子，嘗試用微粒的觀點解釋宏觀現(xiàn)象。但是正因為微?？床灰?、太抽象，學(xué)生越學(xué)越糊涂、越學(xué)越害怕，折損了不少對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣。第6章物質(zhì)溶解形成溶液后，以分子或離子的形式存在，這個認知太抽象，又是一處難點。第7章酸酸堿鹽從電離角度進行定義、分類，酸、堿、鹽間發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)是學(xué)生學(xué)得最困難的一章，主要是因為學(xué)生無法準(zhǔn)確對酸堿鹽進行歸類，不能從微粒觀的角度去解釋酸堿鹽之間反應(yīng)的本質(zhì)。

初三學(xué)生要掌握好以上這些抽象的微觀知識并不容易，高強度的學(xué)習(xí)和以應(yīng)試為最終目的導(dǎo)致很多學(xué)生是將微粒觀的知識碎片化，不成系統(tǒng)，對后續(xù)高中化學(xué)學(xué)習(xí)產(chǎn)生了很大的障礙。

三、借助數(shù)字化實驗整合微粒觀教學(xué)的案例——“溶液中的秘密”專題復(fù)習(xí)

對于如何將微觀的內(nèi)容宏觀化、可視化，幫助學(xué)生獲取準(zhǔn)確深刻的直觀感知，形成完整的理性認識，化解難點，數(shù)字化實驗是一個不錯的手段?？梢越柚妼?dǎo)率、溫度、pH等傳感器測定溶解、反應(yīng)過程中的變化數(shù)據(jù)，實時繪制出變化曲線，把那些抽象推理的內(nèi)容，以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)出來，引導(dǎo)學(xué)生運用數(shù)據(jù)分析處理實驗數(shù)據(jù)、解讀曲線變化趨勢，揭示化學(xué)實驗背后的數(shù)字世界，將抽象的事物可視化，從而突破微粒觀教學(xué)的難點，學(xué)生的思維也可以達到更高的層次。在解讀曲線變化、進行數(shù)據(jù)分析的過程中，將宏觀的實驗現(xiàn)象、微觀的微粒變化和反應(yīng)方程式的書寫建立聯(lián)結(jié)，實現(xiàn)化學(xué)的“四重表征”，從宏觀、微觀、符號、曲線四種水平上認識和理解化學(xué)反應(yīng)，幫助學(xué)生深入理解微粒觀，落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

溶液是初中化學(xué)的一個重要知識點，是化學(xué)課程一級主題“身邊的化學(xué)物質(zhì)”的重要組成部分。酸堿鹽問的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在溶液中發(fā)生的離子反應(yīng)。建構(gòu)溶液的微粒觀，有利于從本質(zhì)上理解復(fù)分解反應(yīng)的條件，打通三五六七章的潛在聯(lián)系。溶液知識的教學(xué)不是僅僅拘泥在第六章中，本案例是在學(xué)完九年級化學(xué)內(nèi)容之后進行的復(fù)習(xí)歸納，加以挖掘，力求從整體的角度，將初三階段微粒觀的知識整合起來，幫助學(xué)生從微粒的觀點認識物質(zhì)及物質(zhì)間的反應(yīng)，形成清晰的知識網(wǎng)絡(luò)，也為高中化學(xué)學(xué)習(xí)做好鋪墊。

1.用微粒的觀點看溶液

溶液的形成即溶解是初中化學(xué)溶液這一單元的重難點概念，教材上有溶解的微觀過程示意圖（圖1），以及導(dǎo)電實驗裝置（圖2），讓學(xué)生認知溶液導(dǎo)電的實質(zhì)是物質(zhì)溶解時產(chǎn)生了自由移動的離子。其實學(xué)生無法獲得直觀的感知，可以說是將信將疑，過后就忘。這里筆者設(shè)計了借助電導(dǎo)率傳感器，通過數(shù)據(jù)、曲線的呈現(xiàn)，幫助學(xué)生將抽象的溶解概念可視化，感知溶液中分子、離子的存在。

筆者學(xué)校使用的是美國威尼爾公司的傳感器，有輔助的磁力攪拌器（圖3）。同時利用未來教室雙屏的優(yōu)勢，主屏上仍是PPT，在sTARc平臺上點擊打開外部工具，威尼爾軟件就會在輔板上顯示，實時呈現(xiàn)檢測采集到的數(shù)據(jù)及變化曲線（圖4）。

首先測出蒸餾水的電導(dǎo)率約為23us/cm，這個數(shù)據(jù)可以幫助學(xué)生認識到蒸餾水的導(dǎo)電性很微弱，蒸餾水中其實是存在極少量的離子的，為高中化學(xué)水的微弱電離做個鋪墊。然后開動磁力攪拌器，將一藥匙蔗糖加到蒸餾水中，同時點擊軟件上的采集按鈕，發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率示數(shù)不變，軟件上呈現(xiàn)一條水平曲線。這樣學(xué)生就能感知到水分子無法破壞蔗糖分子內(nèi)部的作用力，蔗糖在水中確實是以分子的形式存在，與書本圖6-2相呼應(yīng)。接著再將氯化鈉溶解到水中，一藥匙氯化鈉加下去之后，電導(dǎo)率示數(shù)驟增，學(xué)生連呼神奇，他們的興趣立馬被調(diào)動起來。一段時間后軟件上繪制出如圖4的曲線。借助未來教室互動端，將曲線分享到學(xué)生手中的PAD上，然后讓學(xué)生嘗試分析曲線，獲取信息。此時學(xué)生幾乎都能答出氯化鈉溶解到水中后立即產(chǎn)生大量自由移動的鈉離子和氯離子，也真正理解到了何為溶解后溶液中離子自由移動了。經(jīng)過討論后學(xué)生又提出了深層次的見解：根據(jù)電導(dǎo)率變化曲線明確溶液的導(dǎo)電性和離子濃度的關(guān)系，單位體積溶液中離子數(shù)目越多（離子濃度越高），溶液的導(dǎo)電性越強。幾十秒后電導(dǎo)率示數(shù)趨于穩(wěn)定，也反映出氯化鈉已基本完全溶解。借助曲線走勢，學(xué)生似乎就看到了一個個離子不斷進入水中的場景。實現(xiàn)將溶解過程可視化，獲得了直觀的印象，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足。

緊接著拋出問題：為什么要將固體配成溶液進行反應(yīng)。學(xué)生猛然間并不會聯(lián)系到溶液中溶質(zhì)以分子或離子的形式存在，配成溶液后微粒問可以充分接觸，便于反應(yīng)。然后學(xué)生進行分組實驗，將硫酸銅固體、氫氧化鈉固體混合，氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液混合進行對比實驗，對學(xué)生進行視覺沖擊，然后就能比較自然地理解配成溶液后，溶質(zhì)以自由移動的分子或離子存在便于微粒間相互接觸，相互碰撞，所以更容易反應(yīng)，為理解溶液濃度越高，反應(yīng)速率越快提供了理論支撐。

2.用微粒的觀點看溶液中的化學(xué)變化

（1）利用pH傳感器探究中和反應(yīng)實質(zhì)

將稀硫酸逐滴勻速加入一定量的稀氫氧化鈉溶液中，用pH傳感器對反應(yīng)過程中溶液的pH進行實時測定，屏幕上實時繪制出反應(yīng)過程中溶液pH變化曲線圖（圖5），引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度分析pH變化趨勢：隨著稀硫酸的滴入，氫氧化鈉不斷被消耗，溶液堿性逐漸變?nèi)?，pH逐漸變小。當(dāng)恰好完全反應(yīng)時，溶液呈中性，pH等于7。繼續(xù)滴入稀硫酸，硫酸過量，溶液呈酸性，pH小于7，且逐漸變小。

以往教學(xué)一般都是通過給學(xué)生看酸堿中和反應(yīng)的微觀示意圖，告訴學(xué)生中和反應(yīng)的本質(zhì)，缺少科學(xué)證據(jù)，沒有說服力。現(xiàn)在學(xué)生通過見證pH變化曲線的誕生，將看不到的變化通過實驗測得的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，學(xué)生似乎看到了溶液中一個個氫氧根離子不斷與氫離子反應(yīng)而減少，從而揭開酸堿中和反應(yīng)的實質(zhì)：酸電離出的氫離子和堿電離出的氫氧根離子結(jié)合，生成水分子。

（2）利用電導(dǎo)率傳感器探究復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件

學(xué)生一直對復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生為何要滿足有氣體或沉淀或水生成這些條件存在困惑，通過下面的實驗可以幫助學(xué)生從離子的角度解釋復(fù)分解反應(yīng)的實質(zhì)。在100mL燒杯中加入氫氧化鋇溶液，測出其溶液的電導(dǎo)率，再打開磁力攪拌器，逐滴滴加溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.45%的稀硫酸，測得電導(dǎo)率變化曲線如圖6所示。引導(dǎo)學(xué)生解讀曲線變化趨勢：氫氧化鋇溶液中存在大量自由移動的鋇離子和氫氧根離子，所以溶液具有很強的導(dǎo)電性。隨著稀硫酸的滴人，反應(yīng)生成硫酸鋇沉淀和水，而硫酸鋇難溶于水，水的導(dǎo)電性又很弱，溶液中自由移動的鋇離子和硫酸根離子逐漸較少，故溶液導(dǎo)電性逐漸降低。當(dāng)恰好完全反應(yīng)時，燒杯中為硫酸鋇懸濁液，幾乎不導(dǎo)電（電導(dǎo)率數(shù)據(jù)不為零，還可以證明硫酸鋇不是絕對不溶于水），曲線上的轉(zhuǎn)折點即為恰好完全反應(yīng)的時刻。繼續(xù)滴稀硫酸，硫酸過量，溶液中自由移動的氫離子和硫酸根離子逐漸增多，溶液導(dǎo)電性又開始增強（圖6）。

通過曲線變化圖，溶液中鋇離子和硫酸根離子的消耗過程變得可視化?？梢园l(fā)現(xiàn)這個反應(yīng)的實質(zhì)是鋇離子和硫酸根離子配對，結(jié)合成硫酸鋇沉淀從水中析出;氫氧根離子和氫離子配對結(jié)合生成水分子。兩組離子配對結(jié)合，使溶液中離子濃度逐漸減小。再帶著學(xué)生分析稀鹽酸和碳酸鈉的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該反應(yīng)的實質(zhì)是氫離子和碳酸根配對結(jié)合生成水和二氧化碳氣體，也使得溶液中離子濃度降低。這樣就很自然地歸納出復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)：溶液中的復(fù)分解反應(yīng)，實質(zhì)是離子問相互配對，發(fā)生反應(yīng)，通過生成水、氣體或沉淀，使單位體積溶液中離子數(shù)目減少（離子濃度降低）。自此學(xué)生對溶液及溶液中的復(fù)分解反應(yīng)有了系統(tǒng)的認知，通過宏觀、微觀、符號、曲線四重表征，落實了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知的教學(xué)，實現(xiàn)將學(xué)生思維提升一個層次的目標(biāo)。

四、結(jié)語

微粒觀的建構(gòu)在整個中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有著舉足輕重的作用，教師要逐步轉(zhuǎn)變教學(xué)理念，將“微粒觀”作為化學(xué)教學(xué)的主線貫穿于教學(xué)過程始終，從教材內(nèi)容的整體出發(fā)，將碎片化知識進行整合，真正實現(xiàn)用微粒的觀點指引具體知識的教學(xué)。