基于学生“微粒观”建立的化学实验教学案例研究

张寒之

摘要：文章结合实验教学课堂案例，提出利用化学实验帮助高中学生建立“微粒观”，促进其认识角度的拓展和认识方式的优化。以实验为手段，搭建桥梁，探讨实验教学在促进学生认识发展方面的作用和意义。

关键词：化学实验；认识角度；认识方式

文章编号：1008-0546（2016）01-0000-00 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.01.000

高中化学的学习主要是帮助学生在分子、原子的微观层面认识世界。从千变万化的宏观世界深入到不可见的微观世界，对于高中学生的认识水平来说是非常困难的，甚至有的学生经过三年的高中化学学习都无法得到“宏观——微观”认识方式的发展。笔者认为主要原因是，教学过程中，教师没有提供给学生看见微观世界的机会，缺少真实素材的支撑，学生的认识只能停留在模糊的了解、大概知道。教师需要给学生搭建横跨这两种认识方式的阶梯，利用实验手段帮助学生感受到“粒子”的存在形态，通过观察、推导、演绎真正的了解客观世界，做到知其“所以然”。

一、“大颗粒——小颗粒——微粒”

直接从宏观物质极端过度到看不见到微观粒子，对于大多数学生来说是无法跨越的认识障碍。在教学中，教师可以从“大颗粒——小颗粒——微粒”来启发学生观察和想象，从而接纳微观世界的变化。

分散系的教学就为学生提供了真实感受粒子变化的情境，和研究粒子的一种手段。假若简单理解教材，分散系只是提供了一种对混合物的分类方法，可是分类标准如此众多，为什么单单从粒子大小来分类呢？这就是希望能够引导学生建立基本的“微粒观”。在教学中，我们不应当把浊液、胶体、溶液简单的当作三类分散系来看待，更重要的是让学生体会这三种分散系的关系，即粒子大小的变化过程。

例如，当水中粒子直径落入肉眼可视范围的时候，我们称为“浊液”，若粒子直径小于100nm时，肉眼看不见的时候，我们如何区分“胶体”和“溶液”呢？利用粒子的光学性质——光的散射，也就是教材中所说的“丁达尔效应”。学生通过学习不但要知道“丁达尔效应”是胶体区别于溶液的性质，更重要是掌握到一种观察小粒子的手段和方法。学生有了这个认知后，才具备将知识系统化的可能。这三种分散系就是这么严格区分，互不相关吗？当然不是。教学过程中，教师给学生展示一杯课前准备好混有沙土的泥水，由于放置了一段时间，泥水已经出现了沉降，上层为清液。教师提问“上层清液中还有泥沙吗？”生：“肯定还有。”师：“能看到吗？”学生纷纷想到用激光笔照射烧杯中的上层清液，发现了一条清晰的“光路”。可见，当我们把浊液中的颗粒变小，只要体系中的粒子直径落在1nm～100nm之间，就能形成胶体，就可以形成光的散射现象。

教师接着提出疑问：“溶液也能变成胶体吗？”生：“把粒子变大就行，不能太大，不然就沉淀了。”学生已经熟悉在不可见的微观层面想象、理解并提出解决问题的方案。沿着学生的认识思路，师生共同讨论，如何制备出Fe（OH）3胶体。

师：“怎么制得Fe（OH）3？”生：“用FeCl3和NaOH反应。”有少数学生质疑：“那样生成的好像是沉淀吧！”师：“那我们想一想怎么控制Fe（OH）3不变成沉淀而是胶体呢？沉淀和胶体的区别在哪里啊？”生：“不能让颗粒变大。用浓度很稀的氢氧化钠溶液。”师；“太棒了，我们只要能控制Fe（OH）3颗粒在胶体粒子直径范围就可以了，大家想到控制OH-的浓度。我们确实要将氢氧化钠溶液浓度减小，甚至只用水就可以了。”学生表示很惊讶，少数同学想到水中也存在极少量的H+和OH-。

教师指导学生完成Fe（OH）3胶体的制备，学生迫不及待的用激光笔检验自己的实验成果，一条清晰光滑的“光路”证实大家实验的成功。

学生对实验的猜想、设计、验证都体现出他们对胶体的认识不是孤立的，而是可以在分散系的知识系统中寻找到胶体的特点以及分析它们的方法和手段。

实验过程中，有同学提出：“能不能把胶体粒子分离出来啊？”学生们开始自发形成讨论：“过滤试试看呢？”利用过滤实验，学生在滤液中也观察到了“丁达尔效应”，验证假设失败。可是，令人惊喜的是，有学生提出：“老师能不能提供孔径小一号的滤纸啊？”一个灵感的出现说明学生正进入微观层面思考他们“不可见”的问题，跳脱出对宏观现象简单层面的理解，而不知不觉的建立了“微观的”认识方式。教师在鼓励大家的同时向学生介绍了“小型号”的滤纸——半透膜，利用半透膜的渗析，同学们发现，胶体粒子可以轻松穿过半透膜的空洞，达到分离的母的。

简易的实验操作让学生体验到“大颗粒——小颗粒——微粒”之间的相互转换，教师在教学过程中注重了化学知识在教学中的认识作用，放大其认识功能，为学生积累化学知识的同时提供一种认识角度和认识方式，笔者认为这应当是“物质的分类”章节教学中需要完成的教学目标。

在这样的学习过程中，学生获得的不局限于对“分散系”孤立的认识和记忆，而是在实验、思考和想象中真实体会到这些粒子到存在形态，这种“微粒观”的建立不光体现在对胶体的学习，而是应当贯穿整个高中化学的学习，对于学生学习离子反应以及元素化合物部分的只是都是有系统的影响。

二、接纳看不见的“微粒”

学生在初中化学的学习中已经知道氯化钠溶解在水中后变成了钠离子和氯离子，但是，这是课本告诉他们的，他们没有看见这些离子，或者说，他们没有接纳这些看不见的“微粒”。从宏观现象上描述，氯化钠溶解在水中后，形成透明无色的溶液。为什么呢？真的有钠离子和氯离子在水中吗？除了氯化钠还有什么物质也有类似的性质呢？笔者认为这就是高一化学第二章离子反应第一课时需要解决的问题。局限于学生的知识有限，在第一课时中无法解决所有的“为什么”，本节课的教学目标就是让学生充分感受到这杯透明无色的溶液中数不清的存在。

基于这样的教学目标，本节课采取了学生小组讨论、实验的课堂教学模式。学生六人一组，共分成六组。教师为学生提供了药品“食盐固体、蔗糖固体、氢氧化钠固体、无水乙醇、蒸馏水、0.1mol/L盐酸、0.1mol/L氯化钠溶液、0.1mol/L氢氧化钠溶液、紫色石蕊”，器材“烧杯、玻璃棒、洗瓶、量筒、胶头滴管、电流计、灯泡、电池组、导线”。教师在课堂上向学生提出待证明的问题“食盐溶解后究竟变成了什么？”

经过学生们的讨论和实验，第二小组率先得到结论。他们直接将提供的氯化钠溶液接入电路中，关闭闸刀后，电路中的灯泡发亮。得出结论为，氯化钠溶液中有带点的钠离子和氯离子。有小组提出疑问：“这些离子一定是钠离子和氯离子吗？说不定是水中的呢？”这个质疑得到大家的认可，虽然同学们在初中都学过，心里明白是溶液中存在钠离子和氯离子，可是如何证明呢？

第一小组提出，用蒸馏水先做导电实验，再用氯化钠固体做导电实验，最后把氯化钠溶解在蒸馏水中再做一次导电实验。结果发现前两次的灯泡都不亮，但是最后一次用氯化钠溶液做的导电实验中灯泡亮了。可见，第一个问题解决了，食盐溶解后变成了钠离子和氯离子。除此之外，同学们还有一个收获就是学会了用导电能力来反应溶液中有没有阴阳离子。

此时，教师再次抛出问题“大家看看自己桌上的小灯泡，为什么有的小组的灯泡亮？有的暗？”同学们立刻想到“电流不一样。”为什么不一样呢？怎么证明呢？

各个小组分别把电流计接入电路，发现果然灯泡亮的小组相应电流就大。为了使自己的电流变得更大，同学们纷纷往烧杯里面加氯化钠固体，并且不断搅拌。不出意外的都看见电流计指针往大偏转。同学们恍然大悟，原来离子的浓度越大，游动的离子越多，溶液导电能力就越强了，难怪氯化钠固体不导电，没有水，钠离子和氯离子都不在溶液中，没法移动啊。

有了这些知识作为依据，教师可以提出问题“除了氯化钠以外，还有那些物质具有类似的性质呢？”同学们看见实验台上的药品，开始忙活，分别用蔗糖、无水乙醇、氢氧化钠溶液和稀盐酸做导电性实验。有小组提出问题：“怎么蔗糖和乙醇溶解了也不导电啊？”大家纷纷讨论认为，虽然蔗糖和酒精在水中溶解了，但是没有阴阳离子产生，水中存在的是蔗糖分子和乙醇分子，这样的溶液就不能导电。各个小组用氢氧化钠溶液和稀盐酸做的导电性实验都证明了这两种溶液是可以导电的，而且随浓度的增大导电能力越强。在师生的共同探讨中，大家认为在水中可以电离产生自由移动阴阳离子的化合物，形成的溶液才能导电，我们将这样一类化合物称为电解质，而我们初中学习的大部分酸、碱、盐都在这个范畴中。

经过这样的实验、讨论，同学们对电离以及电解质这两个抽象的概念有了更直观更形象的认识，重要的是他们为这两个新的知识点找到了生长点，与他们初中熟悉的酸、碱、盐的概念联系到了一起，这样的学习就避免了学生在学习中孤立的看待知识只能机械背诵，而是在思维活动中主动的把它纳入自己的知识体系中，形成系统的知识网络，同时为后面理解离子反应打下理论基础。

在实验探究中，很重要的一点就是启发学生运用所学过的知识来解决新问题，这不仅可以激发他们讨论和探究的热情，更重要的是让他们体会到自己所学知识的认识功能，是他们探索未知的重要工具，不断体会这样的过程就是他们的认识从孤立走向系统的过程。所以，在这节课上，教师针对学生用氢氧化钠溶液和稀盐酸做溶液的导电实验，提出问题“如果不利用溶液的导电性，我们还能有别的方法观察到你们在实验过程中溶液中的离子浓度在变化呢？”这个问题是想启发学生回归到酸、碱的本质，利用溶液pH值，也就是氢离子和氢氧根离子浓度的变化，此时学生通过思考、回顾过去的知识会更深刻的理解酸、碱、盐和电解质的关系，也是为学生理解强弱电解质搭建阶梯。

笔者认为，作为离子反应的第一课时，学生刚刚从宏观的物质溶解性过度到溶液中微观存在的离子，不宜讲的太深，主要以学生自己的感受和体验为主，研究教材可以发现，教材在这一课时中只强调了酸、碱、盐在水中的电离，弱化了电解质与非电解质的概念，这是为学生理解离子反应降低了难度。在授课中，我们不妨多留些疑问，让学生体会溶液中离子的增加、减少，真心接纳了这些看不见的微粒，为他们进入微观世界写下精彩而重要的第一笔。

三、寻找溶液中的“微粒”

元素周期律是对元素化合物知识的一个总结，也是建立“结构——性质”关系的重要内容。教学中重点引导学生体会元素结构和性质的周期性变化规律，从对元素性质孤立的认识上升到系统的把握。

进过对同周期元素原子结构的理解比较，学生提出假设“同一周期中金属钠最外层一个电子，比金属镁更容易失去电子，还原性比镁强。”经过讨论，他们设计的实验方案主要有两种：一、取相同大小的金属钠和金属镁，分别与同浓度的盐酸反应，比较反应的剧烈程度；二、取相同大小的金属钠和金属镁，分别与同体积的蒸馏水反应，比较反应的剧烈程度。在讨论实验方案可行性的时候，有学生提出，钠的性质太“活泼”，和盐酸反应危险性会比较大，学生决定采用实验方案二。

学生通过对比实验能够感受到金属钠和水的反应明显比金属镁与水反应要剧烈，让我们欣喜的是，在实验过程中，有同学提出“镁和水反应生成什么啊？氢氧化镁不是沉淀吗？怎么看不到？”这时师生间形成了讨论。师：氢氧化镁沉淀怎么看不到呢？生：反应不剧烈，生成的氢氧化镁太少了。师：咱们是不是可以理解为反应生成的Mg2+和OH-浓度太低，他们碰撞形成Mg（OH）2的可能性比较小，即使生成了Mg（OH）2，颗粒太小，我们肉眼也无法看见。是不是这样呢？生：滴点酚酞看看呢。在试管中滴加酚酞后，溶液呈红色。师：有没有Mg（OH）2生成啊？借助工具能不能看到啊？生：激光笔，利用丁达尔效应。通过激光照射，果然看到一条“微弱”的光路（图1和图2）。

当试管放置一段时间后，有学生发现了“意外”，在靠近镁条的溶液部分出现的红色要深于其他部分（图3）。如何理解这个“美丽的意外”呢，有同学立刻想到，金属和水反应的实质就是金属和水中H+的反应，那靠近镁条的水中H+被还原，剩下的就是OH-，红色当然要深一些啊。可见金属与水的反应其本质是将水中的H+还原，和金属与酸的反应原理是一致的，那么我们对于活泼性相较于碱金属比较稳定的金属，就利用其与酸反应的情况来判断它们的金属性强弱。

学生在实验探究的情境中，主动发现问题，预测体系中存在微观粒子。可见学生初步建立起“微粒观”，能透过宏观的实验现象分析内部的微观结构。在这个实验中，令笔者感到惊喜的是，学生提出利用“丁达尔效应”验证猜想。这说明学生能够将之前所学知识内化，在遇到具体问题情境时主动调用所学知识，积极的尝试在微观层面观察化学反应。

不禁要感叹，这就是化学实验的魅力。学生在神奇又极富科学性的实验现象中感受微观粒子的运动和反应，寻求外显现象的本质原因，在充分的活动体验中，收获到的不仅仅是感性材料，还有丰富的认识视角、严密的逻辑思维和更接近反应本质的认识方式。