巧用對比實驗，有效突破概念教學

杭偉華 楊志杰

摘要：從“校園池塘里的天然水”入手，運用生活化的實驗儀器“TDS水質測試筆”，設計多組“對比實驗”，從“簡單到復雜”、“從靜態(tài)到動態(tài)”將抽象概念“強、弱電解質”和“非電解質”進行了具體化構建。

關鍵詞：對比實驗；控制變量；概念具體化

文章編號：1008-0546（2016）09-0078-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.027

一、設計思路

王祖浩教授主編的《普通高中課程標準實驗教科書·化學》充分體現了課程中“螺旋式上升”的理念。該教材將基本概念和原理分散到必修和選修模塊中逐步完善，螺旋式推進，體現了不同階段的不同層次要求，同時也反映了相關課程內容在滿足不同發(fā)展方向學生在基礎性和選擇性要求上的差異 。本文的“強電解質和弱電解質”是該教材選修模塊《化學反應原理》專題三“溶液中的離子反應”教學內容，是學生在學習了必修教材《化學1》中“電解質與非電解質”等相關知識基礎上的進一步深入。通過強弱電解質的學習，促使學生學會從微觀的角度認識物質在水溶液中的存在狀態(tài)，從而為后續(xù)理解水溶液中化學反應的實質奠定基礎，初步建立研究水溶液系統(tǒng)的思維方法，屬于化學核心概念。

如何進行化學概念教學，值得我們思考與討論。常見化學概念教學的做法是“定義呈現——重點解讀——練習鞏固”，具體來說是對概念進行客觀呈現、主觀解讀后，就以習題進行辨析、鞏固。結合本課內容而言，常規(guī)的設計就分兩個部分：第一部分以概念回顧和配套習題來鞏固“強、弱電解質和非電解質”概念；第二部分以討論“冰醋酸是弱電解質的實驗證明方法”來體驗弱電解質的概念。但筆者認為這樣的設計不利于學生深刻理解化學概念，不利于學生系統(tǒng)構建知識體系，不利于學生在必修基礎上提升認知，不符合蘇教版教材“螺旋式上升”的編寫理念。

筆者在教學中，嘗試借助TDS水質測試筆，以設計“對比實驗”對本課內容“強、弱電解質”和“非電解質”進行了具體化構建，教學設計如圖1所示。

二、教學過程

環(huán)節(jié)一：引題

教師：展示一瓶在校園池塘里灌的天然水。

問題：如何檢測這瓶天然水的水質呢？

教師：介紹TDS水質測試筆：原理是通過測試被測液體的導電性強弱，來粗略反映液體中自由移動離子濃度的大小，讀數越大，自由移動離子濃度越大（注：導電性還與離子帶電量有關）。

【演示實驗】 傾倒約20mL此天然水于燒杯中，用TDS水質測試筆進行測試，讀數約為160。

問題：這個讀數的具體意義是什么呢，我們沒有概念。在這個情況下，有什么方法可以知道這瓶水的水質狀況呢？

學生：對比實驗。

【對比實驗1】一瓶某知名品牌礦泉水、一瓶某知名品牌純凈水和一瓶無水乙醇，分別取約20mL于三只燒杯中，并用TDS水質測試筆進行測試，讀數分別約為42、2和0。

問題：通過這組對比實驗，你現在能判斷校園池塘里天然水的水質嗎？

學生：水質不大好，因為讀數較大，說明導電性較強，水溶液中含有的自由移動的離子較多。

追問：在對比實驗中，為什么礦泉水、純凈水和無水乙醇讀數都不一樣呢？

學生：礦泉水里溶有的少量礦物質鹽能完全電離，形成少量離子，所以讀數達到42；而純凈水里幾乎沒有礦物質鹽，但本身也能微弱的電離或者混有極少量礦物質鹽，形成極少量的離子，所以讀數為2；無水乙醇不電離，沒有離子，所以讀數為0。

教師：很好，這三種情況就是我們今天交流的主要話題：完全電離、部分電離、不電離。

設計意圖：通過以檢測校園池塘里的天然水為話題切入，既自然又貼近生活，在激發(fā)學生的學習熱情的過程中調動學生思考、探究的積極性；通過第一組簡單的對比實驗，讓學生在對天然水水質檢測的探究中理解TDS水質測試筆呈現數據的含義，進而學會如何使用TDS水質測試筆，并引出了本課教學核心概念——電離程度。

環(huán)節(jié)二：構建

【對比實驗2（學生）】

實驗操作：分別取約10mL的未知液體A和未知液體B，用TDS水質測試筆進行測試。

實驗現象：讀數均為0。

問題：實驗現象說明了什么？

學生：不存在自由移動的離子。

追問：液體A和液體B屬于電解質還是非電解質？

學生：非電解質。

教師：請大家分別往液體A和液體B中加入約20mL水，再用TDS水質測試筆進行測試，看看會有什么變化。

實驗操作：用TDS水質測試筆分別測試A的水溶液和B的水溶液。

實驗現象：A的水溶液讀數為0，B的水溶液讀數為100多。

問題：這組數據對比，又說明了什么？

學生：A在水中未發(fā)生電離，而B在水中發(fā)生了電離。

問題：前面大家對液體A和液體B的認識是都屬于非電解質，結合本次的對比實驗思考，之前的認識需要修正嗎？

學生：B應該是電解質。

追問1：請問，判斷一種物質是電解質還是非電解質關鍵要看什么呢？

學生：在水溶液或熔融狀態(tài)下是否發(fā)生電離。

追問2：那電解質和非電解質是如何定義的？

學生：在水溶液里和熔融狀態(tài)下都不能導電的化合物稱為非電解質；在水溶液里或熔融狀態(tài)下能導電的化合物稱為電解質。

總結：液體A和A的水溶液都不導電，所以A是非電解質（無水乙醇）；液體B不導電而B的水溶液導電，所以B 是電解質（冰醋酸）。

學生：原來如此。

【對比實驗3（學生）】

實驗操作：取出已經裝有等物質的量固體A和固體B的兩只燒杯，分別加入約20mL水，并振蕩。

實驗現象：固體A完全溶解，形成澄清溶液；固體B未完全溶解，形成懸濁液。

問題：說明了什么？

學生：固體A在水中的溶解能力較大，固體B在水中的溶解能力較小。

追問：固體A和固體B分別屬于強電解質還是弱電解質？

學生：A屬于強電解質，B屬于弱電解質。（有些學生反駁：強弱電解質與其溶解性無關，應該測其導電性。）

教師：究竟誰的認識是正確的呢，我們用實驗來說話。

實驗操作：用TDS水質測試筆分別測試固體A的水溶液和固體B 的水溶液。

實驗現象：固體A的水溶液數值較大，固體B的水溶液數值較小。

問題：這個現象又說明了什么？

學生：說明了濃度基本相同的情況下，固體A的水溶液導電能力強于固體B的水溶液。

追問：固體A和固體B分別屬于強電解質還是弱電解質？

學生：固體A屬于強電解質，固體B屬于弱電解質。

教師：揭曉謎底，實驗中A是NaCl，B是CaCO3。不結合實驗現象，根據《化學1》所學知識判斷，這兩種物質分別屬于什么？

學生：都是強電解質。

問題：那剛才為什么會認為固體B為弱電解質呢？

學生：受物質的溶解性和溶液的導電性干擾了。

追問：既然以物質的溶解性和其溶液的導電性來判斷該物質屬于強電解質還是弱電解質發(fā)生了錯誤，那強、弱電解質的根本區(qū)別在哪里？

學生：在水溶液中的電離程度，在水溶液里能完全電離的電解質是強電解質；在水溶液里部分電離的電解質為弱電解質。

教師：總結得很好。實驗是最有說服力的，兩組對比實驗呈現的現象幫大家糾正了在理解“電解質和非電解質、強電解質和弱電解質”兩組概念上的一些誤區(qū)，讓我們對“電解質和非電解質、強電解質和弱電解質”這兩組化學概念有了更深刻的認識。

設計意圖：經過必修《化學1》的學習，學生對“電解質和非電解質、強電解質和弱電解質”這兩組化學概念有了一定的認識，但只是停留在了解層面，更多只是會從物質類別角度去判斷，而對于其本質的認識還遠未達到。筆者的設計是借助兩個對比實驗，讓學生在“已有認識”與“實驗現象”之間產生認知沖突，引發(fā)思考，促使其挖掘現象背后的問題。這招“欲擒故縱”讓學生的認識在沖突中不斷清晰，讓抽象的概念對比中不斷的具體。

環(huán)節(jié)三：體驗

問題：第一組實驗中的冰醋酸是強電解質還是弱電解質呢？

學生：弱電解質。

追問：如何以實驗來證明冰醋酸是弱電解質呢，請設計可行的實驗方案？

學生1：取等量相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，用TDS水質測試筆分別測定其導電性，如果醋酸溶液的導電性明顯比鹽酸弱，則冰醋酸為弱電解質；

學生2：取等量相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，用pH試紙分別測定它們的pH，如果醋酸溶液的pH較大，則冰醋酸為弱電解質；

學生3：取等量相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，分別與形狀和大小相同的某種活潑金屬（如Mg）反應，如果醋酸溶液反應產生氣體速率較慢，則冰醋酸為弱電解質；

學生4：取等量相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，分別與等量的碳酸鈉反應，如果醋酸溶液反應產生氣體較慢，則冰醋酸為弱電解質；

學生5：……

教師：是不是每一個方案都可行呢？請大家利用桌子上的實驗儀器和實驗藥品，來驗證你的方案。

【對比實驗4（學生）】取等量相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，用TDS水質測試筆測試，并讀取讀數。

實驗現象：鹽酸比醋酸的數據要大得多，證明冰醋酸為弱電解質。

【對比實驗5（學生）】用玻璃棒分別蘸取相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，分別滴在兩張pH試紙上，觀察并對比顏色變化。

實驗現象：醋酸的酸性較弱，證明冰醋酸為弱電解質。

【對比實驗6（學生）】取兩支試管，分別裝入兩片形狀和大小相同的鎂條，將兩只注射器針頭分別插入并穿透兩只橡皮塞，套上注射器，吸取等量相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，用此橡皮塞塞住試管，同時將鹽酸和醋酸溶液注入試管，觀察針筒中氣體的體積變化。

實驗現象：醋酸溶液與鎂條反應產生氣體較慢，證明冰醋酸是弱電解質。

問題：如果兩支試管中鎂條過量，最終哪只試管產生的氣體多？

學生：一樣多。

追問：那你可不可以用V-t（縱坐標為產生氫氣的體積，橫坐標為時間）表示兩支試管產生的氣體情況呢？

學生：

教師：大家用各自的方案說明了冰醋酸是弱電解質，它在同濃度條件下導電性不如鹽酸。那如果往醋酸溶液中逐滴滴加同濃度的氫氧化鈉溶液，導電性會如何變化？

學生：變大。

追問：為何會變大？

學生：因為氫氧化鈉為強電解質，同濃度條件下導電能力更強。

教師：是不是如大家所說，我們來做一做這個實驗。

【對比實驗7（學生）】取20mL 醋酸溶液于燒杯中，插入TDS水質測試筆，記錄讀數，將同濃度的氫氧化鈉溶液逐滴滴入醋酸溶液中，觀察并記錄讀數變化。

實驗現象：讀數先逐漸上升，后基本不變。

問題：實驗現象跟我們猜測的有差別，為什么后來基本不變了？

學生：后來氫氧化鈉大量過量了，混合溶液導電性接近原氫氧化鈉溶液了。

追問1：剛才往醋酸中滴加的氫氧化鈉是強電解質，那如果往醋酸溶液中逐滴滴入同濃度的氨水，導電性又會如何變化呢？

學生：可能變化不大。

追問2：為什么？

學生：因為一水合氨也是弱電解質，同濃度導電能力與醋酸溶液差不多。

教師：我們的分析是否正確呢？我們繼續(xù)進行對比實驗。

【對比實驗8（學生）】取20mL 醋酸溶液于燒杯中，插入TDS水質測試筆，記錄讀數，將同濃度的氨水逐滴滴入醋酸溶液中，觀察并記錄讀數變化。

實驗現象：讀數先上升，后下降，最后保持不變，并與初始數據相近。

問題：為什么會出現這樣的讀數變化？

學生：因為反應產生的醋酸銨為強電解質，同濃度導電能力強。后來氨水過量，導電能力有所下降。

教師：化學是實驗的科學，只有實驗才是最高法庭。在化學學習中，我們要習慣于借助實驗去認識、去探究。

設計意圖：著名化學家傅鷹先生說過：提出一個機理來解釋一種現象并不困難，困難的是如何以實驗證明它是正確的，而且唯一是正確的。在這個環(huán)節(jié)的教學中，筆者引導學生借助實驗去辨析概念，在7組對比實驗中鞏固認知。

輕巧便攜的“TDS水質測試筆”的數據直觀地將微觀“電離”問題轉化成了宏觀“水質測試數據”，這是抽象問題具體化的最直接體驗。從鹽酸與醋酸的“靜態(tài)對比”過渡到醋酸分別與氫氧化鈉溶液和氨水反應的“動態(tài)對比”，學生對“強電解質與弱電解質”的理解是越來越具體，越來越深入。

三、教學反思

反思本課的教學設計，主要有如下幾個優(yōu)點：

1. “TDS水質測試筆”的充分利用，取得了意想不到的效果。

“TDS水質測試筆”具有操作方便，讀數簡單等優(yōu)勢，在本課的多個實驗中被利用，不僅能將抽象的微觀問題“電離”以數據形式宏觀呈現，還能許多“教師演示實驗”變成了“學生分組實驗”，提高了學生的課堂參與度和學習積極性。

2. 貫穿始終的“對比實驗”，完成了抽象概念的具體化構建。

從“池塘里的天然水”與礦泉水、純凈水、無水乙醇等的導電性對比，到“未知試劑A、B”系列對比實驗，再到“鹽酸與醋酸”的對比驗證實驗，最后到“醋酸與強堿和弱堿反應”的動態(tài)對比實驗，讓學生在“從簡單到復雜”，“從靜態(tài)到動態(tài)”的體驗過程中構建出了抽象概念具體化的深刻認知。

對比實驗中的細節(jié)設計也十分巧妙，不僅激發(fā)了學生的探究熱情，更是引發(fā)了學生的深入思考，為抽象概念的具體化構建助力。如在“未知試劑A、B”系列對比實驗中，先是用TDS水質測試筆測試“未知液體A”和“未知液體B”，根據實驗現象讀數為0，很容易讓學生產生“A、B均是非電解質”的錯誤想法。而筆者安排的“將兩種液體分別加入等量的水并測試”這個小細節(jié)置學生的思維于“矛盾沖突”中，讓學生不得不重新思考并逐步構建起“電解質和非電解質”的概念，使其對概念的理解更深入。

參考文獻

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