本是同根生 相兼出效奇
——初中物理教學(xué)引入化學(xué)教具與實(shí)驗(yàn)之案例

葉鳴揚(yáng)

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京 210011)

1 引入化學(xué)教具之案例：走進(jìn)分子世界

1.1 物理教學(xué)中的困難

“走進(jìn)分子世界”是初中生探知微觀世界的第一課，本節(jié)內(nèi)容與學(xué)生生活聯(lián)系較少，十分抽象，且學(xué)生尚不具備相關(guān)化學(xué)知識(shí)，故本節(jié)之難，不在知識(shí)的總體要求上，而在于微觀模型的建構(gòu)。

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)之一為：通過活動(dòng)了解分子模型的主要內(nèi)容，知道分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小單元。蘇科版初中物理教材安排了兩個(gè)學(xué)生活動(dòng)：(1) 用放大鏡或低倍顯微鏡觀察素描炭筆畫出的線；(2) 觀察并比較水和酒精充分混合前后總體積的變化，繼而引導(dǎo)學(xué)生選擇一種微觀模型來解釋觀察到的現(xiàn)象。學(xué)生經(jīng)過思考后，不難選出“模型3：物質(zhì)是由微粒組成的，微粒之間有空隙”?；顒?dòng)環(huán)節(jié)之后，關(guān)于什么是分子，教材正文中進(jìn)行了如下介紹：“他們(科學(xué)家)還發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)被分到一定程度后，就不再保持其原有的性質(zhì)了?？茖W(xué)家把能保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒稱為分子?！?/p>

教材編寫者的思路為：在學(xué)生缺少化學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)情下，借助此前六章較少采用的以文獻(xiàn)資料為主、以科學(xué)發(fā)展史為線索的探究形式。但八年級(jí)學(xué)生還不知道何為“化學(xué)性質(zhì)”，對(duì)于用未知概念定義抽象的新概念，如果以直接呈現(xiàn)的形式告知學(xué)生的話，學(xué)生無法理解，只能機(jī)械記憶，新課學(xué)習(xí)的體驗(yàn)可能由此變得乏味，這里對(duì)教師提出了“用教材教，而非教教材”的要求。

筆者在介紹分子概念之后，引入了化學(xué)教具——分子球棍模型，初步解決了這一問題。

1.2 教學(xué)片段

師：什么叫作保持化學(xué)性質(zhì)的最小微粒呢？請(qǐng)看老師帶來的兩杯水(圖1)。

圖1

師(端起燒杯A)：這杯所盛的是水，為無色透明液體，水是由什么組成的？

生：一個(gè)氧、兩個(gè)氫。

水作為生活中最常見的物質(zhì)，其分子式為H2O，這是很多學(xué)生早已接觸到的課外知識(shí)，或來自科普讀物，或來自家長(zhǎng)介紹，甚至在一些商業(yè)廣告中都能看到。作為八年級(jí)學(xué)生，還沒有接觸“元素”“原子”等概念，能說出“一個(gè)氧，兩個(gè)氫”，教師即可給予肯定。

師：(舉起一個(gè)H2O分子模型)這個(gè)模型就代表著一個(gè)水分子，紅色大球代表氧，白色小球代表氫。(端起燒杯B)那么老師帶來的第二杯“水”，就是由4個(gè)水分子模型構(gòu)成的“水”。

學(xué)生覺得新奇，有趣。

師：大家知道水有哪些性質(zhì)嗎？

生：無色、無味、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)為100 ℃、密度為1 g/cm3、能滅火……

師：能滅火其實(shí)反映了水的一些化學(xué)性質(zhì)，不可燃、不助燃。

師：(端起燒杯A)如果我將這一杯水倒去一半，剩下的水還具有“滅火的性質(zhì)”嗎？

生：具有。

生：依然有。

師：假設(shè)將這杯水一直分割下去，(舉起最后一個(gè)水分子模型)它還能再被分嗎？

學(xué)生猜測(cè)：模型中的“球”與“棍”是否可以拆開？教師演示，可以拆開。

師：科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)這最后一個(gè)水分子再被拆分之后，紅球代表的氧、白球代表的氫將都不再具有“滅火的性質(zhì)”。同學(xué)們以后會(huì)在化學(xué)課中學(xué)習(xí)，如果再將它們重新兩兩組合(圖2)，它們不但不能滅火，還能燃燒或助燃。

圖2

師：水保持其“能滅火”這一化學(xué)性質(zhì)的最小結(jié)構(gòu)是什么？

生：一個(gè)紅球連兩個(gè)白球。

師：是的。H2O就是一個(gè)水分子，是保持水一切化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，而非更小的H、O或者其他微粒。

如此設(shè)計(jì)既能幫助學(xué)生形象、直觀地理解分子為保持化學(xué)性質(zhì)的最小微粒，又能銜接本章第三節(jié)“探索更小的微粒”中的第一句話：“科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，分子是由原子構(gòu)成的。例如，一個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成?！睘閷韺W(xué)生理解原子和分子的結(jié)構(gòu)關(guān)系做了鋪墊。

2 引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)之案例：初識(shí)家用電器和電路

2.1 教學(xué)中的困難

“初識(shí)家用電器和電路”是初中學(xué)生學(xué)習(xí)電路的第一課，本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)之一是：知道電路的基本組成及其作用。蘇科版初中物理教材設(shè)計(jì)了“活動(dòng)13.1：初步調(diào)查家用電器”，體現(xiàn)了教材突出能量主線，從能量轉(zhuǎn)化的角度來引導(dǎo)學(xué)生對(duì)常見家用電器進(jìn)行再認(rèn)識(shí)的編寫意圖。

在教學(xué)實(shí)際中筆者發(fā)現(xiàn)，從能量轉(zhuǎn)化的角度來認(rèn)識(shí)和分析電路組成部分時(shí)，學(xué)生的困難不在于用電器，而在于電源。教材中關(guān)于電源的解讀體現(xiàn)在“信息快遞”中的一句話：“電源是能持續(xù)供電的裝置。從能量轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來看，電源是把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置?！?/p>

八年級(jí)學(xué)生接觸過太陽(yáng)能電板，對(duì)于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)化過程，學(xué)生是可以接受的。但是對(duì)于化學(xué)電池供電時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，學(xué)生難以理解。其根本原因在于初中化學(xué)課不涉及原電池內(nèi)容，學(xué)生不知道也從未關(guān)注過電池在供電過程中，其內(nèi)部究竟發(fā)生了什么。僅僅學(xué)習(xí)了兩個(gè)月化學(xué)的九年級(jí)學(xué)生，接觸到的為數(shù)不多的化學(xué)反應(yīng)基本都伴隨著發(fā)光、發(fā)熱這些明顯的現(xiàn)象，所以潛意識(shí)中會(huì)認(rèn)為，只有燃燒放熱才是釋放化學(xué)能的體現(xiàn)，電池內(nèi)部?jī)?chǔ)存的就應(yīng)該是“電”，何來化學(xué)能呢？

如果再進(jìn)一步討論蓄電池在充電的過程中能量轉(zhuǎn)化、在電路中相當(dāng)于電源還是用電器時(shí)，更是難上加難，作業(yè)中“錯(cuò)了再錯(cuò)”是常事，根本原因依然是學(xué)生的不理解。

如何幫助學(xué)生理解電池是通過內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)來對(duì)外提供電能的呢？考慮到在前一章的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)了解到燃燒是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，筆者在教學(xué)中引入了鋅、銅、稀鹽酸組成的原電池裝置，既用來說明電池放電是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程，又用化學(xué)反應(yīng)來銜接看似沒有關(guān)聯(lián)的熱、電兩章。

2.2 教學(xué)片段

2.2.1 引入新課，介紹用電池供電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化情況，簡(jiǎn)述電池簡(jiǎn)史

師：在上一章我們學(xué)習(xí)了燃料的燃燒。燃燒是一種什么反應(yīng)？能量如何轉(zhuǎn)化？

生：是化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。

師：很好！今天我們?cè)賮砜匆粋€(gè)反應(yīng)。

教師取出器材：盛有稀鹽酸的玻璃容器、銅片、鋅片、導(dǎo)線兩根、靈敏電流計(jì)，并連接為如圖3所示的原電池裝置。

圖3

師：現(xiàn)在，老師將銅片和鋅片浸入稀鹽酸溶液中，你觀察到什么現(xiàn)象？

生：電表指針偏轉(zhuǎn)了！

師：說明這套裝置正在對(duì)外……

生：放電！

師：我們?cè)俚纫坏?，看看還有什么現(xiàn)象。

教師將實(shí)物投影攝像頭對(duì)準(zhǔn)銅片，可見銅片上有氣泡析出(圖4)，這是氫離子在銅片附近獲得電子后生成的氫氣。

圖4

生：銅片上有氣泡產(chǎn)生。

師：將來大家會(huì)在化學(xué)課中學(xué)習(xí)到，這些氣泡是反應(yīng)中生成的氫氣。有新的物質(zhì)生成，說明這是什么反應(yīng)？

生：是化學(xué)反應(yīng)。

師：在這個(gè)化學(xué)反應(yīng)中雖然沒有發(fā)光，也沒有明顯的吸、放熱現(xiàn)象，但是卻可以對(duì)外“放電”！你認(rèn)為在該裝置“放電”的過程中，能量如何轉(zhuǎn)化？

生：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。

師：我們?cè)诎四昙?jí)還學(xué)習(xí)過太陽(yáng)能電板，它可將光能轉(zhuǎn)化為電能。像這類能將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，稱之為電源。

師：其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)大家在小學(xué)科學(xué)課就見過，只不過當(dāng)時(shí)用的不是稀鹽酸，而是另一種酸性物質(zhì)，大家回想起來了嗎？

生：水果電池。

師：水果電池“放電”時(shí)，內(nèi)部也在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。不過人們發(fā)現(xiàn)這類電池在使用時(shí)極不方便，溶液或者水果汁容易外溢，于是科學(xué)家找到了替代品。

引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材中的“信息庫(kù)”，教師簡(jiǎn)介干電池的構(gòu)造，使學(xué)生明白干電池供電時(shí)內(nèi)部發(fā)生的也是化學(xué)反應(yīng)，亦可簡(jiǎn)述干電池的優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)物質(zhì)封閉于鋅筒內(nèi)不外溢，此謂“干”。

2.2.2 突破難點(diǎn)：蓄電池充電時(shí)的能量轉(zhuǎn)化

師：聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)，這種干電池有何缺點(diǎn)？

生：不能循環(huán)使用，廢棄后會(huì)污染環(huán)境。

師：生活中有可以反復(fù)使用的電池嗎？

生：有！蓄電池。

師：是的，比如電動(dòng)車的電瓶。如何給電瓶充電？

生：用充電站的插座給電瓶充電。

師：充電的效果是使原本損失殆盡的化學(xué)能得以恢復(fù)，以供下一次“放電”；而用戶因消耗了電能，需要為此支付電費(fèi)。所以蓄電池在充電的過程中，能量如何轉(zhuǎn)化？

生：與電池“放電”相反，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。

九年級(jí)學(xué)生在學(xué)習(xí)電學(xué)前，已經(jīng)在化學(xué)課上學(xué)過氫氣在氧氣中點(diǎn)燃生成水、電解水分解為氫氣和氧氣的反應(yīng)，知道有些反應(yīng)在改變反應(yīng)條件的情況下，是可以逆向進(jìn)行的。關(guān)于蓄電池充電過程，教師可以做以下簡(jiǎn)單拓展：其實(shí)蓄電池在充電過程中，內(nèi)部發(fā)生了和“放電”過程相逆的化學(xué)反應(yīng)，“放電”后的生成物在獲得外來電能之后又變回了放電前的反應(yīng)物，重新“積蓄”起了化學(xué)能。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 本是同根生

常言道：“理化不分家”，物理學(xué)和化學(xué)都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、研究物質(zhì)組成的自然學(xué)科。化學(xué)的飛速發(fā)展建立在物理學(xué)理論日趨完善的基礎(chǔ)之上，而化學(xué)的發(fā)展也深刻地影響著物理學(xué)的進(jìn)步，可以說二者相輔相成，交叉融合。

3.2 相兼出效奇

初中物理和化學(xué)有著密切的聯(lián)系，有著很多交叉重疊的內(nèi)容。物理教師和化學(xué)教師如能相互增進(jìn)對(duì)對(duì)方學(xué)科的了解，打通學(xué)科界限，能在物理、化學(xué)聯(lián)系度較大的章節(jié)教學(xué)中，互相借鑒，實(shí)驗(yàn)器材兼容，促進(jìn)學(xué)生對(duì)難點(diǎn)的理解，更高效地開展教學(xué)。

在物理課堂中引入化學(xué)素材，應(yīng)注意以下3點(diǎn)：

(1) 為物理所用，勿偏離主題

在物理教學(xué)必要時(shí)引入化學(xué)實(shí)驗(yàn)，其目的在于為解釋定義和原理服務(wù)。教師講解與學(xué)生討論的核心依然是物理問題，案例中的適度拓展也是為更好地達(dá)成物理教學(xué)目標(biāo)，不可偏離主題。

(2) 助學(xué)生理解，忌平添概念

在涉及物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)以及化學(xué)能轉(zhuǎn)化的教學(xué)中，借助化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)茏尦橄髥栴}形象化，加深學(xué)生印象，促進(jìn)學(xué)生理解。但在很多知識(shí)點(diǎn)上，物理學(xué)往往是“先行者”，所以教師在備課時(shí)要充分考慮學(xué)生的接受能力，杜絕使用超前的化學(xué)概念，加重學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。故筆者用“能滅火”作為化學(xué)性質(zhì)之代表，用“酸性物質(zhì)”代替“電解質(zhì)溶液”。

(3) 促學(xué)科融合，留發(fā)展空間

化學(xué)中的許多知識(shí)，學(xué)生在物理課上已經(jīng)接觸過。盡管在很多問題上，兩門學(xué)科討論的側(cè)重點(diǎn)不同，研究的方向也有所不同，但從學(xué)生長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的角度而言，物理教師應(yīng)當(dāng)有做好鋪墊、留有懸念的意識(shí)。這樣既能讓學(xué)生對(duì)未來的化學(xué)學(xué)習(xí)充滿期待，又能使學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)之旅中，有“如見故人”的親切感，真正實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合。