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運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究離子反應(yīng)的微觀原理*——初高中銜接之硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)

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（1上海市金山中學(xué)上海201599；2無錫市劉潭實(shí)驗(yàn)學(xué)校江蘇無錫214046）

摘要：以初高中學(xué)段都采用的硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，比較了不同學(xué)段此實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能；并就電離理論中離子反應(yīng)部分的教學(xué)，嘗試?yán)脭?shù)字化動態(tài)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，采用由“微觀→宏觀”教學(xué)方法，透過微觀本質(zhì)解釋宏觀現(xiàn)象，初步建立微粒觀思維。

關(guān)鍵詞：離子反應(yīng)；數(shù)字化；微粒觀；教育解釋學(xué)

*江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013課題“基于教育解釋學(xué)的初中化學(xué)實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)實(shí)踐研究”（D/2013/02/624）成果之一。

硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)的常見實(shí)驗(yàn)。因具有藥品用量少，實(shí)驗(yàn)快速，現(xiàn)象明顯，零排放等優(yōu)點(diǎn)，在不同的學(xué)段作為不同知識點(diǎn)的載體。在初中學(xué)段，此實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能側(cè)重于學(xué)會使用合適的化學(xué)語言對現(xiàn)象進(jìn)行描述，并作為學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律和復(fù)分解反應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)載體；高中學(xué)段則采用此實(shí)驗(yàn)來探究離子反應(yīng)本質(zhì)。不同的教學(xué)功能使得兩個學(xué)段對硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液的要求不同。初中學(xué)段本實(shí)驗(yàn)需成功地出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，定性地得出產(chǎn)物是氫氧化銅和硫酸鈉，定量地獲得反應(yīng)前后質(zhì)量不變的數(shù)據(jù)。而高中學(xué)段則需從微觀原理知道兩者反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是銅離子和氫氧根離子的反應(yīng)，并通過此實(shí)驗(yàn)來了解離子反應(yīng)的本質(zhì)和規(guī)律。傳統(tǒng)上，采用“宏觀→微觀”教學(xué)法，在離子反應(yīng)的教學(xué)中會利用此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象、反應(yīng)類型入手，然后從電解質(zhì)電離角度分析產(chǎn)生這些現(xiàn)象的微觀過程，從而引出離子反應(yīng)的概念和電解質(zhì)在溶液中反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。這種方法更多關(guān)注的是用微觀過程對宏觀現(xiàn)象進(jìn)行解釋，學(xué)生在思維上延續(xù)著宏觀思維的方式。鑒于此，筆者試圖突破這種傳統(tǒng)的對離子反應(yīng)的教學(xué)，使用手持技術(shù)——數(shù)字傳感器重現(xiàn)動態(tài)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，以期能將初高中學(xué)段關(guān)于此實(shí)驗(yàn)的教學(xué)更加有效地銜接，并使學(xué)生能從微觀的離子角度理解離子反應(yīng)，并透過微觀本質(zhì)理解宏觀現(xiàn)象，幫助學(xué)生逐步建立微粒觀思維。

一、硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的動態(tài)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)裝置圖

二、教學(xué)實(shí)踐片斷

師：介紹電導(dǎo)率的定義及電導(dǎo)率與離子濃度的關(guān)系。

［實(shí)驗(yàn)1］25mL 0.05mo1/L CuSO4溶液，測電導(dǎo)率，如圖中電導(dǎo)率-時(shí)間曲線Ⅰ。

師：0.05mo1/L CuSO4溶液為什么可以導(dǎo)電?

生（眾）：溶液中有離子，主要是Cu2+和SO42-，另外少量的H+和OH-。

師：如果向0.05mo1/L CuSO4溶液中加點(diǎn)水或者氫氧化鈉溶液，溶液中的離子會如何變化?這條曲線又會怎樣變化呢?

［實(shí)驗(yàn)2］用滴定管勻速向插有電導(dǎo)率傳感器的25mL 0.05mo1/L CuSO4溶液中滴入蒸餾水50mL，獲得電導(dǎo)率-時(shí)間曲線Ⅱ。

師：如何解釋由實(shí)驗(yàn)2獲得的曲線Ⅱ?

生：實(shí)驗(yàn)2向CuSO4溶液中滴加水后溶液體積增大、溶液被稀釋，從而使主要起導(dǎo)電作用的Cu2+和SO42-濃度降低而使導(dǎo)電能力降低。

師：向CuSO4溶液中加入NaOH溶液，溶液也會被稀釋，曲線又會如何變化呢?

［實(shí)驗(yàn)3］用滴定管勻速向插有電導(dǎo)率傳感器的25mL 0.05mo1/L CuSO4溶液中滴入0.1mo1/L NaOH溶液50mL，獲得電導(dǎo)率-時(shí)間曲線Ⅲ。

圖1電導(dǎo)率—時(shí)間曲線圖

（Ⅰ：CuSO4溶液；Ⅱ：CuSO4溶液中滴加水；Ⅲ：CuSO4溶液中滴加NaOH溶液）

師：在實(shí)驗(yàn)3中，溶液中各種離子濃度是如何變化的?曲線III為什么先降低后升高?為什么曲線III最低點(diǎn)處的電導(dǎo)率高于曲線II?

生：實(shí)驗(yàn)3向CuSO4溶液中滴加氫氧化鈉，OH-與Cu2+生成了沉淀，使溶液中的Cu2+離子濃度快速減小，而溶液中原有的SO42-和由滴定管加入的Na+未參與反應(yīng)而其濃度因稀釋減少，以離子形式存在于溶液，故仍有一定的導(dǎo)電能力，強(qiáng)于實(shí)驗(yàn)2；溶液后期導(dǎo)電能力的增強(qiáng)是NaOH溶液過量使原溶液中Na+和OH-離子濃度增大導(dǎo)致。

師：如何通過實(shí)驗(yàn)證明Na+和SO42-沒有參與反應(yīng)?

生：取實(shí)驗(yàn)3反應(yīng)后的上層清液中滴加BaC12溶液產(chǎn)生白色沉淀的方法證明SO42-未參與反應(yīng)。

師：嘗試用離子符號來表示上述離子間的作用。

生：Cu2++2OH-→Cu（OH）2↓

師：由此，我們可以得出硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)的本質(zhì)是Cu2+和OH-之間的反應(yīng)，而電解質(zhì)在溶液中發(fā)生反應(yīng)的實(shí)質(zhì)就是離子間的反應(yīng)。

三、教學(xué)實(shí)踐思考

教育解釋學(xué)認(rèn)為教師不是知識守望者和旁觀者，教師是經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)者。教師應(yīng)精于把課程知識與自己、學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，敢于重構(gòu)教參和教材，樂于和學(xué)生發(fā)展共有知識，善于引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行有意義的經(jīng)驗(yàn)互動。微觀粒子看不見、摸不著，又確實(shí)存在，如何通過技術(shù)手段使他們變得“可見”從而回歸知識的本源成為設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個思想。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)采用動態(tài)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)將抽象的離子濃度與電導(dǎo)率相聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生分析反應(yīng)物的構(gòu)成微粒和微粒間的作用，從而建立化學(xué)反應(yīng)的微粒觀思維，更好地認(rèn)識微觀世界。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，也直接采用“微觀→宏觀”教學(xué)法，由微觀粒子的變化來解釋宏觀現(xiàn)象。

教師的課程意識是教師把課程經(jīng)驗(yàn)不斷向?qū)W生的生活經(jīng)驗(yàn)靠攏，使他們之間不斷滲透和延續(xù)，從而引導(dǎo)學(xué)生從初中化學(xué)到高中化學(xué)有效銜接。眾所周知，初高中銜接教學(xué)不僅要關(guān)注知識與技能，更應(yīng)該關(guān)注過程和方法。離子反應(yīng)作為電離理論的核心，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科思維中微粒觀和變化觀的思維特點(diǎn)。初中教材中對離子反應(yīng)很少涉及，只是在人教版《化學(xué)（九年級）》下冊“酸和堿的中和反應(yīng)”中氫氧化鈉和鹽酸反應(yīng)的示意圖中能了解到該反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是：H++OH-→H2O。硫酸銅溶液和氫氧化鈉溶液反應(yīng)在初中學(xué)段作為學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)基本操作技能、規(guī)范化學(xué)用語以及學(xué)習(xí)質(zhì)量守恒定律和復(fù)分解反應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)載體，但還沒有像高中學(xué)段一樣需通過此實(shí)驗(yàn)來探究離子反應(yīng)的本質(zhì)問題。受認(rèn)知能力發(fā)展的影響，學(xué)生對離子反應(yīng)的認(rèn)識并非一蹴而就，而是經(jīng)歷了由物質(zhì)到離子，由易及難，由現(xiàn)象到本質(zhì)的一個遞進(jìn)過程。手持技術(shù)的加入可以清楚地“觀察”到溶液內(nèi)部微粒的變化，與初中的復(fù)分解反應(yīng)相比，拓展和深化了學(xué)生對溶液中的化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識，提供了一種分析問題和解決問題的新視角，即從微觀離子角度認(rèn)識分析水溶液中物質(zhì)間的反應(yīng)。

使用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)手段做一點(diǎn)小小的嘗試，從微觀視角去審視一個實(shí)驗(yàn)、一個原理，揭示宏觀現(xiàn)象背后所隱含的微觀原理，能夠幫助學(xué)生更好地從分子、原子和離子層面上理解化學(xué)變化的本質(zhì)，更有效地提升學(xué)生的化學(xué)思維品質(zhì)。

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.02.032

文章編號：1008-0546（2016）02-0094-02

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B