以溶液专题复习为突破口借助数字化实验整合微粒观教学

倪江红

摘要：微粒观是化学的基本观念，也是做好初高中化学教学衔接的重要环节，“微粒观”应贯穿化学教学过程的始终。在学生学完九年级化学内容后，以“溶液专题复习”教学为例，将微粒观的教学内容进行整合，并借助数字化实验进行教学设计及实践研究，突破学生认知难点，建构微粒观的系统认知。

关键词：微粒观;溶液;数字化实验;整合;初中化学

文章编号：1008-0546（2019）10-0042-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.10.011

一、微粒观教学的价值

使学生初步形成化学基本观念是义务教育阶段化学教育的一个重要的教学目标。中学化学课程中的基本观念包括：元素观、微粒观、变化观、实验观、分类观、化学价值观。什么是化学最核心的观念呢？《义务教育化学课程标准（2011年版）》指出：化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础自然科学，其特征是研究分子和创造分子。《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。可见，中学化学研究的对象是物质，而且是从微观的角度认识物质及其变化的科学，因此，“微粒观”是中学化学的核心观念。

初中化学教学中帮助学生建构“微粒观”，引导学生从微观视角认识物质及其变化，将宏观和微观相结合，提高学生分析与解决实际问题的能力，提升化学学科素养。这也是为学生在高中阶段进一步学习“氧化还原反应、离子反应、微粒间的相互作用、化学键”等重要的化学知识，打下扎实的基础。

二、初中化学教材中微粒观内容的渗透

在沪教版初三化学教学中，有5章共11处涉及微粒观的内容，如表1所示：

初中化学教材中微粒观的形成是螺旋上升，逐步推进的。可以说第3章《物质构成的奥秘》正式给学生开启了从物质的宏观世界进入微观世界的大门，学生开始认识分子、原子，尝试用微粒的观点解释宏观现象。但是正因为微粒看不见、太抽象，学生越学越糊涂、越学越害怕，折损了不少对化学学习的兴趣。第6章物质溶解形成溶液后，以分子或离子的形式存在，这个认知太抽象，又是一处难点。第7章酸酸碱盐从电离角度进行定义、分类，酸、碱、盐间发生复分解反应是学生学得最困难的一章，主要是因为学生无法准确对酸碱盐进行归类，不能从微粒观的角度去解释酸碱盐之间反应的本质。

初三学生要掌握好以上这些抽象的微观知识并不容易，高强度的学习和以应试为最终目的导致很多学生是将微粒观的知识碎片化，不成系统，对后续高中化学学习产生了很大的障碍。

三、借助数字化实验整合微粒观教学的案例——“溶液中的秘密”专题复习

对于如何将微观的内容宏观化、可视化，帮助学生获取准确深刻的直观感知，形成完整的理性认识，化解难点，数字化实验是一个不错的手段。可以借助电导率、温度、pH等传感器测定溶解、反应过程中的变化数据，实时绘制出变化曲线，把那些抽象推理的内容，以数据的形式呈现出来，引导学生运用数据分析处理实验数据、解读曲线变化趋势，揭示化学实验背后的数字世界，将抽象的事物可视化，从而突破微粒观教学的难点，学生的思维也可以达到更高的层次。在解读曲线变化、进行数据分析的过程中，将宏观的实验现象、微观的微粒变化和反应方程式的书写建立联结，实现化学的“四重表征”，从宏观、微观、符号、曲线四种水平上认识和理解化学反应，帮助学生深入理解微粒观，落实化学学科核心素养。

溶液是初中化学的一个重要知识点，是化学课程一级主题“身边的化学物质”的重要组成部分。酸碱盐问的化学反应几乎都是在溶液中发生的离子反应。建构溶液的微粒观，有利于从本质上理解复分解反应的条件，打通三五六七章的潜在联系。溶液知识的教学不是仅仅拘泥在第六章中，本案例是在学完九年级化学内容之后进行的复习归纳，加以挖掘，力求从整体的角度，将初三阶段微粒观的知识整合起来，帮助学生从微粒的观点认识物质及物质间的反应，形成清晰的知识网络，也为高中化学学习做好铺垫。

1.用微粒的观点看溶液

溶液的形成即溶解是初中化学溶液这一单元的重难点概念，教材上有溶解的微观过程示意图（图1），以及导电实验装置（图2），让学生認知溶液导电的实质是物质溶解时产生了自由移动的离子。其实学生无法获得直观的感知，可以说是将信将疑，过后就忘。这里笔者设计了借助电导率传感器，通过数据、曲线的呈现，帮助学生将抽象的溶解概念可视化，感知溶液中分子、离子的存在。

笔者学校使用的是美国威尼尔公司的传感器，有辅助的磁力搅拌器（图3）。同时利用未来教室双屏的优势，主屏上仍是PPT，在sTARc平台上点击打开外部工具，威尼尔软件就会在辅板上显示，实时呈现检测采集到的数据及变化曲线（图4）。

首先测出蒸馏水的电导率约为23us/cm，这个数据可以帮助学生认识到蒸馏水的导电性很微弱，蒸馏水中其实是存在极少量的离子的，为高中化学水的微弱电离做个铺垫。然后开动磁力搅拌器，将一药匙蔗糖加到蒸馏水中，同时点击软件上的采集按钮，发现电导率示数不变，软件上呈现一条水平曲线。这样学生就能感知到水分子无法破坏蔗糖分子内部的作用力，蔗糖在水中确实是以分子的形式存在，与书本图6-2相呼应。接着再将氯化钠溶解到水中，一药匙氯化钠加下去之后，电导率示数骤增，学生连呼神奇，他们的兴趣立马被调动起来。一段时间后软件上绘制出如图4的曲线。借助未来教室互动端，将曲线分享到学生手中的PAD上，然后让学生尝试分析曲线，获取信息。此时学生几乎都能答出氯化钠溶解到水中后立即产生大量自由移动的钠离子和氯离子，也真正理解到了何为溶解后溶液中离子自由移动了。经过讨论后学生又提出了深层次的见解：根据电导率变化曲线明确溶液的导电性和离子浓度的关系，单位体积溶液中离子数目越多（离子浓度越高），溶液的导电性越强。几十秒后电导率示数趋于稳定，也反映出氯化钠已基本完全溶解。借助曲线走势，学生似乎就看到了一个个离子不断进入水中的场景。实现将溶解过程可视化，获得了直观的印象，弥补了传统实验的不足。

紧接着抛出问题：为什么要将固体配成溶液进行反应。学生猛然间并不会联系到溶液中溶质以分子或离子的形式存在，配成溶液后微粒问可以充分接触，便于反应。然后学生进行分组实验，将硫酸铜固体、氢氧化钠固体混合，氢氧化鈉溶液与硫酸铜溶液混合进行对比实验，对学生进行视觉冲击，然后就能比较自然地理解配成溶液后，溶质以自由移动的分子或离子存在便于微粒间相互接触，相互碰撞，所以更容易反应，为理解溶液浓度越高，反应速率越快提供了理论支撑。

2.用微粒的观点看溶液中的化学变化

（1）利用pH传感器探究中和反应实质

将稀硫酸逐滴匀速加入一定量的稀氢氧化钠溶液中，用pH传感器对反应过程中溶液的pH进行实时测定，屏幕上实时绘制出反应过程中溶液pH变化曲线图（图5），引导学生从微观角度分析pH变化趋势：随着稀硫酸的滴入，氢氧化钠不断被消耗，溶液碱性逐渐变弱，pH逐渐变小。当恰好完全反应时，溶液呈中性，pH等于7。继续滴入稀硫酸，硫酸过量，溶液呈酸性，pH小于7，且逐渐变小。

以往教学一般都是通过给学生看酸碱中和反应的微观示意图，告诉学生中和反应的本质，缺少科学证据，没有说服力。现在学生通过见证pH变化曲线的诞生，将看不到的变化通过实验测得的数据呈现出来，学生似乎看到了溶液中一个个氢氧根离子不断与氢离子反应而减少，从而揭开酸碱中和反应的实质：酸电离出的氢离子和碱电离出的氢氧根离子结合，生成水分子。

（2）利用电导率传感器探究复分解反应发生的条件

学生一直对复分解反应发生为何要满足有气体或沉淀或水生成这些条件存在困惑，通过下面的实验可以帮助学生从离子的角度解释复分解反应的实质。在100mL烧杯中加入氢氧化钡溶液，测出其溶液的电导率，再打开磁力搅拌器，逐滴滴加溶质质量分数为2.45%的稀硫酸，测得电导率变化曲线如图6所示。引导学生解读曲线变化趋势：氢氧化钡溶液中存在大量自由移动的钡离子和氢氧根离子，所以溶液具有很强的导电性。随着稀硫酸的滴人，反应生成硫酸钡沉淀和水，而硫酸钡难溶于水，水的导电性又很弱，溶液中自由移动的钡离子和硫酸根离子逐渐较少，故溶液导电性逐渐降低。当恰好完全反应时，烧杯中为硫酸钡悬浊液，几乎不导电（电导率数据不为零，还可以证明硫酸钡不是绝对不溶于水），曲线上的转折点即为恰好完全反应的时刻。继续滴稀硫酸，硫酸过量，溶液中自由移动的氢离子和硫酸根离子逐渐增多，溶液导电性又开始增强（图6）。

通过曲线变化图，溶液中钡离子和硫酸根离子的消耗过程变得可视化。可以发现这个反应的实质是钡离子和硫酸根离子配对，结合成硫酸钡沉淀从水中析出;氢氧根离子和氢离子配对结合生成水分子。两组离子配对结合，使溶液中离子浓度逐渐减小。再带着学生分析稀盐酸和碳酸钠的反应，发现该反应的实质是氢离子和碳酸根配对结合生成水和二氧化碳气体，也使得溶液中离子浓度降低。这样就很自然地归纳出复分解反应的本质：溶液中的复分解反应，实质是离子问相互配对，发生反应，通过生成水、气体或沉淀，使单位体积溶液中离子数目减少（离子浓度降低）。自此学生对溶液及溶液中的复分解反应有了系统的认知，通过宏观、微观、符号、曲线四重表征，落实了化学学科核心素养中的宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的教学，实现将学生思维提升一个层次的目标。

四、结语

微粒观的建构在整个中学化学教学中有着举足轻重的作用，教师要逐步转变教学理念，将“微粒观”作为化学教学的主线贯穿于教学过程始终，从教材内容的整体出发，将碎片化知识进行整合，真正实现用微粒的观点指引具体知识的教学。