基于宏微結合素養的教學案例設計

摘要：利用生雞蛋卵殼膜選擇性透過的特點做水和蛋白質微粒大小的對比實驗，發現生雞蛋浸泡在水中，一周可增重37%O用自然光照射硫代硫酸鈉溶液和稀硫酸的反應體系，可以看到溶液、膠體、懸濁液三種分散系的漸變過程。將膠體膠粒大小用宏觀現象放大表現，例證結構決定性質是宏微結合思維的理解和應用。

關鍵詞：膠體分散系;卵殼膜;膠原蛋白腸衣;自然光;波長

文章編號：1008-0546（2021）05-0057-04中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.015

一、問題的提出

膠體在蘇教版高中《化學1（必修）》2020年第1版）專題一第三單元《物質的分散系》、滬科版高中《化學1（必修）X2021年第1版）第一章1.1《物質的分類》中，作為高中化學承接初中對物質類別的深入了解， 安排了膠體分散系的內容。對初高中化學知識有承上啟下的設計，符合學生認知發展規律。其中對膠體分散系的學習，和初中化學的溶液、懸濁液體系有平行對比的關系，完善了物質按微粒大小進行分類的知識架構。

膠體是一種具有重要實際應用的分散系，影響其性質的關鍵點是其分散質的顆粒直徑在10-9～10-7m 左右，介于溶液與濁液分散質顆粒直徑之間。正因為其顆粒直徑大小，決定了它具有丁達爾現象、聚沉、電泳等性質，這些性質決定了膠體的應用價值，如鹵水點豆腐、靜電除塵、沖擊島形成、納米材料的特性。這個本質特征需學生經歷提出問題、設計方案、實施實驗、得出結論，才能真正理解并加以應用。這個建構的過程是學生證據推理、模型認知、科學探究與創新意識等素養形成的過程⑴。

本課例的設計，以學生熟悉的材料入手，設計不同實驗加以體驗，核心知識即認識分散質大小使學生深刻理解膠體具有不同于溶液和濁液的特殊性質及其形成原因。

二、教學設計

課堂教學流程，見圖1。

1.學情分析

本節課是高一必修課第一章的內容，課時兩節課。基于物質分類的角度，將溶液、懸濁液、膠體三種分散系做貫通，使知識體系更完整，以實驗探究為主要課堂教學手段設計了《膠體》一課。知識背景有：高一化學反應速率的實驗——硫代硫酸鈉溶液和鹽酸反應，從析出硫顆粒由小到大的過程可以體驗三種分散系的漸變，分散系的宏觀表現可以用滲析、丁達爾現象來佐證。宏觀的不同表現是因為微觀顆粒大小不同，教師結合過濾、滲析、光的散射等知識，引導學生將物理、生物、化學等知識做跨學科的整合。實驗器材以生活中的雞蛋、腸衣等作載體，認識生活中的材料，以真實情境、生活化的空間開展學習活動，讓物質的分類更系統、完整。

2.教學目標

⑴了解膠體的定義。認識腸衣、雞蛋內膜是半透膜。

（2）通過丁達爾現象認識溶液、膠體、懸濁液三種分散系的微觀區別。

（3）利用各種材質進行化學實驗，并發現其中共性的知識，形成一定的創造思維能力，達到學科的交叉融合。

（4）能夠根據生活中常見現象進行宏觀辨識，并進行微觀探析。

3.教學準備

耗材和試劑：雞蛋、腸衣、淀粉溶液、硫代硫酸鈉溶液、鹽酸、碘水、蒸璃水。

儀器和設備：燒杯、棉線、大試管、保鮮袋、激光筆、電筒、水缸。

4.教學實錄

[課堂引入]學生在家里用9度白醋浸泡生雞蛋， 將外殼去除。將已去除外殼的雞蛋浸泡于蒸僭水中（圖2），記錄每天雞蛋的質量變化（見表1），測量周期為一周。

[實物展示]一周前，將一顆去殼（用鹽酸處理）的生雞蛋浸泡在水中，記錄每天的質量變化，質量增幅37%左右⑵。

[問題1]為什么雞蛋質量增重？

[學生回答1]水進入了雞蛋，所以變重了。

[問題2]為什么肯定只發生了水進入雞蛋的過程呢？雞蛋清、蛋黃有沒有出來呢？

[學生回答2]甲：不會出來。因為雞蛋膜保護了雞蛋里的物質，不會出來。

乙：肯定是水進去了，因為茶葉蛋就是醬油滲入雞蛋里。

丙：是的，咸鴨蛋也是這個道理。食鹽溶液會鉆進蛋殼。

設計意圖：通過生活中熟悉的咸雞蛋、茶葉蛋等知識，結合教師將雞蛋浸泡在水中一周后的質量變化，以數據為客觀證據，引導學生思考水分子和蛋白質分子的微粒大小，以及雞蛋卵殼膜的孔隙大小。

[教師引導]同學們都很會觀察生活。這些現象說明了水分子和蛋清這種物質有粒徑大小的不同。下面請大家分小組做一個有趣的實驗，可以快速、明顯地看到水進入了雞蛋。把雞蛋大的一端敲破，剝去0.5cm2的蛋殼，當心不要弄破里面的雞蛋膜;用錐子在雞蛋的另一端扎破蛋殼，將毛細管插入，小心攪動，將蛋黃的膜刺破。點燃蠟燭，將燭淚滴到毛細管和蛋殼間將縫隙封住。把暴露蛋膜的一端浸泡在蒸儒水中， 靜置，觀察（圖3）⑶。

[學生活動1]預計5分鐘。實驗結果：有的可以看到毛細管中有透明液體上升;有的看到毛細管和蛋殼接觸的地方有蛋液流出。

[師生評價討論]為什么有的小組沒有成功？原來，如果毛細管和蛋殼間的縫隙沒有用蠟燭封死，進入雞蛋的水會將內容物從縫隙處壓出，所以要保證氣密性良好。

[教師解釋，PPT出示效果]蛋白質是大分子，被蛋膜包住，不能透過蛋膜。但水是小分子，可以自由通過雞蛋膜。純水中所含水分子的數目要比同體積的雞蛋內液多，因此在相同時間內，從純水透過雞蛋膜進入雞蛋內液的水分子，比從雞蛋內液透過雞蛋膜進入純水的水分子多，導致毛細管中液面升高。

[學生提問]雞蛋里也有水嗎？

[教師回應]雞蛋里水的比例有70%左右。

[教師提供信息]一個雞蛋如果長時間放置，也會變輕的。還會變臭，大家知道為什么嗎？

[學生討論]水可以進出雞蛋，說明雞蛋有氣孔。空氣進入雞蛋，會腐敗。水滲出揮發，雞蛋質量會減小。

[教師提問]雞蛋內膜的孔隙大小？

[學生討論、提出問題]原子直徑大小10^-10米，分子大小也是這個數量級，說明雞蛋內膜孔隙比10^-10米大。但是內膜孔隙大小的上限是多大？蛋白質分子又是多大？這個能通過什么實驗知道嗎？有沒有對應的材料做實驗。

[教師提供工具]同學們通過觀察，發現了雞蛋的特點。現在提供了濾紙、保鮮袋、動物腸衣，還有淀粉溶液、碘水等材料。請同學們用這些工具做實驗，比較濾紙、保鮮袋、動物腸衣的孔隙大小。

[學生設計活動2]學生商量后，取一節腸衣，用棉線扎好一端，再用漏斗將淀粉溶液灌入，再扎好另一端，放在有水的燒杯浸泡，在燒杯中滴入碘水;同樣將淀粉溶液灌在保鮮袋中，扎緊，浸泡在有水的燒杯中， 在燒杯中滴入碘水。實驗時間預計3?5分鐘。

[學生陳述實驗現象]腸衣里的淀粉變成藍色的了，好有趣，藍色“香腸”（圖4）。但是燒杯中還是黃色溶液，說明淀粉分子沒有出來。保鮮袋里的還是原樣，碘水沒有滲入，沒有變黃色。

[教師活動]把淀粉溶液傾入有濾紙的漏斗，發現液體順利透過。請同學歸納，你通過實驗發現了什么？

[學生闡述]說明雞蛋內膜、動物腸衣的孔隙大小差不多，小分子和離子可以自由進出，大的微粒如蛋白質、淀粉分子就不能透過。濾紙的孔隙大，因為淀粉分子可以透過。

[學生思考]這些物質該如何分類，它們之間有什么關聯？.

[教師板書]膠體。

定義：分散質微粒的直徑大小在1～100nm的分散系叫做膠體。

分散劑是水或其他液體時，按分散質粒子的大小分為：溶液、膠體和濁液。分散質粒徑小于1nm的是溶液，大于100nm的是濁液。（ 1nm=10^-9m）

[教師小結]通過剛才的對比實驗，碘水是溶液， 其中溶質和溶劑的微粒直徑小于1nm，約IO*米。蛋白質、淀粉溶液里的微粒直徑大于1nm。動物腸衣、雞蛋內膜的孔隙直徑小于蛋白質、淀粉溶液的微粒， 濾紙孔隙最大，保鮮袋不透水、不透氣，是否沒有孔隙呢？要查閱資料。

[教師提出問題]初中學過懸濁液，按照定義，顆粒直徑大于100nm，濾紙用了分離懸濁液中的溶質，說明濾紙的孔隙小于100nm。所以，蛋白質、淀粉分子直徑大小就在1?100nm間，這樣的推理正確吧？

[學生思考交流]可以這么推理。不過，還有沒有其他測量方法測定微粒的大小呢？

[教師活動]演示實驗：將0.05 mol/L硫代硫酸鈉和0.1 mol/L鹽酸反應倒入一水缸（方形或圓形），用手電筒（白光）照射，觀察手電筒射岀的白光在水缸穿行的現象（圖5）。

[教師板書]Na2S2O3+2HCl →2NaCI+S ↓+SO2+H2O

[學生觀察后描述]開始光穿透了溶液，射到對面的黑紙上;隨著水缸中液體逐漸渾濁，可看到液體中出現了明亮的淡藍色光路，穿出水缸在黑紙上呈現橙色的光斑;當水缸里液體渾濁后，沒有了光路，黑紙上也沒有了光斑⑷。

[學生分組討論，相互釋疑]

問題1：為什么照射的白光會在水缸和紙上呈現藍色和橙色？白光是復合光，怎么會分光的呢？

問題2：為什么光路會呈現三段不同的現象？

問題3：這個實驗和膠體、雞蛋、藍色香腸有什么關系？

[教師回應]同學們很善于觀察，也很會思考提問。我們來分析一下，一般可見光波長是400?700nmo光照射到不同大小的微粒上有四種表現：透射、反射、吸收、散射。

[教師講解]剛才同學們從側面看到了光路，說明光線“轉彎”了，從入射光側面的角度看到光路，這是分散系中顆粒對光發生了散射。靛藍色（455?390nm）比橙色（597?577nm）波長短，更易被分散質散射，呈現出藍色光路;而橙光散射得少，透過分散系投在紙上呈現橙色光斑。隨著硫單質逐漸生成為大顆粒，光被大顆粒擋住了，反射。

[教師板書]丁達爾效應——當一束光線透過膠體，從垂直入射光方向可以觀察到膠體里出現的一條光亮的“通路”。

[學生呼應]當水缸中出現那條光路的時候，就是膠體，隨著反應進行，最后是懸濁液。

[學生提問]還有什么是膠體？

[教師回應和示范]下面根據講義，同學們再做一個實驗，看看還有什么別的膠體。

[學生活動3]在大試管中加入約1/3的蒸僧水，煮沸，滴加飽和氯化鐵溶液，用紅色激光筆從側面照射觀察有光路出現后，即制得了 Fe （OH）3膠體。

[教師板書]FeCl3+3H2OFe（OH）3（膠體）+3HCl

[學生活動4]將Fe（OH）3膠體分到二個試管里， 一支試管繼續加熱，發現變渾濁（產生疑問，為什么呢？）。將氯化鐵溶液、氫氧化鐵膠體、氫氧化鐵沉淀并排排列，用紅色激光從左邊照射。觀察光的透過情況。從左往右依次命名試管為1號、2號、3號。

[教師和學生互動]

1.氫氧化鐵膠體受熱后，微粒運動劇烈，發生了聚沉，膠體是一種較穩定的分散系但通過外因可使其聚沉，以后再學習;

2.學生出示實驗結果;

3.選取一組學生實驗：最左邊是溶液，光線直接透過，當中是膠體，光線有散射，看到光路，射到濁液上， 被反射，不透光。（圖6、圖7）

[教師總結]今天這節課我們學習了除溶液、懸濁液外的另外一種分散系一一膠體，而且通過工具看到了膠體里的分散質顆粒大小。同學們產生的一些疑問，可以繼續學習、查閱資料。

[作業]用手電筒（或者激光筆，注意不要照射眼睛）尋找生活中的膠體;現象明顯的拍照記錄。

三、教學反思

本課抓住學科知識來自生活的屬性，把課堂實驗中采用的相關實驗條件及材料做變量處理和遷移，給知識以生長點，即知識背后的知識是什么？如白光中包含了波長不同的七色光，波長較短的藍色散射強度高，這個和解釋天空、海水為什么看上去是藍色，是同一個道理。雞蛋卵殼膜是一種天然半透膜，用常見的雞蛋作為教具，讓學生進一步理解滲透壓的概念、大分子蛋白質的膠體屬性。用生活中的各種材質進行化學實驗，以學生的感受為主，可使其發現生活中各類材料、現象所包含的豐富知識，體驗雞蛋卵殼、腸衣、蛋白質、淀粉等生活中常見物質的性質，可遷移到分散系這一知識體系[5.6];在此過程中，悟出如何將微觀粒子用宏觀實驗加以放大表現的科學邏輯思維。

對于化學學科的本質特征及其價值，化學與物理、生物學的本質區別又究竟是什么，是化學家、化學哲學家和化學教育家試圖回答的問題。物理、化學、生物都是“以實驗為基礎”的學科，2017年版普通高中化學課程標準提出了化學“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”，定義了“創造物質”是化學學科的獨有特征⑺。膠體知識和納米材料的創造開發利用，就符合這樣的邏輯關系，物理、生物學科都在認識物質，但化學學科的創造物質更是變化之學的魅力，《膠體》放在高一開篇，有承上啟下的設計。

參考文獻

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