以探究實(shí)驗(yàn)啟蒙平衡觀的教學(xué)實(shí)踐

張靈麗

摘要：在初中溶解和結(jié)晶的教學(xué)中，以問(wèn)題情境引入，讓學(xué)生親自參與、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行平衡觀的啟蒙教學(xué)，使學(xué)生初步建立平衡觀;通過(guò)晶體制作的拓展實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的可視化，使學(xué)生從根本上理解溶解和結(jié)晶的實(shí)質(zhì)，為后續(xù)化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)做鋪墊和銜接。

關(guān)鍵詞：平衡觀;啟蒙;實(shí)驗(yàn)探究;問(wèn)題驅(qū)動(dòng);溶解和結(jié)晶

文章編號(hào)：1008-0546（2022）07-0035-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.009

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

1.教學(xué)主題內(nèi)容

初中化學(xué)滬教版第六章“溶解現(xiàn)象”是初中化學(xué)課程一級(jí)主題“身邊的化學(xué)物質(zhì)”的重要組成部分，作為一種重要的身邊的化學(xué)物質(zhì)，溶液是繼學(xué)生認(rèn)識(shí)氣體（如空氣、氧氣、二氧化碳）、固體（如常見的金屬）、液體（如水）后接觸到的一類成分更為復(fù)雜的化學(xué)物質(zhì)。在下一章，將要學(xué)習(xí)酸、堿、鹽的知識(shí)，它們之間的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在溶液中發(fā)生的，因此這一章的教學(xué)也為下一章的學(xué)習(xí)提供了知識(shí)基礎(chǔ)，也為深入學(xué)習(xí)分散系的有關(guān)知識(shí)做了準(zhǔn)備[1 ]。溶液教學(xué)的難點(diǎn)之一是從微觀角度理解溶解和結(jié)晶的概念和過(guò)程。

2.教學(xué)現(xiàn)狀

初中生在學(xué)習(xí)溶液這一章時(shí)，對(duì)溶解和結(jié)晶往往會(huì)一知半解。比如：在一定溫度下，向一定量的水中，加入適量的氯化鈉固體，氯化鈉能溶解，再繼續(xù)加氯化鈉固體，氯化鈉不再溶解了，學(xué)生疑惑：為什么氯化鈉固體不能繼續(xù)溶解了呢？溶液飽和的微觀實(shí)質(zhì)是什么？再比如，對(duì)飽和溶液概念的理解：在一定溫度下，一定量的溶劑里不能繼續(xù)溶解某種溶質(zhì)的溶液，叫做這種溶質(zhì)的飽和溶液，學(xué)生疑惑：為什么叫這種溶質(zhì)的飽和溶液？氯化鈉的飽和溶液，還可以溶解其他溶質(zhì)嗎？

即便高一新教材，課堂教學(xué)中，教師對(duì)化學(xué)平衡概念的引入，只是讓學(xué)生接受這個(gè)“知識(shí)”或者說(shuō)只是通過(guò)理論推理出這個(gè)“知識(shí)”，學(xué)生并沒有建立化學(xué)平衡過(guò)程的真實(shí)體驗(yàn)，學(xué)生依然是模糊不清。

二、教學(xué)思想和著力點(diǎn)分析

1.教學(xué)思想

初中生具有追根溯源的天性。利用學(xué)生的困惑，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，以及深入探究問(wèn)題的熱情，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行平衡觀的啟蒙教學(xué)，可從科學(xué)本質(zhì)上解決學(xué)生的困惑，更是為高中化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)做好鋪墊和銜接。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅可以使微觀變化宏觀化，具有很強(qiáng)的說(shuō)服力，并能分析理論的合理性，促使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握，而且實(shí)驗(yàn)可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)研究方法的教育，使其體驗(yàn)科學(xué)研究的過(guò)程。學(xué)生在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)中感悟知識(shí)、形成方法、使知識(shí)結(jié)構(gòu)化，最終得到的不僅僅是知識(shí)，更重要的是獲取知識(shí)的方法和成功體驗(yàn)[2]。

2.教學(xué)著力點(diǎn)

化陌生為熟悉，建構(gòu)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)。從學(xué)生熟悉的事物引入，充分利用新舊知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的沖突，引發(fā)認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重組，引導(dǎo)學(xué)生把生活概念向科學(xué)概念轉(zhuǎn)化。

創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情境，通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，帶領(lǐng)學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)中形成溶解和結(jié)晶的動(dòng)態(tài)平衡觀，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)平衡的可視化。增強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)對(duì)溶解和結(jié)晶問(wèn)題的討論，讓學(xué)生經(jīng)歷事物由現(xiàn)象到本質(zhì)的過(guò)程，初步建立平衡觀。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，理解溶解和結(jié)晶的平衡，初步形成動(dòng)態(tài)平衡觀。

（3）能從微粒觀視角，認(rèn)識(shí)溶解結(jié)晶平衡以及平衡移動(dòng)的規(guī)律。

（4）通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用平衡觀解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

（5）通過(guò)拓展實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生用化學(xué)實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的興趣，養(yǎng)成注重實(shí)證、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神。

四、教學(xué)流程

見圖1。

五、教學(xué)過(guò)程

1.讓學(xué)生初步建立平衡觀

（1）溶解結(jié)晶平衡概念的啟蒙

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)1】取1 g食鹽，放入氯化鈉的飽和溶液中，觀察現(xiàn)象。

現(xiàn)象：食鹽不再完全溶解。

【問(wèn)題】為什么氯化鈉固體不能繼續(xù)溶解在氯化鈉的飽和溶液中？

【教師解析和視頻播放】溶解：溶質(zhì)分子或離子分散到水中形成水合分子或離子的過(guò)程（圖2）。

結(jié)晶：溶液中的水合溶質(zhì)分子（或離子）回到晶體表面形成晶體的過(guò)程。

氯化鈉固體在水中的溶解過(guò)程：溶解剛開始時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)從固體表面擴(kuò)散到溶液里的鈉離子和氯離子多于回到固體表面的鈉離子和氯離子，我們能觀察到固體氯化鈉在不斷減少，此時(shí)，氯化鈉的溶解速率大于結(jié)晶速率。

隨著溶液中鈉離子和氯離子數(shù)的增多，從溶液中回到晶體表面的鈉離子和氯離子也不斷增多，結(jié)晶速率在逐漸增大，雖然氯化鈉固體的溶解速率基本不變，但由于結(jié)晶速率的增大，可以發(fā)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)氯化鈉固體的減少變慢了。

當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)從固體表面擴(kuò)散到溶液里的鈉離子和氯離子和回到固體表面的鈉離子和氯離子數(shù)相等時(shí)，氯化鈉固體的量便不再發(fā)生變化，此時(shí)得到的溶液便是氯化鈉飽和溶液。此時(shí)，溶解和結(jié)晶仍在進(jìn)行，但兩者的速率相等，達(dá)到了一個(gè)溶解—結(jié)晶平衡。也就是溶質(zhì)溶解的速率與溶質(zhì)結(jié)晶的速率相等時(shí)，溶解過(guò)程與結(jié)晶過(guò)程達(dá)到了平衡。這兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的相反過(guò)程是可逆的，通常用“”表示，溶解結(jié)晶平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡。

當(dāng)外部條件改變時(shí)，溶解速率和結(jié)晶速率便會(huì)發(fā)生改變，舊的溶解—結(jié)晶平衡被破壞，再形成新的溶解—結(jié)晶平衡。

（2）溶解—結(jié)晶平衡態(tài)的類比

【師】請(qǐng)學(xué)生列舉身邊有關(guān)“平衡”的事例。如托盤天平、蹺蹺板等都是典型的平衡事例，托盤上的物體和砝碼、人與蹺蹺板系統(tǒng)達(dá)到了靜態(tài)（穩(wěn)定）平衡，其特征是天平指針和人在蹺蹺板上的位置保持不變，除非受到外界影響，它本身不能有自發(fā)的變化。再比如，生活中的其他平衡，如生態(tài)系統(tǒng)平衡，（破壞、再平衡），社會(huì)學(xué)平衡（人類社會(huì)的發(fā)展、變革），心理學(xué)平衡，社會(huì)關(guān)系的各種平衡等等[3]。

設(shè)計(jì)意圖：人類的進(jìn)步總是由類比本能激發(fā)的[3]。平衡概念首次被引入到化學(xué)中，學(xué)生的反應(yīng)是陌生、新鮮、模糊和好奇的。通過(guò)類比其他平衡，用熟悉的事物解釋不熟悉的事物，思維遷移，便于學(xué)生接受平衡觀的概念。

（3）動(dòng)態(tài)平衡觀的啟蒙

【問(wèn)題】在地鐵站乘扶手電梯，如果在扶手電梯上需要保持在某一特定水平位置，你將怎樣運(yùn)動(dòng)？

【生】必須做與扶手電梯運(yùn)動(dòng)速率相等但方向相反的運(yùn)動(dòng)。

【師】人與扶手電梯有相對(duì)運(yùn)動(dòng)即為動(dòng)態(tài)，人始終保持在特定的水平位置，即人與扶手電梯這個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，這種平衡狀態(tài)即為動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，“動(dòng)態(tài)平衡”的特征是保持“位置不變”與“相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率大小相等且方向相反”。

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生抓住動(dòng)態(tài)平衡的本質(zhì)特征，建立起有助于學(xué)習(xí)化學(xué)平衡概念的前概念[4]。

（4）化學(xué)平衡的概念和特征

【師】化學(xué)平衡狀態(tài)是指在一定條件下的可逆反應(yīng)中，正反應(yīng)和逆反應(yīng)的速率相等，反應(yīng)混合物中各組分的濃度保持不變的狀態(tài)。

【師】溶解結(jié)晶平衡的特征：等、動(dòng)、定、變。等—— v 溶解=v 結(jié)晶;動(dòng)——?jiǎng)討B(tài)平衡，v 溶解=v 結(jié)晶≠0;定——達(dá)到平衡時(shí)，溶液中離子濃度不再改變;變——當(dāng)外界條件改變，溶解平衡將發(fā)生移動(dòng)。

2.溶解結(jié)晶平衡的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

（1）溶解結(jié)晶平衡符號(hào)表達(dá)式的初建立

【問(wèn)題】氯化鈉的飽和溶液，還可以溶解其他溶質(zhì)嗎？

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)2】向氯化鈉的飽和溶液中，加入高錳酸鉀固體。

【現(xiàn)象】溶液變成紫紅色。

【結(jié)論】說(shuō)明高錳酸鉀可以溶解在氯化鈉的飽和溶液中。

【師生從平衡的視角分析】氯化鈉的飽和溶液，對(duì)加入的高錳酸鉀而言，高錳酸鉀的溶解速率小于結(jié)晶速率，所以，高錳酸鉀可以溶解。

設(shè)計(jì)意圖：化學(xué)教師最好的理答方式是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。兒童逐漸達(dá)到成人狀態(tài)，依靠的不是聽取一套行為準(zhǔn)則和道理，而是從他的個(gè)人努力和經(jīng)歷中去懂得這一切。盧梭說(shuō)過(guò)，每個(gè)年齡段都有其相應(yīng)的發(fā)展動(dòng)力，孩子自有其獨(dú)特的觀察、思考和感受的方式，如果不通過(guò)主動(dòng)探尋，讓學(xué)生重新發(fā)現(xiàn)科學(xué)，而只是重復(fù)口頭的公式，他們就什么也學(xué)不到[5]。

【教師追問(wèn)】氯化鈉中混有可溶性雜質(zhì)，如氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉，工業(yè)上可以用飽和食鹽水除去這些雜質(zhì)，原理是什么？飽和食鹽水能否無(wú)限次地使用？

【師】寫出溶解結(jié)晶平衡的符號(hào)表達(dá)式：NaCl Na+（aq）+Cl-（aq）。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生在思考回答問(wèn)題時(shí)，思維在宏觀和微觀之間轉(zhuǎn)化，通過(guò)平衡的符號(hào)表達(dá)式，學(xué)生對(duì)平衡的概念由陌生到接受，對(duì)平衡的特征由模糊到逐漸清晰。

（2）溶解結(jié)晶動(dòng)態(tài)平衡的可視化實(shí)驗(yàn)探究

【拓展實(shí)驗(yàn)1】實(shí)驗(yàn)操作：將一顆9.95 g 的硫酸銅晶體，放入同溫度下的硫酸銅飽和溶液中，恒溫密封2 周后，取出觀察，發(fā)現(xiàn)晶體的形狀有明顯變化，原來(lái)的坑坑洼洼處被填平，晶體的棱角更明顯。洗滌、干燥，稱量質(zhì)量為9.96 g（實(shí)驗(yàn)使用的是精確度為0.01 g 的電子天平）。數(shù)據(jù)見表1。

【實(shí)物展示】見圖3、圖4。

【師】提問(wèn)：硫酸銅晶體的形狀改變，質(zhì)量不變，說(shuō)明了什么？

【生】硫酸銅晶體的溶解和結(jié)晶過(guò)程都在進(jìn)行，是動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程。

設(shè)計(jì)意圖：拓展實(shí)驗(yàn)前對(duì)學(xué)生平衡觀的引入，只是讓學(xué)生接受這個(gè)“知識(shí)”或者說(shuō)只是通過(guò)理論推理出這個(gè)“知識(shí)”，學(xué)生并沒有建立動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的真實(shí)體驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)晶體的形狀和質(zhì)量上的變化對(duì)比，讓學(xué)生獲得動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程的真實(shí)體驗(yàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了平衡狀態(tài)的可視化，而且由定性到定量解析了動(dòng)態(tài)平衡。

【拓展實(shí)驗(yàn)2】實(shí)驗(yàn)操作：取蒸餾水100 g，配制80℃的硫酸銅和氯化鈉的飽和溶液，冷卻至室溫，觀察到燒杯底部有硫酸銅晶體和氯化鈉晶體。第二天，加熱該燒杯及溶液，高于室溫3℃左右時(shí)，將2塊不同形狀的硫酸銅晶體用線系好，放入飽和溶液中，密封。如此反復(fù)操作一周。

【照片展示】見圖5。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】硫酸銅晶體上有白色的氯化鈉晶體析出，隨著時(shí)間的變化，硫酸銅晶體和氯化鈉晶體都在不斷增大。

【師生分析】硫酸銅的溶解度受溫度影響大，降溫結(jié)晶，析出硫酸銅晶體，但氯化鈉的溶解度受溫度影響很小，在密封條件下，水分蒸發(fā)可忽略不計(jì)，氯化鈉晶體在硫酸銅的大晶核上析出，說(shuō)明氯化鈉的溶解和結(jié)晶在同時(shí)進(jìn)行，再次實(shí)驗(yàn)證明溶解結(jié)晶是一種動(dòng)態(tài)平衡，符合科學(xué)探究的可重復(fù)性。平衡狀態(tài)類似家庭的收支平衡，是動(dòng)態(tài)變化的。

3.平衡移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)探究

【師】通過(guò)以上的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：飽和溶液可以看成溶質(zhì)不再溶解，也不再結(jié)晶。但實(shí)際上，溶解和結(jié)晶都仍在進(jìn)行。能溶解在水里的物質(zhì)，不能無(wú)限制地溶解就是因?yàn)榇嬖谶@個(gè)平衡。當(dāng)外界條件改變（如飽和溶液冷卻或蒸發(fā)溶劑）時(shí)，溶解和結(jié)晶的速率也要相應(yīng)地改變，便會(huì)有晶體析出等現(xiàn)象發(fā)生。

【問(wèn)題】如果想從氯化鈉的溶液中，獲得晶體，你有什么方法？

【生】蒸發(fā)水，降溫，加入氯離子（個(gè)別同學(xué)小心翼翼地說(shuō)）。

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)3】用玻璃棒蘸取飽和食鹽水在酒精燈上加熱蒸發(fā)。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】玻璃棒上有白色固體析出。

【師生分析】水蒸發(fā)，鈉離子和氯離子濃度增大，舊平衡被破壞。

【學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)4】取飽和的氯化鈉溶液2 mL，向其中加入濃鹽酸[6]。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】有白色晶體析出。

【師】追問(wèn)：濃鹽酸加入后，為什么會(huì)有白色晶體析出？

【生】濃鹽酸中，有大量的氯離子，促使平衡朝生成氯化鈉晶體的方向移動(dòng)。

【師】因氯離子濃度增大，平衡朝氯化鈉晶體生成的方向移動(dòng)，析出氯化鈉晶體。

因?yàn)槠胶鉅顟B(tài)就是v 正=v 逆狀態(tài)，當(dāng)外界條件改變時(shí)，會(huì)引起反應(yīng)速率的變化，使v 正≠v 逆平衡破壞。

【PPT 投影】見圖6。

4.平衡觀的實(shí)際應(yīng)用

【問(wèn)題】工業(yè)上，侯德榜法制純堿的過(guò)程中，向氯化鈉的飽和溶液中通入氨氣和二氧化碳，會(huì)有碳酸氫鈉產(chǎn)生。為什么是碳酸氫鈉晶體析出，不是氯化銨析出？通過(guò)計(jì)算說(shuō)明。

已知：20℃時(shí)，S （NaCl）=36 g，S （NaHCO3）=9.6 g， S （NH4Cl）=37.2 g，

【生】假設(shè)將36 g食鹽溶于100 g水中，配成飽和溶液，完全反應(yīng)后，生成51.7 g 碳酸氫鈉和32.9 g 氯化銨，消耗11 g水，余下89 g水最多可溶解碳酸氫鈉8.5 g，生成51.7 g碳酸氫鈉溶解不了，會(huì)以沉淀的形式析出，89 g水可以溶解氯化銨33.1 g，大于32.9 g，氯化銨沒有飽和，不會(huì)析出。

【師】碳酸氫鈉晶體的析出，實(shí)質(zhì)上是溶解和結(jié)晶的平衡被打破，碳酸氫鈉的溶解速率小于結(jié)晶速率，所以，有碳酸氫鈉晶體析出。

設(shè)計(jì)意圖：從定性研究到定量計(jì)算，是對(duì)平衡移動(dòng)的深入分析與生活應(yīng)用的必然，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

六、教學(xué)效果與反思

以問(wèn)題驅(qū)動(dòng)和實(shí)驗(yàn)探究，開啟平衡觀的啟蒙教學(xué)，發(fā)展學(xué)生微粒觀、平衡觀、定量觀等核心觀念，培養(yǎng)學(xué)生注重實(shí)證、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，實(shí)驗(yàn)分析和辯證思考相結(jié)合，學(xué)生手腦并用?？此朴悬c(diǎn)超前，但實(shí)際這只是我們成人的固有思維。裴斯泰洛齊說(shuō)過(guò)：教學(xué)的所有分支都要遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序，然而，我們都明白，簡(jiǎn)單的概念只是對(duì)成人的思維來(lái)說(shuō)的，兒童的思維在一開始都是整體的、未分化的。青少年的心智組織形式、思維和說(shuō)話習(xí)慣和成年人的更為接近[5]。少年的好奇心有多強(qiáng)，潛力就有多強(qiáng)，他們天生有打破砂鍋問(wèn)到底的鉆研精神，與其含糊其辭，不如明明白白弄個(gè)清楚。

化學(xué)平衡是基礎(chǔ)化學(xué)中較難理解的概念，平衡觀的啟蒙，能為學(xué)生以后學(xué)習(xí)和理解電離平衡、水解平衡、沉淀和溶解平衡、氧化與還原平衡等知識(shí)提供牢固的知識(shí)基礎(chǔ)，有利于學(xué)生的完整知識(shí)結(jié)構(gòu)的形成[7]。比如，純堿溶液中滴入酚酞試液變紅，學(xué)生疑惑：碳酸鈉的溶液中為什么會(huì)有氫氧根離子？教師可以溶解平衡為切入點(diǎn)，有意識(shí)地進(jìn)行平衡知識(shí)的遷移，引入水的電離平衡、鹽類水解平衡等概念。再比如，在鋁片放入硫酸銅溶液的實(shí)驗(yàn)中，有氣泡產(chǎn)生，學(xué)生開始會(huì)驚訝，但有了平衡的概念，他們會(huì)從化學(xué)平衡的角度來(lái)分析;再比如，在蛋白質(zhì)的教學(xué)中，在盛有雞蛋清的試管里，加入硫酸銨的飽和溶液，出現(xiàn)白色渾濁，實(shí)際是加了鹽溶液后，水溶液變成鹽溶液，改變?nèi)軇┖螅档土说鞍踪|(zhì)的溶解度，蛋白質(zhì)析出，其實(shí)質(zhì)還是打破了溶解平衡。若用“同位素示蹤法”則能更好地幫助學(xué)生建立動(dòng)態(tài)平衡概念[8]。但因初中實(shí)驗(yàn)室條件的限制，這一遺憾等學(xué)生將來(lái)讀高中時(shí)，期待可以彌補(bǔ)。

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