基于學(xué)生“微粒觀”建立的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例研究

張寒之

摘要：文章結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂案例，提出利用化學(xué)實(shí)驗(yàn)幫助高中學(xué)生建立“微粒觀”，促進(jìn)其認(rèn)識角度的拓展和認(rèn)識方式的優(yōu)化。以實(shí)驗(yàn)為手段，搭建橋梁，探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)在促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識發(fā)展方面的作用和意義。

關(guān)鍵詞：化學(xué)實(shí)驗(yàn)；認(rèn)識角度；認(rèn)識方式

文章編號：1008-0546（2016）01-0000-00 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.000

高中化學(xué)的學(xué)習(xí)主要是幫助學(xué)生在分子、原子的微觀層面認(rèn)識世界。從千變?nèi)f化的宏觀世界深入到不可見的微觀世界，對于高中學(xué)生的認(rèn)識水平來說是非常困難的，甚至有的學(xué)生經(jīng)過三年的高中化學(xué)學(xué)習(xí)都無法得到“宏觀——微觀”認(rèn)識方式的發(fā)展。筆者認(rèn)為主要原因是，教學(xué)過程中，教師沒有提供給學(xué)生看見微觀世界的機(jī)會，缺少真實(shí)素材的支撐，學(xué)生的認(rèn)識只能停留在模糊的了解、大概知道。教師需要給學(xué)生搭建橫跨這兩種認(rèn)識方式的階梯，利用實(shí)驗(yàn)手段幫助學(xué)生感受到“粒子”的存在形態(tài)，通過觀察、推導(dǎo)、演繹真正的了解客觀世界，做到知其“所以然”。

一、“大顆粒——小顆?！⒘！?/p>

直接從宏觀物質(zhì)極端過度到看不見到微觀粒子，對于大多數(shù)學(xué)生來說是無法跨越的認(rèn)識障礙。在教學(xué)中，教師可以從“大顆?！☆w?！⒘！眮韱l(fā)學(xué)生觀察和想象，從而接納微觀世界的變化。

分散系的教學(xué)就為學(xué)生提供了真實(shí)感受粒子變化的情境，和研究粒子的一種手段。假若簡單理解教材，分散系只是提供了一種對混合物的分類方法，可是分類標(biāo)準(zhǔn)如此眾多，為什么單單從粒子大小來分類呢？這就是希望能夠引導(dǎo)學(xué)生建立基本的“微粒觀”。在教學(xué)中，我們不應(yīng)當(dāng)把濁液、膠體、溶液簡單的當(dāng)作三類分散系來看待，更重要的是讓學(xué)生體會這三種分散系的關(guān)系，即粒子大小的變化過程。

例如，當(dāng)水中粒子直徑落入肉眼可視范圍的時候，我們稱為“濁液”，若粒子直徑小于100nm時，肉眼看不見的時候，我們?nèi)绾螀^(qū)分“膠體”和“溶液”呢？利用粒子的光學(xué)性質(zhì)——光的散射，也就是教材中所說的“丁達(dá)爾效應(yīng)”。學(xué)生通過學(xué)習(xí)不但要知道“丁達(dá)爾效應(yīng)”是膠體區(qū)別于溶液的性質(zhì)，更重要是掌握到一種觀察小粒子的手段和方法。學(xué)生有了這個認(rèn)知后，才具備將知識系統(tǒng)化的可能。這三種分散系就是這么嚴(yán)格區(qū)分，互不相關(guān)嗎？當(dāng)然不是。教學(xué)過程中，教師給學(xué)生展示一杯課前準(zhǔn)備好混有沙土的泥水，由于放置了一段時間，泥水已經(jīng)出現(xiàn)了沉降，上層為清液。教師提問“上層清液中還有泥沙嗎？”生：“肯定還有。”師：“能看到嗎？”學(xué)生紛紛想到用激光筆照射燒杯中的上層清液，發(fā)現(xiàn)了一條清晰的“光路”。可見，當(dāng)我們把濁液中的顆粒變小，只要體系中的粒子直徑落在1nm～100nm之間，就能形成膠體，就可以形成光的散射現(xiàn)象。

教師接著提出疑問：“溶液也能變成膠體嗎？”生：“把粒子變大就行，不能太大，不然就沉淀了?！睂W(xué)生已經(jīng)熟悉在不可見的微觀層面想象、理解并提出解決問題的方案。沿著學(xué)生的認(rèn)識思路，師生共同討論，如何制備出Fe（OH）3膠體。

師：“怎么制得Fe（OH）3？”生：“用FeCl3和NaOH反應(yīng)?！庇猩贁?shù)學(xué)生質(zhì)疑：“那樣生成的好像是沉淀吧！”師：“那我們想一想怎么控制Fe（OH）3不變成沉淀而是膠體呢？沉淀和膠體的區(qū)別在哪里啊？”生：“不能讓顆粒變大。用濃度很稀的氫氧化鈉溶液。”師；“太棒了，我們只要能控制Fe（OH）3顆粒在膠體粒子直徑范圍就可以了，大家想到控制OH-的濃度。我們確實(shí)要將氫氧化鈉溶液濃度減小，甚至只用水就可以了?！睂W(xué)生表示很驚訝，少數(shù)同學(xué)想到水中也存在極少量的H+和OH-。

教師指導(dǎo)學(xué)生完成Fe（OH）3膠體的制備，學(xué)生迫不及待的用激光筆檢驗(yàn)自己的實(shí)驗(yàn)成果，一條清晰光滑的“光路”證實(shí)大家實(shí)驗(yàn)的成功。

學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的猜想、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證都體現(xiàn)出他們對膠體的認(rèn)識不是孤立的，而是可以在分散系的知識系統(tǒng)中尋找到膠體的特點(diǎn)以及分析它們的方法和手段。

實(shí)驗(yàn)過程中，有同學(xué)提出：“能不能把膠體粒子分離出來??？”學(xué)生們開始自發(fā)形成討論：“過濾試試看呢？”利用過濾實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在濾液中也觀察到了“丁達(dá)爾效應(yīng)”，驗(yàn)證假設(shè)失敗?？墒?，令人驚喜的是，有學(xué)生提出：“老師能不能提供孔徑小一號的濾紙??？”一個靈感的出現(xiàn)說明學(xué)生正進(jìn)入微觀層面思考他們“不可見”的問題，跳脫出對宏觀現(xiàn)象簡單層面的理解，而不知不覺的建立了“微觀的”認(rèn)識方式。教師在鼓勵大家的同時向?qū)W生介紹了“小型號”的濾紙——半透膜，利用半透膜的滲析，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，膠體粒子可以輕松穿過半透膜的空洞，達(dá)到分離的母的。

簡易的實(shí)驗(yàn)操作讓學(xué)生體驗(yàn)到“大顆?！☆w粒——微?！敝g的相互轉(zhuǎn)換，教師在教學(xué)過程中注重了化學(xué)知識在教學(xué)中的認(rèn)識作用，放大其認(rèn)識功能，為學(xué)生積累化學(xué)知識的同時提供一種認(rèn)識角度和認(rèn)識方式，筆者認(rèn)為這應(yīng)當(dāng)是“物質(zhì)的分類”章節(jié)教學(xué)中需要完成的教學(xué)目標(biāo)。

在這樣的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生獲得的不局限于對“分散系”孤立的認(rèn)識和記憶，而是在實(shí)驗(yàn)、思考和想象中真實(shí)體會到這些粒子到存在形態(tài)，這種“微粒觀”的建立不光體現(xiàn)在對膠體的學(xué)習(xí)，而是應(yīng)當(dāng)貫穿整個高中化學(xué)的學(xué)習(xí)，對于學(xué)生學(xué)習(xí)離子反應(yīng)以及元素化合物部分的只是都是有系統(tǒng)的影響。

二、接納看不見的“微?！?/p>

學(xué)生在初中化學(xué)的學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道氯化鈉溶解在水中后變成了鈉離子和氯離子，但是，這是課本告訴他們的，他們沒有看見這些離子，或者說，他們沒有接納這些看不見的“微?！?。從宏觀現(xiàn)象上描述，氯化鈉溶解在水中后，形成透明無色的溶液。為什么呢？真的有鈉離子和氯離子在水中嗎？除了氯化鈉還有什么物質(zhì)也有類似的性質(zhì)呢？筆者認(rèn)為這就是高一化學(xué)第二章離子反應(yīng)第一課時需要解決的問題。局限于學(xué)生的知識有限，在第一課時中無法解決所有的“為什么”，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)就是讓學(xué)生充分感受到這杯透明無色的溶液中數(shù)不清的存在。

基于這樣的教學(xué)目標(biāo)，本節(jié)課采取了學(xué)生小組討論、實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué)模式。學(xué)生六人一組，共分成六組。教師為學(xué)生提供了藥品“食鹽固體、蔗糖固體、氫氧化鈉固體、無水乙醇、蒸餾水、0.1mol/L鹽酸、0.1mol/L氯化鈉溶液、0.1mol/L氫氧化鈉溶液、紫色石蕊”，器材“燒杯、玻璃棒、洗瓶、量筒、膠頭滴管、電流計(jì)、燈泡、電池組、導(dǎo)線”。教師在課堂上向?qū)W生提出待證明的問題“食鹽溶解后究竟變成了什么？”

經(jīng)過學(xué)生們的討論和實(shí)驗(yàn)，第二小組率先得到結(jié)論。他們直接將提供的氯化鈉溶液接入電路中，關(guān)閉閘刀后，電路中的燈泡發(fā)亮。得出結(jié)論為，氯化鈉溶液中有帶點(diǎn)的鈉離子和氯離子。有小組提出疑問：“這些離子一定是鈉離子和氯離子嗎？說不定是水中的呢？”這個質(zhì)疑得到大家的認(rèn)可，雖然同學(xué)們在初中都學(xué)過，心里明白是溶液中存在鈉離子和氯離子，可是如何證明呢？

第一小組提出，用蒸餾水先做導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)，再用氯化鈉固體做導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)，最后把氯化鈉溶解在蒸餾水中再做一次導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)前兩次的燈泡都不亮，但是最后一次用氯化鈉溶液做的導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)中燈泡亮了。可見，第一個問題解決了，食鹽溶解后變成了鈉離子和氯離子。除此之外，同學(xué)們還有一個收獲就是學(xué)會了用導(dǎo)電能力來反應(yīng)溶液中有沒有陰陽離子。

此時，教師再次拋出問題“大家看看自己桌上的小燈泡，為什么有的小組的燈泡亮？有的暗？”同學(xué)們立刻想到“電流不一樣。”為什么不一樣呢？怎么證明呢？

各個小組分別把電流計(jì)接入電路，發(fā)現(xiàn)果然燈泡亮的小組相應(yīng)電流就大。為了使自己的電流變得更大，同學(xué)們紛紛往燒杯里面加氯化鈉固體，并且不斷攪拌。不出意外的都看見電流計(jì)指針往大偏轉(zhuǎn)。同學(xué)們恍然大悟，原來離子的濃度越大，游動的離子越多，溶液導(dǎo)電能力就越強(qiáng)了，難怪氯化鈉固體不導(dǎo)電，沒有水，鈉離子和氯離子都不在溶液中，沒法移動啊。

有了這些知識作為依據(jù)，教師可以提出問題“除了氯化鈉以外，還有那些物質(zhì)具有類似的性質(zhì)呢？”同學(xué)們看見實(shí)驗(yàn)臺上的藥品，開始忙活，分別用蔗糖、無水乙醇、氫氧化鈉溶液和稀鹽酸做導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)。有小組提出問題：“怎么蔗糖和乙醇溶解了也不導(dǎo)電??？”大家紛紛討論認(rèn)為，雖然蔗糖和酒精在水中溶解了，但是沒有陰陽離子產(chǎn)生，水中存在的是蔗糖分子和乙醇分子，這樣的溶液就不能導(dǎo)電。各個小組用氫氧化鈉溶液和稀鹽酸做的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)都證明了這兩種溶液是可以導(dǎo)電的，而且隨濃度的增大導(dǎo)電能力越強(qiáng)。在師生的共同探討中，大家認(rèn)為在水中可以電離產(chǎn)生自由移動陰陽離子的化合物，形成的溶液才能導(dǎo)電，我們將這樣一類化合物稱為電解質(zhì)，而我們初中學(xué)習(xí)的大部分酸、堿、鹽都在這個范疇中。

經(jīng)過這樣的實(shí)驗(yàn)、討論，同學(xué)們對電離以及電解質(zhì)這兩個抽象的概念有了更直觀更形象的認(rèn)識，重要的是他們?yōu)檫@兩個新的知識點(diǎn)找到了生長點(diǎn)，與他們初中熟悉的酸、堿、鹽的概念聯(lián)系到了一起，這樣的學(xué)習(xí)就避免了學(xué)生在學(xué)習(xí)中孤立的看待知識只能機(jī)械背誦，而是在思維活動中主動的把它納入自己的知識體系中，形成系統(tǒng)的知識網(wǎng)絡(luò)，同時為后面理解離子反應(yīng)打下理論基礎(chǔ)。

在實(shí)驗(yàn)探究中，很重要的一點(diǎn)就是啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)過的知識來解決新問題，這不僅可以激發(fā)他們討論和探究的熱情，更重要的是讓他們體會到自己所學(xué)知識的認(rèn)識功能，是他們探索未知的重要工具，不斷體會這樣的過程就是他們的認(rèn)識從孤立走向系統(tǒng)的過程。所以，在這節(jié)課上，教師針對學(xué)生用氫氧化鈉溶液和稀鹽酸做溶液的導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)，提出問題“如果不利用溶液的導(dǎo)電性，我們還能有別的方法觀察到你們在實(shí)驗(yàn)過程中溶液中的離子濃度在變化呢？”這個問題是想啟發(fā)學(xué)生回歸到酸、堿的本質(zhì)，利用溶液pH值，也就是氫離子和氫氧根離子濃度的變化，此時學(xué)生通過思考、回顧過去的知識會更深刻的理解酸、堿、鹽和電解質(zhì)的關(guān)系，也是為學(xué)生理解強(qiáng)弱電解質(zhì)搭建階梯。

筆者認(rèn)為，作為離子反應(yīng)的第一課時，學(xué)生剛剛從宏觀的物質(zhì)溶解性過度到溶液中微觀存在的離子，不宜講的太深，主要以學(xué)生自己的感受和體驗(yàn)為主，研究教材可以發(fā)現(xiàn)，教材在這一課時中只強(qiáng)調(diào)了酸、堿、鹽在水中的電離，弱化了電解質(zhì)與非電解質(zhì)的概念，這是為學(xué)生理解離子反應(yīng)降低了難度。在授課中，我們不妨多留些疑問，讓學(xué)生體會溶液中離子的增加、減少，真心接納了這些看不見的微粒，為他們進(jìn)入微觀世界寫下精彩而重要的第一筆。

三、尋找溶液中的“微?！?/p>

元素周期律是對元素化合物知識的一個總結(jié)，也是建立“結(jié)構(gòu)——性質(zhì)”關(guān)系的重要內(nèi)容。教學(xué)中重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生體會元素結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，從對元素性質(zhì)孤立的認(rèn)識上升到系統(tǒng)的把握。

進(jìn)過對同周期元素原子結(jié)構(gòu)的理解比較，學(xué)生提出假設(shè)“同一周期中金屬鈉最外層一個電子，比金屬鎂更容易失去電子，還原性比鎂強(qiáng)。”經(jīng)過討論，他們設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案主要有兩種：一、取相同大小的金屬鈉和金屬鎂，分別與同濃度的鹽酸反應(yīng)，比較反應(yīng)的劇烈程度；二、取相同大小的金屬鈉和金屬鎂，分別與同體積的蒸餾水反應(yīng)，比較反應(yīng)的劇烈程度。在討論實(shí)驗(yàn)方案可行性的時候，有學(xué)生提出，鈉的性質(zhì)太“活潑”，和鹽酸反應(yīng)危險性會比較大，學(xué)生決定采用實(shí)驗(yàn)方案二。

學(xué)生通過對比實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋惺艿浇饘兮c和水的反應(yīng)明顯比金屬鎂與水反應(yīng)要劇烈，讓我們欣喜的是，在實(shí)驗(yàn)過程中，有同學(xué)提出“鎂和水反應(yīng)生成什么啊？氫氧化鎂不是沉淀嗎？怎么看不到？”這時師生間形成了討論。師：氫氧化鎂沉淀怎么看不到呢？生：反應(yīng)不劇烈，生成的氫氧化鎂太少了。師：咱們是不是可以理解為反應(yīng)生成的Mg2+和OH-濃度太低，他們碰撞形成Mg（OH）2的可能性比較小，即使生成了Mg（OH）2，顆粒太小，我們?nèi)庋垡矡o法看見。是不是這樣呢？生：滴點(diǎn)酚酞看看呢。在試管中滴加酚酞后，溶液呈紅色。師：有沒有Mg（OH）2生成?。拷柚ぞ吣懿荒芸吹桨?？生：激光筆，利用丁達(dá)爾效應(yīng)。通過激光照射，果然看到一條“微弱”的光路（圖1和圖2）。

當(dāng)試管放置一段時間后，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)了“意外”，在靠近鎂條的溶液部分出現(xiàn)的紅色要深于其他部分（圖3）。如何理解這個“美麗的意外”呢，有同學(xué)立刻想到，金屬和水反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是金屬和水中H+的反應(yīng)，那靠近鎂條的水中H+被還原，剩下的就是OH-，紅色當(dāng)然要深一些啊。可見金屬與水的反應(yīng)其本質(zhì)是將水中的H+還原，和金屬與酸的反應(yīng)原理是一致的，那么我們對于活潑性相較于堿金屬比較穩(wěn)定的金屬，就利用其與酸反應(yīng)的情況來判斷它們的金屬性強(qiáng)弱。

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究的情境中，主動發(fā)現(xiàn)問題，預(yù)測體系中存在微觀粒子?？梢妼W(xué)生初步建立起“微粒觀”，能透過宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)。在這個實(shí)驗(yàn)中，令筆者感到驚喜的是，學(xué)生提出利用“丁達(dá)爾效應(yīng)”驗(yàn)證猜想。這說明學(xué)生能夠?qū)⒅八鶎W(xué)知識內(nèi)化，在遇到具體問題情境時主動調(diào)用所學(xué)知識，積極的嘗試在微觀層面觀察化學(xué)反應(yīng)。

不禁要感嘆，這就是化學(xué)實(shí)驗(yàn)的魅力。學(xué)生在神奇又極富科學(xué)性的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中感受微觀粒子的運(yùn)動和反應(yīng)，尋求外顯現(xiàn)象的本質(zhì)原因，在充分的活動體驗(yàn)中，收獲到的不僅僅是感性材料，還有豐富的認(rèn)識視角、嚴(yán)密的邏輯思維和更接近反應(yīng)本質(zhì)的認(rèn)識方式。