基于學生“微粒觀”建立的化學實驗教學案例研究

張寒之

摘要：文章結合實驗教學課堂案例，提出利用化學實驗幫助高中學生建立“微粒觀”，促進其認識角度的拓展和認識方式的優(yōu)化。以實驗為手段，搭建橋梁，探討實驗教學在促進學生認識發(fā)展方面的作用和意義。

關鍵詞：化學實驗；認識角度；認識方式

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.000

高中化學的學習主要是幫助學生在分子、原子的微觀層面認識世界。從千變萬化的宏觀世界深入到不可見的微觀世界，對于高中學生的認識水平來說是非常困難的，甚至有的學生經過三年的高中化學學習都無法得到“宏觀——微觀”認識方式的發(fā)展。筆者認為主要原因是，教學過程中，教師沒有提供給學生看見微觀世界的機會，缺少真實素材的支撐，學生的認識只能停留在模糊的了解、大概知道。教師需要給學生搭建橫跨這兩種認識方式的階梯，利用實驗手段幫助學生感受到“粒子”的存在形態(tài)，通過觀察、推導、演繹真正的了解客觀世界，做到知其“所以然”。

一、“大顆粒——小顆粒——微粒”

直接從宏觀物質極端過度到看不見到微觀粒子，對于大多數(shù)學生來說是無法跨越的認識障礙。在教學中，教師可以從“大顆粒——小顆粒——微粒”來啟發(fā)學生觀察和想象，從而接納微觀世界的變化。

分散系的教學就為學生提供了真實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，可是分類標準如此眾多，為什么單單從粒子大小來分類呢？這就是希望能夠引導學生建立基本的“微粒觀”。在教學中，我們不應當把濁液、膠體、溶液簡單的當作三類分散系來看待，更重要的是讓學生體會這三種分散系的關系，即粒子大小的變化過程。

例如，當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，我們如何區(qū)分“膠體”和“溶液”呢？利用粒子的光學性質——光的散射，也就是教材中所說的“丁達爾效應”。學生通過學習不但要知道“丁達爾效應”是膠體區(qū)別于溶液的性質，更重要是掌握到一種觀察小粒子的手段和方法。學生有了這個認知后，才具備將知識系統(tǒng)化的可能。這三種分散系就是這么嚴格區(qū)分，互不相關嗎？當然不是。教學過程中，教師給學生展示一杯課前準備好混有沙土的泥水，由于放置了一段時間，泥水已經出現(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。”學生已經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。沿著學生的認識思路，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。”有少數(shù)學生質疑：“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。我們確實要將氫氧化鈉溶液濃度減小，甚至只用水就可以了。”學生表示很驚訝，少數(shù)同學想到水中也存在極少量的H+和OH-。

教師指導學生完成Fe（OH）3膠體的制備，學生迫不及待的用激光筆檢驗自己的實驗成果，一條清晰光滑的“光路”證實大家實驗的成功。

學生對實驗的猜想、設計、驗證都體現(xiàn)出他們對膠體的認識不是孤立的，而是可以在分散系的知識系統(tǒng)中尋找到膠體的特點以及分析它們的方法和手段。

實驗過程中，有同學提出：“能不能把膠體粒子分離出來啊？”學生們開始自發(fā)形成討論：“過濾試試看呢？”利用過濾實驗，學生在濾液中也觀察到了“丁達爾效應”，驗證假設失敗。可是，令人驚喜的是，有學生提出：“老師能不能提供孔徑小一號的濾紙啊？”一個靈感的出現(xiàn)說明學生正進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”認識方式。教師在鼓勵大家的同時向學生介紹了“小型號”的濾紙——半透膜，利用半透膜的滲析，同學們發(fā)現(xiàn)，膠體粒子可以輕松穿過半透膜的空洞，達到分離的母的。

簡易的實驗操作讓學生體驗到“大顆粒——小顆粒——微粒”之間的相互轉換，教師在教學過程中注重了化學知識在教學中的認識作用，放大其認識功能，為學生積累化學知識的同時提供一種認識角度和認識方式，筆者認為這應當是“物質的分類”章節(jié)教學中需要完成的教學目標。

在這樣的學習過程中，學生獲得的不局限于對“分散系”孤立的認識和記憶，而是在實驗、思考和想象中真實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)在對膠體的學習，而是應當貫穿整個高中化學的學習，對于學生學習離子反應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“微粒”

學生在初中化學的學習中已經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“微粒”。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也有類似的性質呢？筆者認為這就是高一化學第二章離子反應第一課時需要解決的問題。局限于學生的知識有限，在第一課時中無法解決所有的“為什么”，本節(jié)課的教學目標就是讓學生充分感受到這杯透明無色的溶液中數(shù)不清的存在。

基于這樣的教學目標，本節(jié)課采取了學生小組討論、實驗的課堂教學模式。學生六人一組，共分成六組。教師為學生提供了藥品“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、燈泡、電池組、導線”。教師在課堂上向學生提出待證明的問題“食鹽溶解后究竟變成了什么？”

經過學生們的討論和實驗，第二小組率先得到結論。他們直接將提供的氯化鈉溶液接入電路中，關閉閘刀后，電路中的燈泡發(fā)亮。得出結論為，氯化鈉溶液中有帶點的鈉離子和氯離子。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？”這個質疑得到大家的認可，雖然同學們在初中都學過，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，用蒸餾水先做導電實驗，再用氯化鈉固體做導電實驗，最后把氯化鈉溶解在蒸餾水中再做一次導電實驗。結果發(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電實驗中燈泡亮了。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，同學們還有一個收獲就是學會了用導電能力來反應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接入電路，發(fā)現(xiàn)果然燈泡亮的小組相應電流就大。為了使自己的電流變得更大，同學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指針往大偏轉。同學們恍然大悟，原來離子的濃度越大，游動的離子越多，溶液導電能力就越強了，難怪氯化鈉固體不導電，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，還有那些物質具有類似的性質呢？”同學們看見實驗臺上的藥品，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電性實驗。有小組提出問題：“怎么蔗糖和乙醇溶解了也不導電啊？”大家紛紛討論認為，雖然蔗糖和酒精在水中溶解了，但是沒有陰陽離子產生，水中存在的是蔗糖分子和乙醇分子，這樣的溶液就不能導電。各個小組用氫氧化鈉溶液和稀鹽酸做的導電性實驗都證明了這兩種溶液是可以導電的，而且隨濃度的增大導電能力越強。在師生的共同探討中，大家認為在水中可以電離產生自由移動陰陽離子的化合物，形成的溶液才能導電，我們將這樣一類化合物稱為電解質，而我們初中學習的大部分酸、堿、鹽都在這個范疇中。

經過這樣的實驗、討論，同學們對電離以及電解質這兩個抽象的概念有了更直觀更形象的認識，重要的是他們?yōu)檫@兩個新的知識點找到了生長點，與他們初中熟悉的酸、堿、鹽的概念聯(lián)系到了一起，這樣的學習就避免了學生在學習中孤立的看待知識只能機械背誦，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)的知識網絡，同時為后面理解離子反應打下理論基礎。

在實驗探究中，很重要的一點就是啟發(fā)學生運用所學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知識的認識功能，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，教師針對學生用氫氧化鈉溶液和稀鹽酸做溶液的導電實驗，提出問題“如果不利用溶液的導電性，我們還能有別的方法觀察到你們在實驗過程中溶液中的離子濃度在變化呢？”這個問題是想啟發(fā)學生回歸到酸、堿的本質，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、鹽和電解質的關系，也是為學生理解強弱電解質搭建階梯。

筆者認為，作為離子反應的第一課時，學生剛剛從宏觀的物質溶解性過度到溶液中微觀存在的離子，不宜講的太深，主要以學生自己的感受和體驗為主，研究教材可以發(fā)現(xiàn)，教材在這一課時中只強調了酸、堿、鹽在水中的電離，弱化了電解質與非電解質的概念，這是為學生理解離子反應降低了難度。在授課中，我們不妨多留些疑問，讓學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，為他們進入微觀世界寫下精彩而重要的第一筆。

三、尋找溶液中的“微粒”

元素周期律是對元素化合物知識的一個總結，也是建立“結構——性質”關系的重要內容。教學中重點引導學生體會元素結構和性質的周期性變化規(guī)律，從對元素性質孤立的認識上升到系統(tǒng)的把握。

進過對同周期元素原子結構的理解比較，學生提出假設“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。”經過討論，他們設計的實驗方案主要有兩種：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，比較反應的劇烈程度；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，比較反應的劇烈程度。在討論實驗方案可行性的時候，有學生提出，鈉的性質太“活潑”，和鹽酸反應危險性會比較大，學生決定采用實驗方案二。

學生通過對比實驗能夠感受到金屬鈉和水的反應明顯比金屬鎂與水反應要劇烈，讓我們欣喜的是，在實驗過程中，有同學提出“鎂和水反應生成什么啊？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，我們肉眼也無法看見。是不是這樣呢？生：滴點酚酞看看呢。在試管中滴加酚酞后，溶液呈紅色。師：有沒有Mg（OH）2生成啊？借助工具能不能看到啊？生：激光筆，利用丁達爾效應。通過激光照射，果然看到一條“微弱”的光路（圖1和圖2）。

當試管放置一段時間后，有學生發(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，有同學立刻想到，金屬和水反應的實質就是金屬和水中H+的反應，那靠近鎂條的水中H+被還原，剩下的就是OH-，紅色當然要深一些啊。可見金屬與水的反應其本質是將水中的H+還原，和金屬與酸的反應原理是一致的，那么我們對于活潑性相較于堿金屬比較穩(wěn)定的金屬，就利用其與酸反應的情況來判斷它們的金屬性強弱。

學生在實驗探究的情境中，主動發(fā)現(xiàn)問題，預測體系中存在微觀粒子。可見學生初步建立起“微粒觀”，能透過宏觀的實驗現(xiàn)象分析內部的微觀結構。在這個實驗中，令筆者感到驚喜的是，學生提出利用“丁達爾效應”驗證猜想。這說明學生能夠將之前所學知識內化，在遇到具體問題情境時主動調用所學知識，積極的嘗試在微觀層面觀察化學反應。

不禁要感嘆，這就是化學實驗的魅力。學生在神奇又極富科學性的實驗現(xiàn)象中感受微觀粒子的運動和反應，尋求外顯現(xiàn)象的本質原因，在充分的活動體驗中，收獲到的不僅僅是感性材料，還有豐富的認識視角、嚴密的邏輯思維和更接近反應本質的認識方式。