嚴(yán)西平

（蘇州市立達(dá)中學(xué)　江蘇 蘇州　215003）

離子的認(rèn)知教學(xué)與反思*

嚴(yán)西平

（蘇州市立達(dá)中學(xué)江蘇 蘇州215003）

由于教材的限制和實(shí)驗(yàn)手段的缺乏，離子的教學(xué)一直是傳統(tǒng)難點(diǎn)之一。借助電導(dǎo)率數(shù)字實(shí)驗(yàn)和自拍的實(shí)驗(yàn)微視頻彌補(bǔ)了感性認(rèn)知的不足，按照認(rèn)知規(guī)律重新設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容和遞進(jìn)次序，實(shí)現(xiàn)了從存在、形成、運(yùn)動(dòng)、原子相互轉(zhuǎn)化、表征等視角初步認(rèn)知離子的目標(biāo)。

離子；認(rèn)知教學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；反思

一、設(shè)計(jì)思想

在常見微粒的認(rèn)知過程中，最難被學(xué)生接受的就是離子了。由于滬教版教材將原子核外電子的排布、穩(wěn)定結(jié)構(gòu)等內(nèi)容放到了“拓展視野”板塊中，所以離子的出現(xiàn)顯得特別突兀生硬，除了鈉在氯氣中燃燒生成氯化鈉的實(shí)驗(yàn)（P71圖3－14）和鈉離子和氯離子的形成（P71圖3－15）示意圖外，僅僅靠幾句蒼白的課文實(shí)施傳授式教學(xué)效果很差，學(xué)生接受起來顯得非常被動(dòng)，有些學(xué)生感覺“頭腦中好像被硬塞進(jìn)來一種微?！保瑹o法喚醒學(xué)生的主動(dòng)性。如何突破這個(gè)傳統(tǒng)難點(diǎn)呢？2011版課標(biāo)提出“創(chuàng)設(shè)真實(shí)而有意義的學(xué)習(xí)情景”［1］啟發(fā)筆者，能不能利用離子最顯著的特征——帶電微粒，通過身邊熟悉的物質(zhì)——食鹽水開展認(rèn)識(shí)之旅呢？于是想到了借助電導(dǎo)率數(shù)字實(shí)驗(yàn)對比分析了蒸餾水和食鹽水的差異，使學(xué)生能直觀地“感覺”離子的存在；借助自拍的食鹽晶體不導(dǎo)電微視頻以及食鹽溶解過程中電導(dǎo)率變化的數(shù)字實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能深切地“感知”到離子的“束縛”與“自由”；借助電解熔融氯化鈉的視頻，使學(xué)生可以進(jìn)一步“感悟”離子與原子的相互轉(zhuǎn)化的……這些生動(dòng)的教學(xué)情境的創(chuàng)建，構(gòu)成了教學(xué)的主要脈絡(luò)（明線），與此平行的以問答為主要載體的思維活動(dòng)（暗線）使學(xué)生的“主動(dòng)建構(gòu)”得以體現(xiàn)，多維認(rèn)知、內(nèi)化提升，課堂成了探究新知的陣地。經(jīng)過前期準(zhǔn)備，筆者在2014年秋季蘇州市化學(xué)名師發(fā)展共同體集體研修活動(dòng)上開了這節(jié)研討課（包括上海來的教師約100人聽課），反響熱烈。

二、精選教學(xué)片段

片段1：離子的“現(xiàn)身”

圖1

圖2

在觀看6B鉛筆（見圖1）和食鹽水能導(dǎo)電的視頻（見圖2）后，學(xué)生能回答出“鉛筆能導(dǎo)電的原因是石墨中有自由移動(dòng)的電子”，但是面對提問“食鹽水導(dǎo)電是不是同樣原因呢？”學(xué)生沉默了，思維“憤而不悱”。這時(shí)筆者用食指伸入燒杯中，取出后笑問：老師有沒有被電著？學(xué)生頓時(shí)“受啟而發(fā)”，搶答道：導(dǎo)電的微?？隙ú皇请娮?！一定是其他帶電的微粒，而且是兩種：一種是帶正電荷，另一種帶負(fù)電荷，它們的所帶的正負(fù)電荷一定相等，溶液呈電中性，否則老師就要被電著了，呵呵…筆者不由得贊賞道：分析得有道理！這樣的帶電微粒就是我們這節(jié)課要認(rèn)識(shí)的新朋友——離子…生動(dòng)的引入，瞬間就把學(xué)生的思維激活了，他們迫切地希望跟著老師走進(jìn)離子的認(rèn)識(shí)之旅。

片段2：離子濃度的“估測”

簡單介紹溶液電導(dǎo)率的測量意義（即示數(shù)可以近似理解為單位體積內(nèi)離子的數(shù)目）后，筆者先讓學(xué)生預(yù)測一下蒸餾水的電導(dǎo)率示數(shù)（見圖3），不少學(xué)生認(rèn)為是“零”，隨后筆者將電導(dǎo)率傳感器伸入水中，出現(xiàn)示數(shù)為“6μS／cm”，大家嘆到“原來蒸餾水中并非只有水分子，還有很少量的離子呀”。當(dāng)筆者再請學(xué)生預(yù)測一下食鹽水中的電導(dǎo)率示數(shù)，部分學(xué)生怯生生地答到“幾十”，最大預(yù)測值也不過“幾百”，可當(dāng)看到“22266μS／cm”的示數(shù)后，小伙伴們都驚呆了！他們誰也沒料到食鹽水中居然有這么多的離子！這時(shí)他們恍然大悟：食鹽水導(dǎo)電的奧秘就是因?yàn)檫@些大量的離子，只有離子濃度達(dá)到一定數(shù)量時(shí)才能導(dǎo)電，怪不得蒸餾水的導(dǎo)電性只能說微弱…定量地說服，把量變引起質(zhì)變的觀點(diǎn)潛移默化地移植到學(xué)生的思想中，也引領(lǐng)他們學(xué)會(huì)用定量的方法學(xué)習(xí)和研究化學(xué)。

圖3

片段3：離子運(yùn)動(dòng)的“相對論”

在看到筆者制作的微視頻 “食鹽晶體不能使燈珠變亮”（見圖4、5）后，學(xué)生又驚詫了：食鹽中的鈉、氯離子都仿佛“凍住”了，沒有定向移動(dòng)呀。這時(shí)筆者在屏幕上投影出“食鹽晶體的結(jié)構(gòu)示意圖”（見圖6），讓大家展開討論，于是乎你一言我一語非常熱烈，集中的意見是“鈉離子和氯離子緊密排列，彼此靜電作用力大，所以不能動(dòng)彈”。筆者笑問到：你們端坐在一起，就像圖中的陰陽離子，可你們會(huì)紋絲不動(dòng)嗎？你們是不是也要轉(zhuǎn)動(dòng)頭頸、扭動(dòng)身體呀。只不過沒有打下課鈴，否則你們都可以自由運(yùn)動(dòng)了。聽此言大家都笑了…這種擬人化的比喻一下子就把道理點(diǎn)明了：晶體中離子雖然是“束縛”的，但是也是可以在其位置上“抖動(dòng)”的。這種“絕對運(yùn)動(dòng)”觀的樹立不能因?yàn)槭雏}晶體不導(dǎo)電而被扼殺！緊接著筆者又提出：食鹽水中的離子為什么能“自由”呢？這個(gè)下課鈴是誰打給它們的呢？大家自然把視點(diǎn)聚焦到水上了：水分子能有這么大的本領(lǐng)嗎？比得過電場能量嗎？帶著這些疑惑，筆者演示了食鹽溶于水電導(dǎo)率的變化。當(dāng)看到如圖7所示的曲線流淌出來（注意：開始大約10s沒有啟動(dòng)電磁攪拌；第二個(gè)躍升是我靈機(jī)一動(dòng)多加了一勺食鹽形成的，想更好地表達(dá)水分子的作用，當(dāng)約100s時(shí)停止攪拌），大家不由得發(fā)出了嘖嘖驚嘆，激動(dòng)、興奮、交流。趁勢我又請同學(xué)們觀看外文視頻“食鹽溶解的微觀過程”，我笑問到：你們聽懂了嗎？一位女生就主動(dòng)當(dāng)起了小老師：我雖然沒有聽懂，但是看懂了。聯(lián)系圖7是不是這樣理解：開始食鹽沉在燒杯底部，周圍接觸的水分子不多，所以能把鈉離子和氯離子從表面拽出來的數(shù)目很少，啟動(dòng)攪拌后水和食鹽充分接觸，無數(shù)個(gè)水分子一起行動(dòng)起來了，它們就像勇士一樣沖上去，幾乎一下子就把大部分的鈉離子和氯離子都包圍起來了，這些離子幾乎一下子都獲得解放，“自由”了…另一位男生站起來繼續(xù)發(fā)言：我覺得水分子很了不起，有了這層水分子包圍，陰陽離子再相互結(jié)合就難了，所以即使停止攪拌，燒杯中離子數(shù)目也不再變化了…聽到這樣精彩的回答聽課老師也不由得頻頻點(diǎn)頭，課堂氣氛達(dá)到高潮。

片段4：離子的“再認(rèn)識(shí)”

在課堂小結(jié)時(shí)，觀看酸堿鹽溶液導(dǎo)電微視頻（見圖8）、熔融氯化鈉導(dǎo)電視頻（見圖9）以及水合離子的圖片（見圖10）讓同學(xué)們展開討論。

圖8

圖9

圖10

首先，筆者讓同學(xué)們閱讀教材P82－83有關(guān)原子團(tuán)的內(nèi)容，學(xué)生甲很快反應(yīng)到：硫酸的化學(xué)式是H2SO4，由于氫是正一價(jià)，硫酸根是負(fù)二價(jià)，那么稀硫酸中應(yīng)該有大量的H＋和SO42－；其他同學(xué)也很快接著齊答：氫氧化鈉溶液中應(yīng)該有大量的Na＋和OH－，碳酸鈉溶液中應(yīng)該有大量的Na＋和CO32－，筆者趁機(jī)發(fā)問：像上面這樣由原子團(tuán)形成的離子是不是也是離子家族的成員呢？學(xué)生一致同意：教材p71上的離子的定義過于簡單了，應(yīng)該包括原子團(tuán)離子。這是“再認(rèn)識(shí)”的一個(gè)收獲——視野拓展了：離子的形態(tài)不僅有簡單離子，還有復(fù)雜離子；其次當(dāng)看到熔融氯化鈉能導(dǎo)電視頻時(shí)，大家都很興奮，有的同學(xué)迫不及待地說：高溫使離子“自由”了！這是“再認(rèn)識(shí)”的另一個(gè)收獲——理解透徹了：電離既可以在溶解時(shí)發(fā)生，也可以是熔融狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)，雖然初中化學(xué)降低了“電離”的要求，甚至不要求掌握這個(gè)概念，僅僅要求學(xué)生知曉溶解時(shí)會(huì)產(chǎn)生離子，但是為了更準(zhǔn)確地反映電離的實(shí)質(zhì)，筆者還是設(shè)計(jì)了這個(gè)環(huán)節(jié)，目的是讓學(xué)生提前感知破壞“離子鍵”的方式是多樣的，思維不能局限于“水合離子”一種形式；再次，當(dāng)看到圖10后不少學(xué)生都能回答：水分子中氧原子呈負(fù)電性，氫原子顯正電性，異性電荷相吸唄。這是“再認(rèn)識(shí)”的又一個(gè)收獲——想象豐富了：原來水分子并不是真正的電中性，而是有“極性”的，“水合”的根本原因就是靜電作用呀，以后學(xué)生再想象水中離子的運(yùn)動(dòng)形態(tài)就不會(huì)再是“赤裸”的離子在漫無目的地亂跑，而是被水分子有規(guī)則地包圍后形成的“水合離子”在自由徜徉……這樣的小結(jié)讓學(xué)生思維深刻性、全面性、發(fā)展性都有了新的提高。

三、教后反思

經(jīng)過評課，聽課教師反映這節(jié)課有以下一些亮點(diǎn)：

一是靈活地組織教學(xué)素材，體現(xiàn)了主動(dòng)性。教材中關(guān)于離子的內(nèi)容分散在第3、6、7章。以往的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)存在的弊端主要是：第6章溶解過程的實(shí)質(zhì)認(rèn)識(shí)不透徹，對于某些化合物在水中分散的微粒認(rèn)識(shí)模糊，比如對于“食鹽水中的微?！保瑢W(xué)生不是答作氯化鈉分子就是答作氯化鈉離子，至于水分子更容易被忽略；第7章中復(fù)分解反應(yīng)的實(shí)質(zhì)、共存離子的理解更是稀里糊涂，學(xué)生沒有建立溶液中離子的構(gòu)象，于是演變成教學(xué)難點(diǎn)。這些問題的根源就在于第3章初次認(rèn)識(shí)離子時(shí)“吃了夾生飯”，對于離子的印象就像“高度近視患者”始終模糊不清，離子的存在形態(tài)、帶電原因、結(jié)合方式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等諸多要素根本沒有掌握。在認(rèn)真領(lǐng)悟2011版課標(biāo)精神［2］后執(zhí)教者能對教材進(jìn)行“二次開發(fā)”，打通3、6、7章，把教材中涉及離子的內(nèi)容重新編排，按照“存在→形成→運(yùn)動(dòng)→轉(zhuǎn)化”順序有機(jī)重組教學(xué)素材，是靈動(dòng)地“用教材教”而不是機(jī)械地“教教材”的有益實(shí)踐。

二是用心地培育學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)，體現(xiàn)了發(fā)展性。比如設(shè)計(jì)了因素排除法分析食鹽水導(dǎo)電原因：石墨電極導(dǎo)電是自由電子貢獻(xiàn)，而水中很少量的離子也不是導(dǎo)電的主要原因，只有食鹽提供的離子才是根本內(nèi)因，讓學(xué)生受到了嚴(yán)謹(jǐn)推理思想的熏陶；比如設(shè)置了似是而非的問題（諸如水中無離子嗎？有大量離子就一定能導(dǎo)電嗎等）讓學(xué)生發(fā)展批判性思維，樹立質(zhì)疑精神；比如通過觀察食鹽晶體結(jié)構(gòu)示意圖和聚焦電導(dǎo)率曲線，讓學(xué)生構(gòu)思鈉、氯離子的空間排列和運(yùn)動(dòng)狀況，激發(fā)學(xué)生想象力。比如雖不提 “電離”、“電解質(zhì)”、“極性分子”等概念，但是讓學(xué)生接觸離子伊始就建立正確的觀念，避免“前學(xué)習(xí)”中容易出現(xiàn)的“相異構(gòu)想”，為學(xué)生順利銜接初高中，深入學(xué)習(xí)這些內(nèi)容作了有效的鋪墊。

三是恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用技術(shù)手段和教學(xué)策略，體現(xiàn)了服務(wù)性?？紤]這節(jié)課容量大、實(shí)驗(yàn)多，執(zhí)教者提前制作了導(dǎo)電性微視頻，節(jié)約了時(shí)間，促進(jìn)了學(xué)生的思維活動(dòng)。其中令人印象深刻的是“大塊食鹽晶體導(dǎo)電性”，以往的教學(xué)中教師普遍采用的是把食鹽粉末盛放在燒杯中，像測液體導(dǎo)電性那樣實(shí)驗(yàn)，這里的科學(xué)性就值得推敲了：食鹽顆粒之間也是有空隙的，不能有效說明緊密排列的離子是否導(dǎo)電？特別值得一提的是 “電導(dǎo)率數(shù)字實(shí)驗(yàn)”，讓以前無法感知的離子“躍入眼前”，化抽象為具體，變神秘為平凡，突破了以往的教學(xué)難點(diǎn)，搭建了具象“支架”，學(xué)生的認(rèn)知得以有效建構(gòu)。還有為加深學(xué)生對溶液中離子數(shù)目巨大的印象，配合演示使用了“POE”（即預(yù)測－觀察－解釋）策略，讓學(xué)生先入為主，創(chuàng)設(shè)矛盾情景，調(diào)動(dòng)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，實(shí)驗(yàn)教育的功效充分展現(xiàn)。在練習(xí)書寫離子符號(hào)時(shí)，執(zhí)教者有意引入“試錯(cuò)教學(xué)”，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對離子所帶的電量與電性呈現(xiàn)的錯(cuò)誤再逐一糾正，厘清“＋”、“－”原本就是一個(gè)單位正負(fù)電荷的意思，所以鈉離子應(yīng)該寫成“Na＋”而不應(yīng)畫蛇添足為“Na＋1”、硫酸根離子應(yīng)該是“SO42－”而不是“SO4－2”，“宏微符”三重表征的教學(xué)范式應(yīng)該值得肯定。這些手段和策略的運(yùn)用，充分反映出執(zhí)教者“教為學(xué)服務(wù)”的思想。

［1］［2］中華人民共和國教育部制定．義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)［S］．北京：北京師范大學(xué)出版社，2011：26，40－41

1008-0546（2015）06-0013-03

G632．41

B

10.3969／j．issn．1008－0546．2015．06．005

*中國化學(xué)會(huì)基礎(chǔ)教育規(guī)劃課題（HJ2014－0014）階段研究成果