以溶液專題復習為突破口借助數字化實驗整合微粒觀教學

倪江紅

摘要：微粒觀是化學的基本觀念，也是做好初高中化學教學銜接的重要環節，“微粒觀”應貫穿化學教學過程的始終。在學生學完九年級化學內容后，以“溶液專題復習”教學為例，將微粒觀的教學內容進行整合，并借助數字化實驗進行教學設計及實踐研究，突破學生認知難點，建構微粒觀的系統認知。

關鍵詞：微粒觀;溶液;數字化實驗;整合;初中化學

文章編號：1008-0546（2019）10-0042-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.011

一、微粒觀教學的價值

使學生初步形成化學基本觀念是義務教育階段化學教育的一個重要的教學目標。中學化學課程中的基本觀念包括：元素觀、微粒觀、變化觀、實驗觀、分類觀、化學價值觀。什么是化學最核心的觀念呢？《義務教育化學課程標準（2011年版）》指出：化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質及其應用的一門基礎自然科學，其特征是研究分子和創造分子。《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質。可見，中學化學研究的對象是物質，而且是從微觀的角度認識物質及其變化的科學，因此，“微粒觀”是中學化學的核心觀念。

初中化學教學中幫助學生建構“微粒觀”，引導學生從微觀視角認識物質及其變化，將宏觀和微觀相結合，提高學生分析與解決實際問題的能力，提升化學學科素養。這也是為學生在高中階段進一步學習“氧化還原反應、離子反應、微粒間的相互作用、化學鍵”等重要的化學知識，打下扎實的基礎。

二、初中化學教材中微粒觀內容的滲透

在滬教版初三化學教學中，有5章共11處涉及微粒觀的內容，如表1所示：

初中化學教材中微粒觀的形成是螺旋上升，逐步推進的。可以說第3章《物質構成的奧秘》正式給學生開啟了從物質的宏觀世界進入微觀世界的大門，學生開始認識分子、原子，嘗試用微粒的觀點解釋宏觀現象。但是正因為微粒看不見、太抽象，學生越學越糊涂、越學越害怕，折損了不少對化學學習的興趣。第6章物質溶解形成溶液后，以分子或離子的形式存在，這個認知太抽象，又是一處難點。第7章酸酸堿鹽從電離角度進行定義、分類，酸、堿、鹽間發生復分解反應是學生學得最困難的一章，主要是因為學生無法準確對酸堿鹽進行歸類，不能從微粒觀的角度去解釋酸堿鹽之間反應的本質。

初三學生要掌握好以上這些抽象的微觀知識并不容易，高強度的學習和以應試為最終目的導致很多學生是將微粒觀的知識碎片化，不成系統，對后續高中化學學習產生了很大的障礙。

三、借助數字化實驗整合微粒觀教學的案例——“溶液中的秘密”專題復習

對于如何將微觀的內容宏觀化、可視化，幫助學生獲取準確深刻的直觀感知，形成完整的理性認識，化解難點，數字化實驗是一個不錯的手段。可以借助電導率、溫度、pH等傳感器測定溶解、反應過程中的變化數據，實時繪制出變化曲線，把那些抽象推理的內容，以數據的形式呈現出來，引導學生運用數據分析處理實驗數據、解讀曲線變化趨勢，揭示化學實驗背后的數字世界，將抽象的事物可視化，從而突破微粒觀教學的難點，學生的思維也可以達到更高的層次。在解讀曲線變化、進行數據分析的過程中，將宏觀的實驗現象、微觀的微粒變化和反應方程式的書寫建立聯結，實現化學的“四重表征”，從宏觀、微觀、符號、曲線四種水平上認識和理解化學反應，幫助學生深入理解微粒觀，落實化學學科核心素養。

溶液是初中化學的一個重要知識點，是化學課程一級主題“身邊的化學物質”的重要組成部分。酸堿鹽問的化學反應幾乎都是在溶液中發生的離子反應。建構溶液的微粒觀，有利于從本質上理解復分解反應的條件，打通三五六七章的潛在聯系。溶液知識的教學不是僅僅拘泥在第六章中，本案例是在學完九年級化學內容之后進行的復習歸納，加以挖掘，力求從整體的角度，將初三階段微粒觀的知識整合起來，幫助學生從微粒的觀點認識物質及物質間的反應，形成清晰的知識網絡，也為高中化學學習做好鋪墊。

1.用微粒的觀點看溶液

溶液的形成即溶解是初中化學溶液這一單元的重難點概念，教材上有溶解的微觀過程示意圖（圖1），以及導電實驗裝置（圖2），讓學生認知溶液導電的實質是物質溶解時產生了自由移動的離子。其實學生無法獲得直觀的感知，可以說是將信將疑，過后就忘。這里筆者設計了借助電導率傳感器，通過數據、曲線的呈現，幫助學生將抽象的溶解概念可視化，感知溶液中分子、離子的存在。

筆者學校使用的是美國威尼爾公司的傳感器，有輔助的磁力攪拌器（圖3）。同時利用未來教室雙屏的優勢，主屏上仍是PPT，在sTARc平臺上點擊打開外部工具，威尼爾軟件就會在輔板上顯示，實時呈現檢測采集到的數據及變化曲線（圖4）。

首先測出蒸餾水的電導率約為23us/cm，這個數據可以幫助學生認識到蒸餾水的導電性很微弱，蒸餾水中其實是存在極少量的離子的，為高中化學水的微弱電離做個鋪墊。然后開動磁力攪拌器，將一藥匙蔗糖加到蒸餾水中，同時點擊軟件上的采集按鈕，發現電導率示數不變，軟件上呈現一條水平曲線。這樣學生就能感知到水分子無法破壞蔗糖分子內部的作用力，蔗糖在水中確實是以分子的形式存在，與書本圖6-2相呼應。接著再將氯化鈉溶解到水中，一藥匙氯化鈉加下去之后，電導率示數驟增，學生連呼神奇，他們的興趣立馬被調動起來。一段時間后軟件上繪制出如圖4的曲線。借助未來教室互動端，將曲線分享到學生手中的PAD上，然后讓學生嘗試分析曲線，獲取信息。此時學生幾乎都能答出氯化鈉溶解到水中后立即產生大量自由移動的鈉離子和氯離子，也真正理解到了何為溶解后溶液中離子自由移動了。經過討論后學生又提出了深層次的見解：根據電導率變化曲線明確溶液的導電性和離子濃度的關系，單位體積溶液中離子數目越多（離子濃度越高），溶液的導電性越強。幾十秒后電導率示數趨于穩定，也反映出氯化鈉已基本完全溶解。借助曲線走勢，學生似乎就看到了一個個離子不斷進入水中的場景。實現將溶解過程可視化，獲得了直觀的印象，彌補了傳統實驗的不足。

緊接著拋出問題：為什么要將固體配成溶液進行反應。學生猛然間并不會聯系到溶液中溶質以分子或離子的形式存在，配成溶液后微粒問可以充分接觸，便于反應。然后學生進行分組實驗，將硫酸銅固體、氫氧化鈉固體混合，氫氧化鈉溶液與硫酸銅溶液混合進行對比實驗，對學生進行視覺沖擊，然后就能比較自然地理解配成溶液后，溶質以自由移動的分子或離子存在便于微粒間相互接觸，相互碰撞，所以更容易反應，為理解溶液濃度越高，反應速率越快提供了理論支撐。

2.用微粒的觀點看溶液中的化學變化

（1）利用pH傳感器探究中和反應實質

將稀硫酸逐滴勻速加入一定量的稀氫氧化鈉溶液中，用pH傳感器對反應過程中溶液的pH進行實時測定，屏幕上實時繪制出反應過程中溶液pH變化曲線圖（圖5），引導學生從微觀角度分析pH變化趨勢：隨著稀硫酸的滴入，氫氧化鈉不斷被消耗，溶液堿性逐漸變弱，pH逐漸變小。當恰好完全反應時，溶液呈中性，pH等于7。繼續滴入稀硫酸，硫酸過量，溶液呈酸性，pH小于7，且逐漸變小。

以往教學一般都是通過給學生看酸堿中和反應的微觀示意圖，告訴學生中和反應的本質，缺少科學證據，沒有說服力。現在學生通過見證pH變化曲線的誕生，將看不到的變化通過實驗測得的數據呈現出來，學生似乎看到了溶液中一個個氫氧根離子不斷與氫離子反應而減少，從而揭開酸堿中和反應的實質：酸電離出的氫離子和堿電離出的氫氧根離子結合，生成水分子。

（2）利用電導率傳感器探究復分解反應發生的條件

學生一直對復分解反應發生為何要滿足有氣體或沉淀或水生成這些條件存在困惑，通過下面的實驗可以幫助學生從離子的角度解釋復分解反應的實質。在100mL燒杯中加入氫氧化鋇溶液，測出其溶液的電導率，再打開磁力攪拌器，逐滴滴加溶質質量分數為2.45%的稀硫酸，測得電導率變化曲線如圖6所示。引導學生解讀曲線變化趨勢：氫氧化鋇溶液中存在大量自由移動的鋇離子和氫氧根離子，所以溶液具有很強的導電性。隨著稀硫酸的滴人，反應生成硫酸鋇沉淀和水，而硫酸鋇難溶于水，水的導電性又很弱，溶液中自由移動的鋇離子和硫酸根離子逐漸較少，故溶液導電性逐漸降低。當恰好完全反應時，燒杯中為硫酸鋇懸濁液，幾乎不導電（電導率數據不為零，還可以證明硫酸鋇不是絕對不溶于水），曲線上的轉折點即為恰好完全反應的時刻。繼續滴稀硫酸，硫酸過量，溶液中自由移動的氫離子和硫酸根離子逐漸增多，溶液導電性又開始增強（圖6）。

通過曲線變化圖，溶液中鋇離子和硫酸根離子的消耗過程變得可視化。可以發現這個反應的實質是鋇離子和硫酸根離子配對，結合成硫酸鋇沉淀從水中析出;氫氧根離子和氫離子配對結合生成水分子。兩組離子配對結合，使溶液中離子濃度逐漸減小。再帶著學生分析稀鹽酸和碳酸鈉的反應，發現該反應的實質是氫離子和碳酸根配對結合生成水和二氧化碳氣體，也使得溶液中離子濃度降低。這樣就很自然地歸納出復分解反應的本質：溶液中的復分解反應，實質是離子問相互配對，發生反應，通過生成水、氣體或沉淀，使單位體積溶液中離子數目減少（離子濃度降低）。自此學生對溶液及溶液中的復分解反應有了系統的認知，通過宏觀、微觀、符號、曲線四重表征，落實了化學學科核心素養中的宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知的教學，實現將學生思維提升一個層次的目標。

四、結語

微粒觀的建構在整個中學化學教學中有著舉足輕重的作用，教師要逐步轉變教學理念，將“微粒觀”作為化學教學的主線貫穿于教學過程始終，從教材內容的整體出發，將碎片化知識進行整合，真正實現用微粒的觀點指引具體知識的教學。