基于數字化實驗，深化微粒觀認識

康玉琴 韋存容

摘要：以"離子反應"教學為案例，基于電導率傳感器的數字化實驗，從數字化實驗的準備、操作、實驗圖像分析到符號表征的學習等過程中，強化學生對電解質溶液中微粒種類和存在的認識，深化學生對微粒間相互作用及其變化的理解，從而理解離子反應的實質，逐步引導學生發展和深化微粒觀。

關鍵詞：數字化實驗；微粒觀；離子反應

文章編號：1008-0546（2016）09-0085-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.029

微粒觀是化學基本觀念的重要組成部分，也是化學基本觀念中最基礎的部分之一。從微觀視角，認識和考察物質世界是化學學習必備的思維方法，所以我們在教學中要注重學生“微粒觀”的構建和養成，促進學生從微觀的角度認識物質的構成、性質及其變化。數字化實驗為學生形成化學基本觀念提供直觀、真實的感性認識材料，對學生微粒觀的構建、發展和深化起著推動作用。本文以高中化學離子反應為例進行探討。

一、 準備數字化實驗，構建物質微粒構成

1. 認識數字化實驗

數字化實驗是傳感器、數據采集器和計算機（含配套軟件）組成的實驗系統，對實驗體系中某種（或某幾種）物理參數進行實時測量、數據采集和數據分析，一般用于研究化學本質問題。具體過程是數據采集器采集和處理傳感器測量的物理參數，并傳給電腦，由專門軟件自動繪圖，數據和圖像可以保存在電腦中，也可直接在屏幕上投影。本實驗中，我們使用電導率傳感器，來測量溶液的電導率。溶液的電導率與溶液中離子導電能力的大小和濃度成正比，電導率的變化可以反映溶液中離子的變化。

2. 準備實驗用品

試劑：0.05mol/L CuSO4溶液、0.05 mol/LNa2SO4溶液、0.1 mol/L NaOH溶液，儀器：Vernier 電導率傳感器、Vernier LabPro 數據采集器、計算機、磁力攪拌器（磁子）、燒杯、酸式滴定管、堿式滴定管、滴定管夾、鐵架臺、50 mL燒杯等。

3. 重溫微粒的種類和存在

在準備實驗藥品時，學生可以觀察到硫酸銅溶液呈藍色、硫酸鈉溶液無色等宏觀現象。在初中化學學習中，學生已經有了一定的微粒觀認識：物質都是由原子、分子、離子等基本微粒構成的，微粒很小很小，肉眼無法看到。教師引導學生從微觀角度思考，不難分析出硫酸銅溶液中微粒的種類和存在（主要是Cu2+和SO42-，另外有少量的H+和OH-），逐步培養從微觀角度分析宏觀現象的思想。學生由此獲知組成物質的微粒是客觀存在的，其存在形態、種類與所處環境有關。

二、進行數字化實驗，感悟微粒變化

1. 進行實驗操作

（1）將電導率傳感器、數據采集器與計算機連接好。

（2）設置數據采集模式。打開數據采集軟件（Logger Pro），點擊菜單欄“實驗”選項，設置數據采集時間為1000s，每秒采集1個數據。

（3）空白組：在燒杯中裝入25 mL 0.05 mol/L CuSO4溶液，點擊“開始”按鈕開始采集數據，一段時間后點擊“停止”按鈕，結束實驗。點擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實驗數據進行保存。測得電導率，如附圖所示電導率一時間曲線Ⅰ。

（4）參照組：用堿式滴定管勻速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸餾水25 mL，點擊“開始”按鈕開始采集數據，一段時間后點擊“停止”按鈕，結束實驗。點擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實驗數據進行保存。獲得電導率一時間曲線Ⅱ。

（5）實驗組：用堿式滴定管勻速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1 mol/L NaOH溶液25 mL，重復（4）步驟，獲得電導率一時間曲線Ⅲ。

2. 觀察和分析微粒變化

原子、分子、離子等微觀粒子是我們肉眼無法看得到的，也摸不著的，數字化實驗測量電導率，能對微粒的存在進行定性和定量描述。硫酸銅溶液電導率的存在，讓學生認識到硫酸銅在水溶液中發生了電離，產生自由移動的離子，讓學生“看到”物質在水溶液中是以離子、分子等微粒存在的。

硫酸銅溶液中加水稀釋、加氫氧化鈉溶液，從溶液電導率不斷變化和藍色沉淀生成的宏觀現象，而“看到”微粒不是靜止不動的，而是不斷運動和變化的。這樣幫助學生培養和建立正確的微粒觀，從微觀角度，分析溶液中微粒的變化，探討酸、堿、鹽在溶液中的變化。

三、解讀實驗圖像，認識微粒相互作用

教師應該利用數字化實驗產生的圖表、數據呈現實驗事實，引導學生培養讀圖、分析和處理數據的能力，幫助學生了解現代實驗技術和手段，提高其學習化學的興趣和熱情。

1. 提出問題，思考微粒變化

問題往往能激發思維，促進思考。數字化實驗的數據及觀察到的宏觀現象讓我們看到微粒的不斷運動和變化，其中什么變了？也許數字化實驗記錄的圖像能給我們正確的解釋。我們能觀察到曲線Ⅰ平行于橫軸，即硫酸銅溶液中離子濃度一直不變，溶液是均一穩定的；曲線Ⅱ電導率不斷減低（沒有降為0），顯示溶液中離子濃度不斷降低，這是向硫酸銅溶液中加水，各離子濃度降低；而曲線Ⅲ，展示的是向硫酸銅溶液中加氫氧化鈉溶液，生成藍色沉淀，電導率也隨之降低，說明微粒發生了變化。

2. 深度思考，認識微粒相互作用

曲線Ⅲ為什么先降低后升高？藍色沉淀的生成和電導率的減低，說明溶液發生反應，微粒間相互作用：Cu2+與OH-生成了沉淀，導致溶液中離子濃度減小。繼續加入過量氫氧化鈉溶液，溶液中離子濃度上升，電導率逐漸上升。

通過上述實驗，我們認識到水溶液中的反應是離子間相互作用，離子的結合和重組是構成物質及其變化的根本原因，從而形成離子反應概念，并總結出離子反應的實質：反應前后離子進行了重組、離子的種類和數量發生了變化。

從數字化實驗圖像顯示：曲線Ⅲ的電導率最低點處高于曲線Ⅱ，為什么呢？猜想：可能其他離子（Na+、SO42-）并未參與反應，仍然以離子形式存在于溶液中。如何證明你的猜想？如何檢驗硫酸根？從而提出取上層清液，向其中滴加BaCl2溶液的方法來驗證猜想。這是把新學的“離子反應”概念作為看問題的思路和方法，運用微粒間的相互作用，分析和解決實際問題，不斷豐富和深化對概念本質的理解，從而實現觀念的構建和能力的提升。

四、運用符號表征，深化認識微粒觀

微粒觀作為一種化學基本觀念，是學生獲得的對化學總體性認識。它決定了學生對化學知識的理解深度和靈活應用程度，對提高學生的科學素養具有重要價值。

1. 學習符號表征，呈現微粒作用

通過離子方程式的書寫，學生可以從微觀角度正確理解物質在水溶液的反應，認識離子反應的實質；通過離子反應的真實現象，能正確認識和理解離子反應的概念；從而進一步掌握用離子符號、化學式表征離子反應，書寫出正確的離子方程式。

學生在正確認識了溶液反應實質的基礎上，用化學語言來描述離子間的反應，脫離了化學方程式的束縛，使學生在以后的學習中能夠運用離子反應的觀點來分析問題。

2. 運用微粒作用，深化概念認識

舉例說明在水溶液中能夠發生上述離子反應（Cu2++2OH-Cu（OH）2↓）的化學反應有哪些？這是從微觀的角度，從微粒的種類、微粒的存在、微粒的數量、微粒的變化以及微粒間的相互作用等層面，形成對參與化學反應的物質及其變化的認識，是學生在知識積累后認識上質的飛躍。

此過程可以幫助學生完善知識建構，逐步建立起從微觀角度分析水溶液中反應的思路和方法，培養新情境下解決實際問題的能力，從而形成化學觀念。

在“離子反應”的教學中，以數字化實驗為支撐，將水溶液中微粒的存在和種類、部分微粒相互作用、引起的變化以及變化的結果等作為培養學生微粒觀的認識線索，建構“離子反應”概念，認識酸堿鹽在水溶液中的反應實質。這樣使學生對化學的認識實現從宏觀向微觀、從現象向本質、從定性向定量的轉變，豐富和發展學生分析問題的能力，逐漸實現具體概念性學習轉化為觀念性學習。

化學微粒觀的構建是一個系統而漸進的過程，其中微粒的構成是微粒觀的基礎，微粒的變化和作用是微粒觀的核心和關鍵。由于微粒的抽象性，在教學過程中，教師應根據學生的認知水平，把握教學內容的層次性和階梯性，充分運用數字化實驗的直觀性和再現性，建立宏觀和微觀的聯系，構建微觀觀念；還要善于挖掘教材中微粒觀知識資源，分析知識的來龍去脈，以觀念為本進行化學教學，引導學生從微觀角度去掌握化學知識的實質，逐步豐富和深化微粒觀。

參考文獻

[1] 白濤，馬紅艷等.基于手持技術的“離子反應及其發生條件”教學研究[J].化學教育，2013，（4）：40-43

[2] 何彩霞.整體把握和實施觀念建構的化學教學研究[J].中學化學教學參考，2011，（7）：12-14

[3] 龐玉璽.對于“離子反應”教學的一點思考[J].中學化學教學參考，2013，（5）：19-21

[4] 張勁輝.高一化學教學中微粒觀的培養構想[J].福建教育學院學報，2011，（5）：42-44