基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的膠體教學(xué)設(shè)計與思考

鐘宇杰 沈甸

摘要：以發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)為本，系統(tǒng)化設(shè)計膠體課時。通過學(xué)生實驗活動，尋找證據(jù)驗證膠體的分散質(zhì)粒子直徑介于1-100 nm之間并建構(gòu)膠體粒子透過濾紙和半透膜的模型。理解膠體粒子的粒徑帶給膠體的如丁達(dá)爾現(xiàn)象等性質(zhì)，畫出符號圖示模型，構(gòu)建出微觀抽象模型幫助理解膠體的各種性質(zhì)，體會“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)學(xué)科思想，在探究膠體性質(zhì)的過程中初步建構(gòu)“結(jié)構(gòu)。性質(zhì)。用途”的物質(zhì)認(rèn)知模型，使學(xué)生證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得以發(fā)展。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理；模型認(rèn)知；學(xué)科核心素養(yǎng)；膠體

文章編號：1008-0546（2023）10-0039-05

中圖分類號：G632.41

文獻標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.10.009

化學(xué)是在原子、分子層面上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)，其特征是從微觀層次研究物質(zhì)，以符號的形式描述物質(zhì)，在不同的層面創(chuàng)造物質(zhì)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出需要重視開展“素養(yǎng)為本”的教學(xué)，即倡導(dǎo)真實問題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動，重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化設(shè)計，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣，促進學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和實踐能力。其中“素養(yǎng)”即化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”五個方面。[1]化學(xué)學(xué)科研究對象的微觀性和抽象性的特點要求人們建構(gòu)合適的認(rèn)知模型，將微觀、抽象的研究實體或者過程“可視化”。而認(rèn)知模型的建構(gòu)大都需要對大量實驗事實進行基于證據(jù)的邏輯推理。[2]膠體的教學(xué)中要求從分散質(zhì)粒子的直徑角度從本質(zhì)上區(qū)分溶液、膠體和濁液，并理解不同的粒徑尺度帶給不同分散系不同的性質(zhì)。其中性質(zhì)的教學(xué)離不開問題情境的創(chuàng)設(shè)和實驗探究活動，而理解粒徑和性質(zhì)的關(guān)系，從粒徑角度區(qū)別不同的分散系并對性質(zhì)進行解釋則需要建構(gòu)模型。實驗探究活動可作為學(xué)生推理的起點，而實驗現(xiàn)象則是推理的證據(jù)，在證據(jù)推理的基礎(chǔ)上對自己的結(jié)論建構(gòu)合適的模型。綜上，適合以“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”為核心串聯(lián)起膠體的教學(xué)內(nèi)容，對教學(xué)內(nèi)容系統(tǒng)化重設(shè)。

膠體出自滬科版教材必修第一冊第一章“化學(xué)研究的天地”，緊隨于“物質(zhì)的分類”，是整個高中化學(xué)的第二課時。整個單元以化學(xué)研究的方法為主要內(nèi)容和線索，引導(dǎo)學(xué)生初步認(rèn)識與體驗化學(xué)家研究物質(zhì)、創(chuàng)造物質(zhì)的過程，了解實驗、模型、分類等方法在化學(xué)科學(xué)研究中的運用，學(xué)會運用宏觀與微觀結(jié)合、定性與定量并重、歸納與演繹融合、分析與綜合交織的科學(xué)方法。[3]本節(jié)課是在上一節(jié)課“物質(zhì)的分類”的思維模型基礎(chǔ)上展開的對一類具體的物質(zhì)——分散系的分類，并且具體研究了在初中階段沒有接觸過的膠體這一分散系。通過對分散系的分類以及膠體性質(zhì)的認(rèn)識，促進學(xué)生從微觀角度來認(rèn)識物質(zhì)的分類、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)變化之間的聯(lián)系，并體會模型思想在化學(xué)研究中的應(yīng)用。

一、教學(xué)線索

教學(xué)線索見圖1。

二、教學(xué)過程

1．環(huán)節(jié)一：知道分散系的定義和分類，了解不同分散系的特點

說明溶液和濁液都是一種物質(zhì)分散在另一種物質(zhì)中形成的混合物，歸納提煉出分散系、分散質(zhì)及分散劑的定義并體會溶液和濁液兩種不同分散系性質(zhì)的區(qū)別，思考造成兩種分散系性質(zhì)不同的原因。

學(xué)生活動1：觀察NaCI溶液、石灰乳濁液以及靜置后的石灰乳“濁液”。

師提問：為什么溶液是均一穩(wěn)定的？濁液為什么會沉降？

師導(dǎo)析：試想把一堆粉筆頭拋向空中會有什么現(xiàn)象？把一堆粉筆灰拋向空中會怎么樣？

生回答：粉筆頭在重力作用下會快速落下，粉筆灰因為比較小會在空氣中飄浮一會慢慢下降。

師追問：把粉筆頭和粉筆灰拋向空中，其實就是將粉筆分散到空氣中。如果把粉筆灰繼續(xù)研磨打碎到更小的尺度，有沒有可能讓粉筆灰不落下？

生回答：有。

師追問：聯(lián)系這個現(xiàn)象，思考為什么溶液是均一穩(wěn)定的而濁液會沉降？

生回答：二者分散質(zhì)粒子的直徑不同，且濁液的直徑更大。

師追問：有沒有哪個曾經(jīng)做過的實驗可以證明這個結(jié)論的？

生回答：過濾。過濾是利用濁液中的分散質(zhì)粒子不能透過濾紙的孔隙而溶液中的分散質(zhì)粒子可以透過濾紙的孔隙將固體與溶液分離。

結(jié)論：溶液和濁液都是分散系，溶液是均一、穩(wěn)定的，不沉降是因為溶液中分散質(zhì)粒子的直徑??；濁液會沉降是因為濁液中分散質(zhì)粒子的直徑較大?？茖W(xué)家使用精密的儀器測量發(fā)現(xiàn)，溶液中分散質(zhì)粒子的直徑是小于1nm的，而濁液中分散質(zhì)粒子的直徑是大于100 nm的。

師提問：是否存在分散質(zhì)粒子直徑介于二者之間的分散系呢？

設(shè)計意圖：從學(xué)生已有認(rèn)知的溶液和濁液入手解釋分散系的定義，以具體的實例類比讓學(xué)生感受分散質(zhì)的粒子直徑對分散系性質(zhì)的影響。給出溶液和濁液的分散質(zhì)粒子具體直徑，創(chuàng)造認(rèn)知沖突，提問是否存在分散質(zhì)粒子直徑介于二者之間的分散系引出膠體。

2．環(huán)節(jié)二：設(shè)計實驗證明膠體的分散質(zhì)粒子直徑介于1-100 nm之間并建構(gòu)模型

展示淀粉膠體，觀察淀粉膠體的外觀。

師導(dǎo)析：淀粉膠體外觀上也是均一、穩(wěn)定的。那么如何證明其中分散質(zhì)粒子的直徑介于1-100 nm之間？

師提示：溶液中的分散質(zhì)粒子能透過濾紙孔隙而濁液中的分散質(zhì)粒子不能透過濾紙孔隙是因為濾紙孔隙大于溶液的分散質(zhì)粒子但小于濁液的分散質(zhì)粒子，濾紙的孔隙的直徑最小也需要100 nm。

板書畫出教材的圖示的溶液濁液部分，見圖2。

師追問：根據(jù)這個事實猜想膠體的分散質(zhì)粒子能否透過濾紙，并思考如何證明其分散質(zhì)粒子直徑是介于1-100 nm之間的。

生回答：首先，嘗試淀粉膠體能否透過濾紙，證明其分散質(zhì)粒子直徑小于100 nm，再找一種材料孔隙小于等于1 nm的，嘗試讓淀粉膠體透過，證明其分散質(zhì)粒子直徑大于1 nm。

師追問：確實存在這樣的材料，稱為半透膜，那么如何證明淀粉膠體中分散質(zhì)淀粉透過了濾紙，沒有透過半透膜呢？

生回答：用碘單質(zhì)檢驗淀粉的存在。

學(xué)生活動2：分組實驗，過濾淀粉膠體，向濾液中滴加碘液，觀察實驗現(xiàn)象；滲析淀粉膠體，取析出液滴加碘液，觀察實驗現(xiàn)象。

學(xué)生活動3：補全不同分散質(zhì)粒子透過濾紙和半透膜時的示意圖。

展示學(xué)生繪圖成果，如圖3所示。

設(shè)計意圖：學(xué)生在初中階段知道了淀粉可以和碘單質(zhì)發(fā)生顯色反應(yīng)，因此選擇淀粉膠體可以通過實驗證明淀粉是否透過了濾紙和半透膜，以此作為證據(jù)證明膠體分散質(zhì)粒子直徑介于1-100nm，以實驗現(xiàn)象作為證據(jù)初步形成證據(jù)意識。補全不同分散質(zhì)粒子透過濾紙和半透膜時的示意圖，建構(gòu)不同分散系通過不同孔隙材料的微觀模型，發(fā)展學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

3．環(huán)節(jié)三：認(rèn)識膠體的特點，理解膠體的特點取決于其粒徑范圍介于1-100 nm之間

師導(dǎo)析：膠體的特殊粒徑范圍會不會帶給它什么特殊的性質(zhì)呢？

學(xué)生活動4：丁達(dá)爾現(xiàn)象實驗，觀察并描述實驗現(xiàn)象。

生：膠體被激光筆照到的部分有一條明亮的光路。

學(xué)生活動5：閱讀課本資料庫，解釋產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象的原因，并畫出示意圖。

展示學(xué)生繪圖成果，如圖4所示。

結(jié)論：膠體能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象是因為其分散質(zhì)粒子的直徑介于1-100 nm之間，丁達(dá)爾現(xiàn)象在生活中有很多的應(yīng)用，如舞臺的燈光效果就是利用噴出的霧氣形成膠體，再照射可見光形成光柱。

師導(dǎo)析：除了能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象外，膠體的分散質(zhì)粒子直徑也使得膠體具有比較強的吸附性。

實驗視頻：氫氧化鋁膠體凈水

師導(dǎo)析：膠體粒子有很大的比表面積，比表面積是指單位質(zhì)量粒子具有的表面積，使其具有良好的吸附性。

除了能吸附物質(zhì)之外，也能選擇性吸附一些離子。

演示實驗：氫氧化鐵膠體的電泳，觀察陰陽兩極的顏色。

結(jié)論：陰極（連接電源負(fù)極的電極）附近的溶液顏色變深，即氫氧化鐵膠體中的分散質(zhì)粒子移動到了陰極（連接電源負(fù)極的電極）附近，因此氫氧化鐵膠體中分散質(zhì)粒子選擇性吸附了膠體中的正離子，即Fe3+。

學(xué)生活動6：畫出吸附離子后的氫氧化鐵膠體分散質(zhì)粒子的簡單模型。

展示學(xué)生繪圖成果，如圖5所示。

師提問：為什么膠體能夠較為穩(wěn)定地存在，分散質(zhì)粒子沒有相互結(jié)合聚集沉降呢？結(jié)合剛剛畫出的吸附離子后的模型解釋。

生回答：膠體的分散質(zhì)粒子吸附了相同電性的電荷，相互排斥，因此不會輕易結(jié)合聚集沉降。

師追問：那么如何讓膠體聚集沉降呢？

生回答：破壞它吸附離子的結(jié)構(gòu)，讓分散質(zhì)粒子相互結(jié)合。

師導(dǎo)析：是的，可以加入相反的電荷，將膠體吸附的電荷吸走使得粒子之間的排斥作用消失，相互聚集沉降。比如可以加入電解質(zhì)溶液使其聚沉。除此之外，加熱到一定程度也可以破壞這個吸附離子的結(jié)構(gòu)，使得膠體聚沉。

演示實驗：加入硫酸鉀溶液使氫氧化鐵膠體聚沉。

結(jié)論：膠體粒子吸附帶有相同電荷的離子使得膠體能夠相對穩(wěn)定地存在，加熱或者加入相反電荷的離子能破壞這樣的結(jié)構(gòu)使得膠體聚沉，膠體的聚沉在生活中也有一定的應(yīng)用，如鹵水點豆腐等。

設(shè)計意圖：上一環(huán)節(jié)中已經(jīng)證明了膠體分散質(zhì)粒子的直徑介于1-100 nm之間，本環(huán)節(jié)基于膠體的結(jié)構(gòu)，介紹并從結(jié)構(gòu)角度解釋膠體能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象、具有吸附性、會聚沉等性質(zhì)，然后基于性質(zhì)簡單介紹膠體在生活生產(chǎn)中的應(yīng)用，初步建構(gòu)“結(jié)構(gòu)→性質(zhì)→應(yīng)用”的物質(zhì)認(rèn)知模型。在教學(xué)中，結(jié)合真實的實驗情境提出性質(zhì)，讓學(xué)生對于性質(zhì)的印象更加深刻，利用結(jié)構(gòu)解釋性質(zhì)時多讓學(xué)生畫示意圖，如畫膠體丁達(dá)爾現(xiàn)象、膠體吸附離子后的示意圖，聯(lián)系示意圖幫助學(xué)生建構(gòu)微觀思維模型，理解膠體粒子的直徑和膠體性質(zhì)之間的關(guān)系。

4．環(huán)節(jié)四：總結(jié)與建模

結(jié)論：膠體是一種分散質(zhì)粒子直徑介于1-100 nm之間的分散系，其粒徑尺度給了膠體很多特殊的性質(zhì)，如能產(chǎn)生丁達(dá)爾現(xiàn)象，有較大的比表面積而具有吸附性，能吸附懸浮雜質(zhì)作凈水劑也能吸附相同電荷的離子使得膠體粒子互相之間排斥而能較穩(wěn)定地存在，加入電解質(zhì)或加熱后吸附的離子被破壞膠體會發(fā)生聚沉。因此，膠體的特殊結(jié)構(gòu)決定了膠體具有特殊的性質(zhì)，而膠體特有的性質(zhì)使得在生活生產(chǎn)中膠體有獨特的應(yīng)用。在化學(xué)研究中，認(rèn)識一個物質(zhì)也通常需要認(rèn)識它的結(jié)構(gòu)，根據(jù)結(jié)構(gòu)預(yù)測它的性質(zhì)，根據(jù)它的性質(zhì)，決定它的應(yīng)用。這和我們物質(zhì)的分類模型一樣，是我們今后認(rèn)識物質(zhì)的思維模型。

設(shè)計意圖：將課堂的明線和暗線展示給學(xué)生，將教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化建構(gòu)物質(zhì)的認(rèn)知模型，為后續(xù)元素化合物的認(rèn)知做鋪墊，鼓勵學(xué)生應(yīng)用思維模型認(rèn)知物質(zhì)，為后續(xù)學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物時提供方向上的范式。

三、教學(xué)反思

發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)需要設(shè)計以學(xué)科知識與技能作為載體的學(xué)習(xí)活動，而化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展除了需要掌握結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識與技能外，更需要在體驗學(xué)習(xí)活動過程中形成科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思維習(xí)慣，在科學(xué)思想的引領(lǐng)下掌握探究方法和認(rèn)知模型。[2]膠體作為高中化學(xué)第一章的第二課時，可以結(jié)合學(xué)生已有的淀粉和碘的顯色實驗知識設(shè)計驗證實驗，讓學(xué)生推理并以實驗驗證，在高中化學(xué)開始學(xué)習(xí)的時候就初步培養(yǎng)證據(jù)意識、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)思維習(xí)慣。除此之外，膠體結(jié)構(gòu)簡單，性質(zhì)豐富，用途廣泛，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用之間對應(yīng)明顯，在膠體部分首先建構(gòu)“結(jié)構(gòu)→性質(zhì)→應(yīng)用”的物質(zhì)認(rèn)知模型為今后無機元素化合物及有機物化學(xué)的學(xué)習(xí)鋪墊，以幫助形成“模型認(rèn)知”的思維方法。

本課設(shè)計的出發(fā)點不在于“膠體是什么結(jié)構(gòu)”“膠體具有哪些性質(zhì)”而在于設(shè)計實驗驗證膠體的結(jié)構(gòu)，并建構(gòu)模型；結(jié)合膠體的結(jié)構(gòu)，解釋膠體的性質(zhì)，并建構(gòu)模型。為此，筆者設(shè)計了較多的實驗，以及根據(jù)實驗現(xiàn)象解釋，畫出示意圖，用示意圖解釋的課堂互動，凸顯了以“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”為本的素養(yǎng)為本的教學(xué)。

1．運用科學(xué)探究、證據(jù)推理建構(gòu)膠體中分散質(zhì)粒徑大小及膠體透過半透膜和濾紙時的思維模型

基于證據(jù)推理的實驗或?qū)嵺`活動的目的不是為了驗證某個現(xiàn)成的結(jié)論，而是為了讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究活動的一般過程，在活動中認(rèn)識和理解科學(xué)的本質(zhì)。讓學(xué)生在活動中學(xué)會用證據(jù)解釋觀點，基于證據(jù)進行分析推理、證實或證偽；解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑。[1]在本課的設(shè)計中，滲析實驗為膠體粒子粒徑尺度提供了證據(jù)，電泳實驗為膠體分散質(zhì)粒子吸附離子提供了證據(jù)。在體驗化學(xué)探究活動的一般過程，即“發(fā)現(xiàn)問題→提出假設(shè)→實驗探究→證據(jù)推理→得出結(jié)論”，使學(xué)生的高級思維學(xué)科核心素養(yǎng)得以發(fā)展和提升。

2．充分借助圖示，將圖示符號模型升華為思維認(rèn)知模型

化學(xué)中常見的模型有實物模型、符號模型和思維模型。膠體教學(xué)中實物模型的意義不大，以符號模型聯(lián)系抽象和具象，宏觀和微觀，可將對圖示符號模型的感性認(rèn)知上升至對實物本質(zhì)的理性認(rèn)知。在本課的實施中，筆者嘗試以圖示符號模型建構(gòu)思維認(rèn)知模型，設(shè)計了三個畫示意圖的課堂活動，以膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)作為線索將三個課堂活動統(tǒng)一。利用圖示符號模型，不僅將膠體粒子透過濾紙和半透膜時、膠體粒子被可見光照射時以及膠體粒子吸附離子時的過程宏觀具象化，又讓學(xué)生利用圖示解釋相應(yīng)性質(zhì)，建構(gòu)了性質(zhì)和結(jié)構(gòu)之間相互對應(yīng)的思維模型。針對學(xué)生認(rèn)知能力的不足，選擇在第一次建構(gòu)模型時：首先教師畫出溶液和濁液中分散質(zhì)粒子透過濾紙的示意圖，讓學(xué)生補全膠體粒子透過半透膜和濾紙時的示意圖，以減少認(rèn)知障礙；而第二次畫出丁達(dá)爾現(xiàn)象的示意圖時，選擇讓學(xué)生自行閱讀教材再畫出示意圖，鍛煉學(xué)生的材料分析和信息提取能力；第三次則直接根據(jù)實驗現(xiàn)象，畫出簡單示意圖，這種螺旋上升式的思維模型的認(rèn)知方式有助于學(xué)生將膠體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)聯(lián)系起來并初步形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學(xué)學(xué)科思想，以發(fā)展“模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻

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