基于生活 創新實驗 建構微粒觀
——以“分子和原子”（第1課時）為例

胡榮華 王 華 曹森寶

（南京市棲霞區實驗初級中學 江蘇南京 210000）

“分子和原子”是人教版化學九年級上冊第三單元課題1的內容，是化學學習由宏觀世界進入微觀世界的開始，對學生而言，分子和原子看不見，摸不著，缺少感性認識，比較抽象，是教學的難點，如何進行有效的突破，增強直觀性，筆者進行了一些探索。

一、明確教學價值，變知識教學為觀念教學

從化學角度認識分子和原子是初中化學的重要理論基礎，必須將分子和原子的教學由知識教學轉變為觀念教學。證明和理解分子和原子的真實存在，主要通過宏觀現象和想象以及科學儀器來實現，這是構建微粒觀的前提和基礎；利用模型、動畫、圖片等手段，變無形為有形，增加學生的直觀體驗，加深學生對分子和原子的理解，使抽象的微粒形象化、生動化、具體化，建立起“宏觀—微觀”的聯系。學生之所以感到難學，往往就是對微粒本身、微粒與物質構成的關系以及微粒與物質的變化認識不清，沒有形成一定的圖示或模型，沒有建立“宏觀—微觀”相聯系的思維方式，沒有形成微粒觀。

二、制定教學目標

1.通過實驗探究，了解分子、原子的性質，知道分子和原子是構成物質的粒子，建構微粒觀。

2.從生活中的常見宏觀現象出發，學會用微觀的視角解釋宏觀的現象。

3.建立微觀粒子的想象表象，培養“宏觀—微觀”結合的思維方式。

三、教學過程

1.創設情境，引入課題

猜謎語：“不是人間種，移從月中來；廣寒香一點，吹得滿山開。——楊萬里”；隨后讓學生推開窗感受校園桂花的香味。

追問：為什么坐在教室里也能聞到桂花香？有沒有看見桂花分子運動？

展示苯分子、移動硅原子構成的文字“中國”的兩幅圖片。

【設計意圖】窗外飄香的丹桂是生活中的實例，利用多種感官，讓學生真切地感受分子的真實存在，感受到分子是構成物質的粒子，直觀地體會這些肉眼看不見的微小粒子是不斷運動的。運用超真空掃描隧道顯微鏡，觀察苯分子的圖像、用探針撥動硅晶體表面的硅原子形成的“中國”字樣，利用科學儀器使學生更加深刻地認識到分子、原子的真實存在。

總結：分子、原子是真實存在的；物質是由分子、原子等微觀粒子構成的。

2.感知數量，培養想象思維

師：1個水分子的質量約為3×10-26kg，1滴水，大約有1.67×1021個水分子（以20滴水為1mL計）。這個數字有多大呢？如果10億人來數一滴水里的水分子，每人每分鐘數100個，日夜不停，需要3萬多年才能數完。[1]

師生總結：分子體積很小，質量也很小。

【設計意圖】通過這些天文式的數字幫助學生提高想象能力，想象分子的體積和質量小到什么程度，也能解釋肉眼為什么看不到分子，為今后相對原子質量、相對分子質量、質量守恒定律的學習作鋪墊。

3.創新實驗，發展探究能力

探究實驗一：棉球為什么會變紅？

實驗準備：如圖1，20mL針筒和250mL錐形瓶各1個，針筒針頭穿過橡皮塞，用橡膠管連接并伸到錐形瓶瓶底，事先吸入1mL濃氨水，瓶內用鐵絲固定高低不同的4只蘸了無色酚酞溶液的棉球。

學生分組實驗：將針筒中的濃氨水慢慢推進錐形瓶中，觀察現象。[2]

提出問題：棉球為什么會變紅？

提供信息：（1）濃氨水是氨氣溶于水形成的；（2）無色酚酞是一種指示劑，遇到氨水會變紅。

學生小組討論、交流，并提出猜想。

猜想1：可能是空氣中的物質使酚酞溶液變紅了。

猜想2：可能是水使酚酞溶液變紅了。

猜想3：可能是氨水揮發出的氨氣遇到酚酞溶液，使酚酞溶液變紅。

學生經過分析和討論，認為猜想1不成立，因為盛有酚酞的試劑瓶及錐形瓶中滴有酚酞的棉球在空氣中并沒有變紅。針對猜想2和3，設計了2個對比實驗：①向盛有約20mL水的燒杯中滴加3-4滴酚酞溶液，攪拌均勻，觀察溶液的顏色；②取少量①中溶液于試管中，慢慢滴加濃氨水，觀察溶液顏色的變化。[3]

通過實驗，得出猜想3正確。氨水揮發的氨分子運動到酚酞溶液中，溶于水形成的氨水使酚酞變紅，說明分子是不斷運動的。

探究實驗二：分子運動與溫度的關系——看誰跑得快？

師：分子運動的速率與哪些因素有關？請設計一個實驗驗證你的猜想。

學生討論，設計實驗方案，展示交流。

師：分子的運動速率不僅跟自身的性質有關，還跟溫度有關。

演示實驗：氨分子在冷熱水中的運動速率對比實驗，如圖2。

操作步驟：向兩個100mL的燒杯中分別加入50mL的冷水和熱水，取1只底端用石蠟封堵的U型管，在U型管兩邊分別把蘸了酚酞溶液的棉球固定在鐵絲相同高度的位置，最下面2個棉球分別滴上4-5滴濃氨水，塞上橡皮塞，把U型管倒插在兩個燒杯中，觀察現象。

得出結論：溫度越高，分子運動速率越快。

【設計意圖】教材中探究分子運動的實驗，把氨水倒入燒杯，用量較大，造成用品的浪費，濃氨水有刺激性氣味，容易擴散到空氣中造成污染，影響師生的健康；因此，對教材實驗進行了改進，通過控制變量以及現象觀察，培養學生創新意識和實驗設計能力，構建分子運動的想象表象，幫助學生建構微粒觀。

介紹“光學鑷子”。美國科學家阿瑟·阿什金發明了“光學鑷子”，原理是用激光光束來捕獲、操縱極其微小的粒子，像鑷子一樣“夾”起微觀粒子（如原子、分子等）和微小物體（如細胞、病毒等），并將它們固定在光束中心，從而更好地操縱它們，開辟了很多新的研究領域，在工業、醫療等方面都有著廣闊的應用前景，因此獲得了2018年諾貝爾物理學獎。[4]

【設計意圖】讓學生感嘆科技的進步，堅信物質是由微粒構成的，并且可以人為控制，認識到化學一直以來為社會發展所做出的巨大貢獻，體現了科學的價值，激發學生學習的熱情。

探究實驗三：探究分子間間隔的大小——看誰力氣大？

實驗準備：50mL針筒一個，干冰少量。

分組實驗：操作1：將針筒活塞拉到40ml處，用手指堵住針孔，再用力推壓活塞，觀察針筒活塞最終的刻度。

操作2：用針筒吸入40ml水并用手指堵住下端小孔，再用力推壓活塞，觀察針筒活塞最終的刻度。

操作3：在針筒中放一小塊干冰，裝上活塞并將其推到底部，用手指堵住針孔，觀察現象。（注意：活塞移動到50ml處松開手指，防止活塞噴出。）

學生實驗、分析現象，得出結論：分子間有間隔；受壓情況下，分子間的間隔減小[5]；一般情況下，氣體分子間的間隔＞液體分子間的間隔＞固體分子間的間隔。

解釋現象：（1）為什么6000L氧氣在加壓的情況下可裝入容積為40L的鋼瓶中[6]？（2）你知道熱脹冷縮的原因嗎？

【設計意圖】看誰力氣大，學生親身感受針筒中氣體容易被壓縮，液體很難被壓縮。說明相同條件下，氣體分子間的間隔比液體分子間的間隔大；增加干冰升華實驗，由于干冰生活中學生很少接觸到，把干冰放在針筒，堵住針孔，活塞快速向外運動，幫助學生理解相同質量同一物質的固體和氣體體積不同，就是因為氣體分子間隔比固體分子間隔大得多，培養學生微觀想象力。

探究實驗四：分子相同，化學性質是否相同？

分組實驗：（1）將上述放入少量干冰的針筒中升華后的氣體注入裝有澄清石灰水的小燒杯中，觀察現象。

（2）拔出針筒活塞，再將剩余的干冰倒入另一個裝有澄清石灰水的小燒杯中，觀察現象。

實驗現象：澄清石灰水都變渾濁。

師生共同總結：干冰和二氧化碳氣體都是由二氧化碳分子構成的；分子相同，化學性質相同。

【設計意圖】把針筒中升華后的氣體通入到澄清石灰水中，石灰水變渾濁；把干冰放入石灰水中，“煙霧”繚繞，同時石灰水變渾濁，很容易想到石灰水遇到了二氧化分子，從而得出“分子相同，化學性質相同”的結論。

4.學以致用，拓展思維能力

學生是否真正感知分子原子真實存在，能否理解氣體壓強與分子間間隔的關系，可以以KMnO4制氧氣為例，設計以下兩個問題，考查學生是否能夠靈活運用，拓展學生的思維能力。

問題1.裝置氣密性的檢查。先將導管一端放入水中，用手握住試管外壁，當導管口有氣泡冒出，說明氣密性良好，你能從分子的角度分析并解釋嗎？

問題2.實驗結束后，若先熄滅酒精燈，再將導管移出水面，會出現水倒吸的現象，你能從分子的角度解釋嗎？

四、教學反思

1.創新實驗，激發微觀想象

教材實驗3-1在水中加入品紅做了擴散實驗，本課題進行了創新，使用U型管設計了分子運動速率與溫度關系的對比實驗，現象非常明顯，更有助于學生直觀感知。通過U型管底端橡皮塞棉球上濃氨水的揮發，冷熱水兩邊相同位置上蘸有酚酞的棉球變紅的快慢，輕松地判斷出溫度越高，分子運動越快，更加直觀，記憶更加深刻。在探究分子運動現象的實驗中，改用針筒注射濃氨水，不僅成功避免了氨分子擴散到空氣中造成的污染，而且滴有酚酞的棉球自下而上的變紅現象更明顯，能夠直觀地感受氨分子的運動。推壓針筒感知氣體比液體容易被壓縮，理解氣體分子間的間隔較大；在針筒中放干冰，活塞迅速向外移動，得出相同質量的同一種物質氣態和固態體積不同就是因為它們分子間的間隔不同；通過針筒中的二氧化碳和干冰都能使澄清石灰水變渾濁的現象對比，得出了分子相同其化學性質相同的結論。一個小小的針筒完成了分子性質的相關實驗，將宏觀現象和微觀粒子有機地結合起來，并嘗試對宏觀現象進行微觀想象和解釋，突破了教學難點，實現了從宏觀到微觀的過渡和升華。[7]

2.建立“宏觀—微觀”相結合的思維方式

從學生熟悉的身邊現象入手，變知識教學為觀念教學，借助實驗探究、現象分析、討論與交流，感知分子的存在，理解分子的相關性質，體會宏觀現象背后的微觀本質，建立“宏觀—微觀”相結合的思維方式，幫助學生接受、理解、建立微粒觀。

3.關注社會熱點，感受化學的價值

通過介紹2018年諾貝爾物理學獎獲得者發明的“光學鑷子”，知道分子等粒子運動可以控制，感受化學等自然科學的價值和光明前景，激發學生積極探索未知世界的熱情。