利用數字化實驗增強學習的可視性——以分子間作用力的學習為例

馮 姍

(浙江省春暉中學 312300)

在《普通高中化學課程標準(2017年版)》中明確指出“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養，提出學習者從元素及分子、原子水平認識物質的組成、結構、性質和變化，形成結構決定性質的觀念，能從宏觀和微觀結合的視角分析與解決實際問題.在學習抽象概念時，學習者因缺少實際經驗，礙于微觀化學世界無法直接觀測和接觸，進一步加大了抽象概念學習的難度.分子間作用力普遍存在，學習者在初步學習時經常無法掌握其概念，無法辨析哪類物質中存在，在應用階段無法正確判斷哪些宏觀性質與分子間作用力相關，經常陷入常考常錯，常錯常考的尷尬境地.利用數字化實驗現象顯著，直觀性強，將其引入分子間作用力的學習，幫助學習者更直觀、高效地掌握知識，提升用化學思想認知化學物質的性質，建立結構決定性質的科學觀念，提升利用實驗解決化學問題的化學學科素養.

一、基于化學視角，宏觀認識分子間作用力的存在

立足于研究物質的組成、結構這一平臺，借助化學視角，宏觀認識冰可以聚集在一起而不散，想要改變冰既有的外形比較困難，冰在受熱后可以融合，形成水或水霧(水蒸氣)，二者化學組成相同，此過程需要吸收能量，形成的水或水霧的既有外形改變較容易.提問至此，學習者可以從化學角度解釋生活中的問題，從而強化化學視角，從宏觀性質的角度感知分子間作用力的存在.

二、通過可視實驗，微觀表征分子間作用力的存在

從組成化學物質的基本微粒角度分析，分子與分子之間存在的相互作用力是分子間作用力.一般分子由若干原子組成，化學鍵可以將原子結合在一起，而將分子聚集在一起，形成液體或固體的作用力則為分子間作用力.

1.數字化實驗基本原理

一定量液體敞口放置相當長一段時間后，宏觀體積即將減少，液體的這種性質稱為揮發性.這種液體變成氣體的過程就是蒸發，從微觀的視角分析，當一個分子(液體環境中)運動到接近液體表面，此時其兼具合適的運動方向和足夠的動能，該分子(液體環境下)就能掙脫鄰近分子的作用力(分子間作用力)，脫離現有環境，該分子就從液相變為氣相，顯然，液態物質揮發性強弱，受分子間作用力影響，因為該過程伴隨著失去高能量分子，使余下分子的平均動能逐漸降低，宏觀表征為體系溫度逐漸降低，揮發速率也隨之減慢.

分子間作用力的強弱與液體揮發性相關，即分子間作用力越強，液體揮發得越慢，液體物質溫度下降得越慢.因此，學習時通過直觀性測量不同液體揮發過程的溫度變化來比較液體分子間作用力的強弱，提高抽象概念學習的可視性.

2.數字化實驗基本裝置

將封閉的試管、溫度傳感器、數據采集器與計算機相連接，如圖1所示，4支試管中分別盛裝10mL甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇.

圖1

3.數字化實驗基本步驟

連接電腦終端，打開蘇威爾數字化實驗系統，當顯示溫度示數穩定后點擊開始檢測20秒以上，確保液體初始溫度平穩，將4個溫度傳感器同時脫離試管并固定在鐵架上，觀察軟件中所呈現的溫度變化曲線(如圖2所示).圖中曲線①～④依次為甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇四種液體揮發時的溫度變化情況.

圖2

4.數字化實驗基本結論

根據直觀檢測，利用曲線可清晰看到不同的純液體在揮發時溫度下降幅度并不一致.利用生成資源，調動學習者研究化學問題的積極性，設置問題串(見表1)，以接力的形式帶動課堂氛圍.

表1 分子間作用力學習問題串設置

在分析問題時，給出4種物質的球棍模型，對比甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇這四種醇的分子結構得出結論：組成或結構相似的分子，隨著相對分子質量的增加，揮發變得越來越困難，也就是說相對分子質量增加，分子間的作用力增大，揮發變慢，溫度下降變慢.分子間作用力存在于分子與分子之間，但凡分子間距離發生變化，就需要克服分子間作用力.揮發性如此，三態變化如此，溶解性也此.

三、利用認知沖突，直觀分析特殊分子間作用力——氫鍵的存在

利用課堂成功經驗，繼續設計探究實驗利用數字化實驗，揭示特殊分子間作用力——氫鍵的存在.取2只溫度傳感器探頭分別深入與正丁醇與正己烷中，同時取出后，采用與上述同樣的方法觀察正丁醇與正己烷揮發時溫度的變化差異，得到溫度變化曲線(見圖3所示).

圖3

同樣，利用生成資源與基本認知的沖突，引導從化學角度思考問題，提升學習者解決化學問題的能力，設置問題串(見表2)，以接力的形式帶動課堂研究.

表2 分子間作用力學習問題串設置表

正丁醇和正己烷揮發時，溫度變化曲線差異極大，分別計算正己烷和正丁醇，相對分子質量分別為74或86，按照之前所討論的結果，正己烷相對分子質量大，故分子間作用力大，理應揮發得慢，但實驗的結果恰恰相反，對比正己烷與正丁醇的分子結構差異，可以推出正丁醇分子結構中存在氫鍵，且氫鍵其作用力強于分子間作用力.利用化學視角分析，何時會有氫鍵存在，為什么水的沸點比硫化氫高等問題.

化學的學習過程中，需要關注學科知識本身的屬性，即兼具知識屬性、辯證屬性和實踐屬性.在學習過程中，多維度分析知識，多視角思考問題，有助于化學學科素養的培養.在學習分子間作用力時，從基本概念出發，從化學組成出發分析原來認知，接受分子間作用力的存在；隨著學習的深入，借助數字化實驗，直接感受分子間作用力的存在，分析影響分子間作用力的因素，進而提升分析問題的能力，拓展至分子間作用力的存在判斷及對物質性質的影響判斷；在升華階段，利用認知沖突，對原來認知提出挑戰，在分子間作用力的認知上補充特殊的氫鍵，利用實際問題感知氫鍵的作用力強于分子間作用力.通過分析組成出發，回歸到分析組成，構建和強化分析化學問題的基本思想——組成決定結構，結構決定性質.

化學知識是有關物質的本質規定和基本判斷標準，學習者在學習時要逐步認識科學，了解科學，領悟、體驗科學真諦，形成科學精神、態度等，提高科學素質，培養科學品性.