基于數字化實驗，深化微粒觀認識

韋存容

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。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深化，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”教學為例進行探討。

一、準備數字化實驗，重溫微粒構成觀

1.認識數字化實驗

數字化實驗是指利用傳感器、數據采集器和計算機（含配套軟件）進行的實驗。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的導電能力大小和濃度有關，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/LCuSO4溶液、0.1mol/LNaOH溶液。

儀器：Vernier電導率傳感器、VernierLabPro數據采集器、計算機、磁力攪拌器（磁子）、堿式滴定管、滴定管夾、鐵架臺、50mL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CuSO4溶液呈藍色、NaOH溶液呈無色等宏觀現象。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，肉眼難以看到。教師引導學生從微觀角度思考，不難分析出CuSO4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維習慣。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，感悟微粒變化觀

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。

（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25ml0.05mol/LCuSO4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。獲得電導率—時間曲線I。

（4）參照組：用堿式滴定管勻速向25ml0.05mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸餾水25ml，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—時間曲線II。

（5）實驗組：用堿式滴定管勻速向25ml0.05mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1mol/LNaOH溶液25ml，再重復（4）步驟。獲得電導率—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觀察到的。利用數字化實驗測量溶液的電導率，能對微粒的存在進行定性和定量的描述。從測得CuSO4溶液中電導率的存在，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，“看到”物質在水溶液中是以離子、分子等微粒形式存在的。

在向CuSO4溶液中分別加蒸餾水、NaOH溶液這兩個實驗中，學生從溶液電導率的不斷變化和藍色沉淀生成等宏觀現象，“看到”微粒不是靜止不動的，而是不斷運動和變化的。這樣的實驗幫助學生培養正確的微粒觀，從微觀角度分析溶液中微粒的變化。

三、解讀實驗圖像，發展微粒作用觀

數字化實驗產生的圖表、數據呈現實驗事實，教師應該引導學生培養讀圖、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答案。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電導率不斷降低，這是由于向硫酸銅溶液中加水，各離子濃度降低；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，電導率也隨之發生變化，說明微粒發生了變化。

2.深度思考，發展微粒作用觀

曲線III為什么先降低？藍色沉淀的生成和電導率的降低，說明溶液發生反應，即微粒間相互作用：Cu2+與OH-生成了沉淀，導致溶液中離子濃度降低。

曲線III先降低，有沒有降低到0？溶液的電導率沒有降到0，說明溶液中只是部分離子參與了反應，而另一些離子沒有參與反應。曲線III為什么后來又上升？向溶液中繼續加入過量氫氧化鈉溶液，溶液中Na+和OH-離子濃度升高，電導率逐漸上升。

曲線III中電導率最低點是哪些離子沒有參加反應？是Na+、SO42-？如何證明你的猜想？如何檢驗SO42-？針對這些問題，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。

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：反應前后某些離子進行了重組，離子的種類和數量發生了變化。

四、運用符號表征，深化微粒觀認識

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

用化學用語正確地表示以上實驗中的離子反應：Cu2++2OH-=Cu（OH）2↓。學生初步認識到離子方程式的真正含義：用實際參加反應的物質在水溶液中的存在形式來表示溶液中化學反應的式子。

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，學生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，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？這個問題是從微觀的角度，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的質的飛躍。

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，教師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，認識復分解反應實質。這樣能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。由于微粒具有抽象性，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。