談“分子運動實驗”的細化和改進

摘 要：筆者通過自己多年的一線教學經驗，結合當下社會對學生能力的要求，對化學教材中“分子運動實驗”提出一些教學建議。對實驗設計的細化和改進，以便充分利用“活動與探究”這些教學素材，突破教學的難點，落實對學生科學素養的培養。

關鍵詞：分子運動實驗；細化；改進；實踐；興趣培養

《義務教育化學課程標準（2011年版）》明確指出：“義務教育階段的化學課程以提高學生的科學素養為主旨。”現代社會飛速發展的科學技術同樣要求青年學生具備獨立思考、探索未知領域的能力。這種能力的培養并不局限于高等教育，而是要從基礎教育抓起。九年制義務教育是學生獲取知識的一個重要開端，也培養了其基本的學習習慣，在學生的一生中至關重要。因此，在教學中教師不僅僅要傳授學生知識，同時也要充分發揮主導引領作用，落實對學生科學素養的培養。

人教版九年級化學教材中有多處學生的“活動與探究”，但是許多探究實驗在設計上局限于其要突破的教學難點，主要是有針對性地突出一個目的，強調結果大于過程，若直接按照教材教學則容易存在設計上相對單一，在知識形成的層次與銜接上有所欠缺等問題，尤其一些基礎較薄弱的學生理解起來較困難。而一個合理的實驗設計應該可以恰到好處地幫助學生理解化學知識，培養學生通過實驗解決問題的能力，還可以讓學生體驗完整的科學探究過程，感受不斷提出問題再不斷解決問題的喜悅，掌握科學探究的方法。

以第三單元課題一中的探究“分子運動現象”為例，為了突出“分子在不停地運動”，教材設計如下實驗：

1.向盛有約20 mL蒸餾水的小燒杯A中加入5～6滴酚酞溶液，攪拌均勻，觀察溶液的顏色。

2.從燒杯A中取少量溶液置于試管中，向其中慢慢滴加濃氨水，觀察溶液顏色有什么變化。

3.另取一個小燒杯B，加入約5 mL濃氨水。用一個大燒杯或水槽罩住A、B兩個小燒杯（如圖1）。觀察幾分鐘，有什么現象發生？你能解釋這一現象嗎？

此實驗設計的步驟簡單，如果就按照這三個步驟來完成演示實驗，效果可能不太好。學生在接觸這個實驗時才剛剛開始學習化學，而且對于實驗中涉及的化學試劑相對陌生，因此對于步驟1中為什么要在蒸餾水中滴入酚酞溶液，步驟2中為什么又要滴濃氨水，步驟3中為什么要罩大燒杯，燒杯A中的酚酞溶液變紅，而燒杯B中的濃氨水卻不變紅等問題的理解有困難，很難想象到氨分子的存在和運動，這樣既突破不了本節課的難點，也不能充分利用“活動與探究”這些教學素材培養學生實驗探究能力。除了氨分子的擴散過程不明顯，不便于學生觀察，此實驗中將濃氨水放置在敞口的燒杯中，教室里會彌漫難聞的有刺激性氣味的氨氣，不僅會污染空氣也不利于師生健康，而且所用濃氨水的量比較大，也沒有探究溫度對分子運動速率的影響。針對這些問題，筆者將教學過程細化改進如下：

一、層層設疑，引導學生思維活動不斷深入，提高學生的思維能力

【設置情境】筆者首先出示盛有酚酞溶液和濃氨水的試劑瓶，觀察其色態并介紹其組成。分別在燒杯A、B上貼上標簽“酚酞溶液A”“濃氨水B”，并從兩個試劑瓶中取約等體積的酚酞溶液和濃氨水分別滴到燒杯A、B中，用大燒杯將兩個小燒杯A、B罩住（如圖2）。引導學生從明顯到細微、敏銳而仔細地觀察燒杯A中的酚酞溶液是由上而下一點點逐漸變紅的，同時引導學生回憶品紅在水中的擴散現象，思考是否有相似性，想象是什么物質在向酚酞溶液中擴散。

【提出問題】筆者引導學生關注藥品、儀器、步驟、現象等，鼓勵學生由淺入深、由表及里、具體全面、多角度地敢于提出問題，會提問題。以下五個問題是筆者在課堂教學中所記錄下來的學生在觀察實驗現象之后所提出的問題：

①酚酞溶液為什么變紅？

②濃氨水為什么不變色？

③此過程是化學變化嗎？

④為什么要選濃氨水來做這個實驗？要達到相同的目的還可以選擇什么藥品？

⑤為什么要罩大燒杯？

要回答這些問題，首先要分析酚酞溶液變紅的可能性。

合理科學的猜想與假設，既把提出的問題細化為可通過實驗解決的具體問題，同時也是下一步確定實驗目的的基礎。

【做出猜想】提示學生應從事物變化的內因和外因兩方面考慮，引導學生由近及遠、由內而外有順序地尋找所有與酚酞溶液接觸而可能使其變紅的原因：

①酚酞溶液變紅，與周圍的其他物質無關，是自己變紅的；

②空氣與酚酞溶液接觸使其變紅；

③大燒杯內壁上附著的物質使酚酞溶液變紅；

④濃氨水使酚酞溶液變紅，但氨水是氨氣溶于水的混合物，究竟是氨水中的水使酚酞溶液變紅呢？還是氨氣溶于水后使酚酞溶液變紅呢？

二、全面體驗完整的科學探究過程，使科學探究的一般過程根植于學生的意識中

【實驗目的①】探究酚酞溶液變紅，與周圍的其他物質有關，不是自己變紅的。

【設計方案①】另取一個與A規格相同的燒杯C，倒入與A燒杯中約等體積的酚酞溶液，在空氣中靜置一段時間，再觀察。

……

【實驗目的②】探究空氣是否能使酚酞溶液變紅。

【設計方案②】學生Ⅰ、學生Ⅱ設計的方案如下：

【反思①②】這兩個環節有必要做嗎？因為試劑瓶中的酚酞溶液本來就與空氣接觸，且已放置一段時間了，但是并沒有變紅。教師之所以這樣設置這些問題，是希望引導學生形成一套系統、全面、有序地分析問題、解決問題的思維習慣，深刻領悟科學探究的一般過程。

三、強化學生根據實驗目的設計實驗方案的能力

明確實驗目的是設計與進行實驗的關鍵。要做什么實驗，怎樣做這個實驗，需要哪些藥品和儀器，怎樣進行操作及為什么要這樣操作，重點觀察什么現象，所有的環節都是圍繞實驗目的、為達到實驗目的服務的。

1.把提出的問題細化為可通過實驗解決的具體問題

【實驗目的③】探究大燒杯內壁上附著的物質是否能使酚酞溶液變紅。

【設計方案③】學生Ⅲ設計：把大燒杯拿下清洗后再罩住A、B燒杯；學生Ⅳ設計：取走大燒杯，不要罩在兩個小燒杯上面；學生Ⅴ設計：換另一個同規格的大燒杯罩住A、B燒杯；學生Ⅵ設計：把大燒杯正放，向其中滴入濃氨水，振蕩。學生分組討論比較哪個方案好。顯然，學生Ⅵ的設計最合理。

【實驗目的④】探究濃氨水是否能使酚酞溶液變紅。

【設計方案④】另取一個與A規格相同的燒杯E，倒入與A燒杯中約等體積的酚酞溶液，滴入濃氨水。E燒杯中酚酞溶液變紅，而且與A燒杯內酚酞溶液變紅的現象完全相同，說明酚酞溶液變紅與濃氨水有關。

【實驗目的⑤】探究水是否能使酚酞溶液變紅。

【設計方案⑤】學生Ⅶ、學生Ⅷ設計的方案如下：

有的同學提出關于“水是否能使酚酞溶液變紅”不必驗證，因為酚酞溶液中就有水。

【實驗目的⑥】探究酚酞溶液變紅與氨氣有關。

【設計方案⑥】制取氨氣并通入酚酞溶液中，F燒杯中酚酞溶液變紅，而且與A燒杯內酚酞溶液變紅的現象完全相同。

【實驗結論⑥】酚酞溶液變紅與氨氣有關。

2.對比實驗時，如何控制變量

【實驗目的②】探究空氣是否能使酚酞溶液變紅。

【設計方案②】學生Ⅰ、學生Ⅱ設計的方案如下：

同學們通過分析討論Ⅰ、Ⅱ兩位學生方案的不同，認為學生Ⅱ方案更好。這個大燒杯的增加，使學生注意到了在對比實驗的設計中，要全面考慮影響因素，并控制變量相同。

【實驗目的⑤】探究水是否能使酚酞溶液變紅。

【設計方案⑤】學生Ⅶ、學生Ⅷ設計的方案如下：

學生Ⅶ和學生Ⅷ實驗方案的對比，與學生Ⅰ和學生Ⅱ很相似，再次強化在對比實驗中確定控制變量的思路。但是，有同學提出，在這個設計中，學生Ⅶ的設計方案更簡單，完全能說明問題。

四、對于實驗的反思

對初學化學的學生來說，這個實驗最后的分析也較難理解。教師引導學生用所學化學知識一步步、一層層由淺入深認識物質及其變化的本質和內在規律性，使學生的思維從表象到本質，從感性認識到理性認識，產生質的飛躍。

酚酞溶液變紅與氨氣有關，但酚酞溶液和氨水分隔放置在燒杯A與燒杯B里，那么，溶在水中的氨氣是如何從燒杯B進入燒杯A中的呢？氨氣由大量氨分子構成，氨分子不斷運動。教師要引導學生想象分子的無規則運動，如果沒有大燒杯罩著，氨分子會向四處無規則運動，進到燒杯A中的機會很少，罩了大燒杯后，大燒杯內氨氣的濃度增大，進到燒杯A中的機會增大（學生很容易理解大燒杯的作用，從而找到它的替代品水槽）。運動到燒杯A中的氨分子溶于水，發生一系列反應形成氨水，氨水又和酚酞溶液發生化學反應使其變紅。因為在燒杯A中氨分子是由上而下運動，反應是由上而下逐漸進行的，所以酚酞溶液就由上而下一點點逐漸變紅。

燒杯A中酚酞溶液變紅，是因為氨分子運動到酚酞溶液中，彼此接觸后發生反應使其變紅的。反之，燒杯B中濃氨水不變紅，說明酚酞溶液和濃氨水沒有發生反應，是因為二者沒有接觸，說明酚酞分子沒有進入濃氨水中。可見，氨分子不僅在不停運動，而且比酚酞分子運動速率要快得多，不同分子運動速率是不同的。

酚酞溶液是一種酸堿指示劑，遇到堿溶液會變紅，濃氨水就是一種堿溶液，而食醋不是堿，所以在此實驗中不能用食醋代替濃氨水。教師要引導學生分析如果要找此實驗的替換品，應該滿足的條件是什么。在學生學完“酸的性質”后，容易找到具有揮發性的濃鹽酸（或醋酸）代替濃氨水，用石蕊溶液代替酚酞溶液，也能達到相同的效果。

五、實驗裝置的改進

濃氨水強烈的刺激性氣味，讓學生對濃氨水的揮發性印象深刻，但也退避三舍。教師可引導學生改成密閉裝置，避免空氣污染（如學生Ⅰ設計實驗如圖15所示）。再根據分子運動的速率與溫度有關，要加快觀察到此實驗的現象，教師可引導學生選擇溫度更高或者濃度更高的氨水（如學生Ⅱ設計實驗如圖16所示，把盛有濃氨水的試管放在盛有熱水的燒杯中）。

為了節約藥品，減少污染，教師可引導學生選擇使用更少的試劑。如學生Ⅲ設計實驗如圖17所示，在錐形瓶里的小塑料瓶內裝著濃氨水，錐形瓶口用一張濾紙蓋住，濾紙剛剛用酚酞溶液浸過。 學生Ⅳ設計實驗如圖18所示，用棉簽蘸上濃氨水和酚酞溶液，a處蘸濃氨水，b處蘸酚酞溶液。

為了幫助學生更好地想象氨分子的存在和運動軌跡，教師引導學生設計實驗如圖19所示，將滴有酚酞試液的濾紙放在試管中，試管口塞上一團脫脂棉，用膠頭滴管吸取濃氨水，滴在脫脂棉上。受到啟發后，學生Ⅴ設計實驗如圖20所示，將玻璃管中分別塞入一小團脫脂棉，取兩條稍短于玻璃管的濾紙，用酚酞溶液濕潤，分別塞入玻璃管中，不要與管中的棉花接觸，封閉玻璃管，分別將兩個玻璃管放入盛有等量的熱水和冷水的燒杯中。

實驗改進后，操作簡便易行，藥品用量少，實驗時間短，既節約了藥品，又有效地減少了空氣污染，符合綠色化學的要求。從對比實驗可以明顯看出溫度對分子運動速率的影響；圖20中濾紙條自下而上逐漸變紅的過程，可以清楚地展示分子運動的軌跡，讓學生對分子運動這一微觀現象有了更直觀的認識。

對實驗環節設置的細化，使其有層次有梯度，使學生感受到知識的形成過程，對新知識便于理解與接受；不斷應用已有知識對實驗進行改進，既實現了已有知識的鞏固和深化，而且體現了把知識轉化為能力的提升。通過多次設計實驗的練習、潛移默化的滲透，學生逐步具有根據實驗目的設計實驗方案的能力，使科學探究的一般過程根植于學生的意識中，既能激發學生學習興趣，培養其科學探究的精神，還能落實科學素養的養成。在實驗過程中，許多化學試劑的主要成分都廣泛出現在我們日常的生產生活中，因此，教師同樣可以激勵學生在其日常生活中留意觀察類似的現象，使得教學走出課堂。