基于“模型認知”發展的“膠體”教學設計

李新蘭

關鍵詞：膠體;分散系;模型認知

魯科版高中化學必修一（2017版）中將“膠體”這部分內容安排在第二章第一節“元素與物質分類”的第二課時，第一課時的主要內容是物質分類與物質性質。所以在研究膠體這一類分散系的性質時，需從物質分類角度入手，在元素組成差異以及物質性質差異對不同物質進行分類的基礎上，進一步了解被分散的物質微粒大小差異對物質性質的影響。

一、教學目標設計

《普通高中化學課程標準（2017版）》對于膠體這部分知識的學習內容要求是“認識膠體是一種常見的分散系”。依據課程標準，確定本節課的教學目標如下。

（1）比較溶液、膠體、濁液三種分散系的異同，通過分散系模型的建構，從微觀層面上探析三種分散系的本質區別，將膠體的滲析與過濾原理進行比較，建立膠體中微粒分散的模型。

（2）了解氫氧化鐵膠體的制備方法;認識丁達爾現象并運用膠體中微粒分散模型進行解釋;認識膠體的吸附、電泳和聚沉，根據新的證據修正膠體中微粒分散模型。

（3）運用膠體中微粒分散模型解釋生產生活中的相關現象與應用，了解膠體知識發展的前沿與方向。

二、教學重難點

教學重點：認識三種分散系的本質區別，了解膠體的丁達爾現象，構建膠體的微觀模型。

教學難點：建構、修正并運用膠體中微粒的分散模型從微觀層面解釋膠體的性質。

三、教學過程

本節課將模型認知作為學習膠體發展知識的重要過程，教學中設計了五個學習活動，分別對應了五個模型認識的環節，如圖1所示。活動1是激活學生的相關的前概念與知識，為本節課的建模活動作好知識上的準備;活動2是對觀察的現象進行分析和推理，確認并描述現象的系統組成;活動3是確認模型的重要元素，構建模型，利用圖表來詮釋模型的功能與意義;活動4是對模型進行檢驗與修正，使其適應新的現象或發現;活動5是將模型運用于熟悉與不熟悉的情境中，使其與學生已有知識與觀念建立更好的聯結。

1.活動1：比較三種分散系

師：向0.1mol/L FeCl3溶液中滴加0.1mol/L NaOH溶液，會出現什么現象？

生：（預測現象并完成分組實驗）生成紅褐色沉淀，預測的現象與實驗結果一致。

師：正如大家所預測的，試管中出現紅褐色渾濁，充分振蕩后得到紅褐色的氫氧化鐵懸濁液。方程式為：FeCls+3NaOH=Fe（0H）3+3NaCl。

大家再來預測，向FeCl3溶液中加水或者將FeCl3溶液滴入水中，顏色會如何變化？作出推斷的依據是什么？

生：（預測現象）顏色變淺，因為FeCl3溶液被稀釋。

（分組實驗）取兩支試管，一支盛有5mL FeCl3濃溶液，一支盛有5mL沸水。向盛有沸水的試管中滴人5滴濃Fecl，溶液，觀察現象。

（現象分析）現象與預測不一樣，向有沸水的試管中滴入幾滴FeCl3溶液，所得溶液的顏色為紅褐色，比原來的FeCl3溶液深。

師：我們預測將FeCl3溶液滴入水中后顏色會變淺的依據是什么？

生：預測的依據是FeCl3溶液在這個過程中被稀釋。

師：那么根據實際實驗現象，你認為將FeCl3溶液滴入沸水后依然是發生稀釋的過程嗎？

生：不是，這個過程有其他的變化發生。

師：其他的變化是什么？將FeCl3溶液滴入沸水后得到的依然是FeCl3溶液嗎？

生：應該生成了新的物質，這種物質的顏色要更深一些。

師：根據參加反應的物質元素守恒，再結合試管中液體的顏色，你猜想可能生成了什么物質？

生1：紅褐色的物質應該是Fe（OH）3。

生2：Fe（OH），不溶于水，應該是沉淀，可是試管中沒有出現沉淀。

生1：只滴了幾滴Fecl3溶液，可能是因為生成的Fe（OH）3太少了吧。

師：反應物是FeCl3和水，反應的條件是加熱，根據元素守恒以及紅褐色，大家猜測產物是Fe（OH）3。但是我們對于所得液體中并沒有沉淀產生感到困惑。看來，溶液和濁液并不能代表物質分散的全部情況，我們對于一種物質分散到另一種物質中的認識需要進一步的拓展了。

（展示三支試管，分別盛有FeCl3溶液、Fe（OH）3膠體和Fe（OH）3懸濁液）這三種混合物分別是FeCl3溶液、Fe（OH）3懸濁液，以及我們剛剛獲得的另一種Fe（OH），分散于水中的混合物。它們都是由一種物質分散到水中形成的混合物，它們在外觀上的差異是什么？為什么會有這樣的差異？其本質差別在哪里？接下來我們就一起來分析。

評析：本節課通過實驗引入課題，讓學生先預測實驗現象，而在實際實驗時產生了“異常”現象。這樣的學習過程利用了學生的認知沖突，較好地打開了學生的知識生長空間。分組實驗以FeCl3溶液開始，分別得到了Fe（OH）3膠體和Fe（OH），沉淀，從而引出三種不同的分散系，并比較其外觀在“清”與“濁”上的差異，分析出現差異的本質原因在于其被分散的物質的微粒大小不同。

在本節課的后續教學中學生需要發展模型建構的相關素養，教師需要認識并預估到學生在建模歷程中可能遇到的學習困難，在這個學習活動中教師需要為模型構建提供相應的知識準備。課堂教學中從溶液和濁液的分散質微粒特征及其性質開始，學習過程遵循先具體而后抽象的原則，鼓勵學生思考不同分散系之間的關系，這些活動都是為了協助學生接下來要進行的推理歷程和建模歷程，使學生建模活動歷程之間的聯結更具有結構性。

2.活動2：膠體的分離提純

師：如果需要分離出Fe（OH）3懸濁液中的Fe（OH），固體，我們可以用什么樣的方法？其原理是什么？

生：過濾，利用物質的溶解性差異進行分離。

師：我們也可以換一個視角來看過濾。喝茶時常常使用茶漏，可以濾去茶葉，達到分離茶水和茶葉的目的。而分離Fe（0H）3懸濁液時過濾所要用到的則是濾紙。濾紙在放大若干倍之后，也可以看到上面有一定孔徑的小孔。這些特定孔徑的小孔使得溶液中較小的分散質微粒可以透過，而較大的懸濁液微粒則不能透過，實現兩者分離的目的。

我們在剛才的實驗中制備了Fe（0H）3膠體，但是試管中所得到的混合物中并非僅有Fe（OH）3膠體，還有未反應的FeCl3溶液以及反應生成的HC1溶液。如何分離提純出其中的Fe（OH）3膠體呢？我們知道膠體與溶液和濁液的本質差異是分散質微粒的大小。那我們現在想要分離溶液和膠體，你覺得可以用怎樣的方法呢？

生：選擇孔徑更小的“篩子”，其孔徑小于1nm，使溶液中較小的微粒可以通過，而膠體粒子不能通過。

師：這種材質最早就是由膠體化學之父ThomasGraham發現的，它是一種半透膜，利用半透膜分離提純膠體的方法稱之為滲析。

評析：溶液、膠體和濁液的本質區別在于分散質微粒的大小差異，根據這一差異可以對其進行分離。學生對于過濾操作比較熟悉，但是往往是從溶解性的差異去理解過濾的分離原理。這里引導學生換一個視角來分析熟悉的過濾方法的本質，并將其拓展遷移至分離較大顆粒物質以及分離更小顆粒物質的思維方法上，既有利于學生形成膠體中分散質顆粒大小的認識，也有利于學生將所學知識納入自己的知識結構體系，實現知識的結構增長。

用不同孔徑的篩子來進行過濾或者滲析也是一種模型。在這個過程的學習中也希望能夠讓學生意識到，科學家的工作目標之一就是理解自然世界是如何運作的，當物體可能體積太大、太小，現象出現太快或較復雜，模型將會是一個有用的工具來協助科學家進行預測、解釋與理解自己的發現。這一學習也是為接下來的模型建構任務做相應的準備。

3.活動3：丁達爾現象

制得的膠體有哪些主要性質呢？

生：（分組實驗）用激光筆照射溶液與膠體，觀察現象。

師：同樣為澄清透明的液體混合物，用光線照射提純得到的膠體，在垂直于光路的方向能夠觀察到光亮的通路，而溶液則不會出現這樣的現象。為什么會這樣呢？

提供信息：光的透射、反射、散射與光的波長以及傳輸介質顆粒的大小有關。在光的傳播過程中，光線照射到粒子時，如果粒子遠小于入射光波長，發生的是透射;如果粒子遠大于入射光波長，則發生光的反射;如果粒子略小于入射光波長，則發生光的散射，這時觀察到的是光波環繞微粒而向其四周放射的光。

生：（討論）溶液中溶質微粒太小，對于入射光線散射作用很弱，光線直接透過。當光線照射膠體時，膠體粒子對其產生了散射，每個膠體粒子就好像一個發光體，無數發光體散射就形成了一條通路。這個現象，最早是1869年由英國科學家丁達爾發現的，因此稱之為丁達爾現象。

師：（播放視頻）NaCI溶于水時Na+和C1-在水中分散的微觀動畫模擬。

生：畫出溶液、膠體、濁液中分散質微粒的分散示意圖。多數學生所畫的示意圖如圖2所示。

評析：溶液、膠體和濁液三種分散系分散質微粒大小差異引起了其透光性的差異，這一部分內容的學習首先需要對膠體中分散質大小進一步建立感性認識。教師需要提供光線在遇到不同大小微粒時發生不同現象的信息，幫助學生建立宏觀現象與微觀結構之間的聯系，讓學生能夠從宏觀和微觀結合上收集證據，能依據證據從不同視角分析問題，推出合理的結論。提供NaCl溶于水時Na+和C1-在水中分散的微觀動畫模擬是模型認知的模型準備活動，在此基礎上要求學生畫出溶液、膠體、濁液中分散質微粒的分散示意圖是依據宏觀現象與結果分析進行模型建構的過程。

在這節課上，學生經由觀察思考膠體粒子的可能形態，并對這種形態進行檢驗和解釋，從而建立起膠體粒子的模型。為了展示和交流自己的理解，學生學習了使用圖片這樣的表征方式。這個過程使用了可視化的學習方法，可視化可以使學生以可見到的形式來思考，而不是通過抽象或符號的形式。可視化能夠傳達無法直接看到的信息，思考復雜的關系與空間位置，更有利于學生對于抽象概念的學習。

4.活動4：電泳和聚沉

師：（演示實驗）用激光筆照射靜置后的泥水上層清液，從垂直于光線的方向可以觀察到一條光亮的通路。其實泥水是個復雜的體系，其中有分散質顆粒較大易于沉降的懸濁液，也有顆粒較小不易于沉降的膠體。

黃河從青藏高原出發，貫穿九省人海，水流湍急之處夾裹著泥沙，到了水流平緩之處這些泥沙不斷沉積。但是在它到了入海口的時候，已經非常澄清的河水會再一次發生沉積，形成泥土細膩而肥沃的黃河三角洲，也就是我們腳下生活的這片土地。開始時的泥沙沉積和入海口的沉積一樣嗎？

生：開始時是懸濁液中較大顆粒的沉積，人海口應該是膠體粒子的沉積。

師：膠體具有一定的穩定性，為什么在入海口不再穩定而發生沉積了呢？

（演示實驗）對Fe（OH）3膠體通直流電源后，與電源負極相連之處顏色加深，與電源正極相連之處顏色變淺。如何解釋實驗現象？

生：膠體粒子帶電，通電后向與電源負極相連的電極移動，說明膠體粒子帶正電。

師：為什么膠體粒子會帶電荷呢？這是因為膠體粒子的表面積比較大，具有較好的吸附性，能夠吸附離子，從而帶上電荷。請大家根據這個實驗現象，對前面我們畫出的膠體中分散質分散情況示意圖進行修正和補充。

生：在膠體粒子上加上所帶電荷（多數學生此時在膠體粒子上補充了正電荷，如圖3所示）。

師：根據這個現象，你能解釋為什么黃河在入海口前依然帶有大量的膠體粒子不易沉降，而到了人海口處會沉積形成三角洲嗎？

生：由于膠體粒子帶電荷，彼此之間有排斥作用，難以聚集，因此膠體比較穩定。在海水中有大量的鹽類物質，電離后產生帶電荷的離子，這些離子破環了膠體粒子所帶的電荷，使水中的膠體粒子聚集在一起發生了沉積。

師：我們的這個解釋正確嗎？如何驗證？

生：（實驗）向泥土膠體中加入Na2S04溶液，觀察現象。

師：在電泳實驗中我們得到的結論是Fe（0H）3膠體粒子帶正電荷，那么是不是所有的膠體粒子都帶正電荷呢？比如泥土膠體？如果泥土膠體也帶正電荷，將Fe（OH）3膠體和泥土膠體混合，你認為會產生怎樣的現象？

生：（預測）若都帶正電荷，混合后相當于Fe（OH）3膠體的稀釋，沒有明顯的現象。

（分組實驗）將Fe（OH）3膠體和泥土膠體混合，觀察現象。兩者混合后變得渾濁，放置一段時間后有沉淀產生。

師：現象與我們的預測不一致，說明什么？

生：預測的依據是泥土膠體粒子與Fe（OH）3膠體粒子一樣，都帶正電荷。出現不同的現象說明預測的依據有問題，泥土膠體粒子所帶的電荷與Fe（OH）3膠體粒子不一樣，帶負電荷。

師：同種膠體粒子的吸附性質相同，會吸附同種電荷的離子，而不同的膠體粒子吸附性質不一定相同。請大家對我們的膠體中分散質的分散模型再次進行修正。

生：修正模型。修正后的模型如圖4所示。

評析：膠體的電泳和聚沉既是很好的發展學生“宏觀辨識與微觀探析”的良好素材，也是在“模型認知”教學中對于已經建構的模型不斷進行修正的過程。在前面的學習中，學生已經依據溶液中溶質的分散模型建立了膠體中分散質的分散模型。這個模型是建立在對于分散質大小的認識基礎上，學生也初步運用這一模型解釋了膠體的丁達爾現象。但是在遇到新的問題時，運用這個模型無法給出解釋，這就需要我們根據新的發現不斷對模型進行修正，甚至建立新的模型替代原有的模型。

在這個活動中，學生經歷了對模型的運用、評估和修正。教師帶領學生思考：構建的模型是否能解釋所有的觀察現象？模型能否用來預測膠體的其他性質？膠體模型是否與其他分散系的模型建立起了相關性？本節課對于模型主要是著重于讓學生認識模型的功能，至于模型與實體之間的差異，以及更加準確的膠體粒子模型，則不是本節課的重點內容，有待于學生未來進一步探究和學習。

5.活動5：運用與拓展

師：展示生活生產中膠體的應用現象：清晨樹林里的光束，鹵水點豆腐，混用不同色墨水引起鋼筆堵塞，蒸雞蛋羹，用FeCl3應急止血，工廠高壓電除塵等。

生：分析其中體現的膠體性質和運用的基本原理。

師：從膠體的研究開始，化學形成了一個分支叫做界面化學，界面化學的研究包括乳化、固體的表面修飾、微納米粒子的合成、界面合成和膜分離等等，是一個值得研究的化學分支。今天的作業之一就是請同學們了解何為界面化學，用300字以內的語言簡單介紹界面化學的研究對象、研究方法和前沿領域。

四、教學反思

本節課利用“異常”現象激發學生開展探究學習的興趣，運用系列學習過程推動他們的模型認知這一學科核心素養的發展。整節課的教學遵循基本的學習和認識思路，從宏觀實驗現象入手，在微觀層面分析原因、建立和修正模型、尋求解釋，再聯系生活生產中的現象運用模型。在這個過程中幫助學生提煉出問題的本質，讓他們擁有應對不同情境問題的能力。此外，在教學中始終沿著由宏觀到微觀再回到宏觀的思路，帶領學生經歷數次宏觀與微觀之間的思維轉化，既促進其自覺將分散系模型進行優化，并進一步調整、優化解決問題的思路，形成一定的學科思維方式，也有利于學生透過現象層層深入，充分建立從微觀視角解釋和探析宏觀現象的化學學科素養。從宏觀到微觀去研究問題的思維品質的養成并非一蹴而就，在幾次發散與收斂的遞進層出中，教師引領學生很好地演繹了研究問題的學科方法，不斷豐富學生認識與思考問題的角度與層次，引領他們在自己原有知識結構的基礎上進行改造與重組。

關注“模型認知”的教學強調學生在課堂上的主動學習，學生在建模過程中可以認識科學模型的本質，修正原有的心智模式，進而達到概念改變和知識學習的目的。本節課學生經歷了從溶液和濁液開始的概念重建與改變，概念的重建與改變需要學生經歷心智模式的重新建構，而模型認知在這個過程起到了非常重要的作用。依據實驗事實建立模型，將使學生重新組織他們原有的心智模式，當學生透過建模歷程發現實驗事實與自己原有心智模式不一致，他們將需要去修正與重建模型。換言之，學生通過模型的構建、運用與修正促進自己完成概念的改變，并且這種概念改變是基于事實與證據。因此，教學過程中應努力培養學生對于模型的認識與建模知識和能力，當然要實施這樣的教學，教師也需要擁有良好的建模知識與相關的教學策略。