康玉琴 韋存容

摘要：以"離子反應"教學為案例，基于電導率傳感器的數(shù)字化實驗，從數(shù)字化實驗的準備、操作、實驗圖像分析到符號表征的學習等過程中，強化學生對電解質(zhì)溶液中微粒種類和存在的認識，深化學生對微粒間相互作用及其變化的理解，從而理解離子反應的實質(zhì)，逐步引導學生發(fā)展和深化微粒觀。

關鍵詞：數(shù)字化實驗；微粒觀；離子反應

文章編號：1008-0546（2016）09-0085-02 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.029

微粒觀是化學基本觀念的重要組成部分，也是化學基本觀念中最基礎的部分之一。從微觀視角，認識和考察物質(zhì)世界是化學學習必備的思維方法，所以我們在教學中要注重學生“微粒觀”的構建和養(yǎng)成，促進學生從微觀的角度認識物質(zhì)的構成、性質(zhì)及其變化。數(shù)字化實驗為學生形成化學基本觀念提供直觀、真實的感性認識材料，對學生微粒觀的構建、發(fā)展和深化起著推動作用。本文以高中化學離子反應為例進行探討。

一、 準備數(shù)字化實驗，構建物質(zhì)微粒構成

1. 認識數(shù)字化實驗

數(shù)字化實驗是傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機（含配套軟件）組成的實驗系統(tǒng)，對實驗體系中某種（或某幾種）物理參數(shù)進行實時測量、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，一般用于研究化學本質(zhì)問題。具體過程是數(shù)據(jù)采集器采集和處理傳感器測量的物理參數(shù)，并傳給電腦，由專門軟件自動繪圖，數(shù)據(jù)和圖像可以保存在電腦中，也可直接在屏幕上投影。本實驗中，我們使用電導率傳感器，來測量溶液的電導率。溶液的電導率與溶液中離子導電能力的大小和濃度成正比，電導率的變化可以反映溶液中離子的變化。

2. 準備實驗用品

試劑：0.05mol/L CuSO4溶液、0.05 mol/LNa2SO4溶液、0.1 mol/L NaOH溶液，儀器：Vernier 電導率傳感器、Vernier LabPro 數(shù)據(jù)采集器、計算機、磁力攪拌器（磁子）、燒杯、酸式滴定管、堿式滴定管、滴定管夾、鐵架臺、50 mL燒杯等。

3. 重溫微粒的種類和存在

在準備實驗藥品時，學生可以觀察到硫酸銅溶液呈藍色、硫酸鈉溶液無色等宏觀現(xiàn)象。在初中化學學習中，學生已經(jīng)有了一定的微粒觀認識：物質(zhì)都是由原子、分子、離子等基本微粒構成的，微粒很小很小，肉眼無法看到。教師引導學生從微觀角度思考，不難分析出硫酸銅溶液中微粒的種類和存在（主要是Cu2+和SO42-，另外有少量的H+和OH-），逐步培養(yǎng)從微觀角度分析宏觀現(xiàn)象的思想。學生由此獲知組成物質(zhì)的微粒是客觀存在的，其存在形態(tài)、種類與所處環(huán)境有關。

二、進行數(shù)字化實驗，感悟微粒變化

1. 進行實驗操作

（1）將電導率傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計算機連接好。

（2）設置數(shù)據(jù)采集模式。打開數(shù)據(jù)采集軟件（Logger Pro），點擊菜單欄“實驗”選項，設置數(shù)據(jù)采集時間為1000s，每秒采集1個數(shù)據(jù)。

（3）空白組：在燒杯中裝入25 mL 0.05 mol/L CuSO4溶液，點擊“開始”按鈕開始采集數(shù)據(jù)，一段時間后點擊“停止”按鈕，結束實驗。點擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實驗數(shù)據(jù)進行保存。測得電導率，如附圖所示電導率一時間曲線Ⅰ。

（4）參照組：用堿式滴定管勻速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸餾水25 mL，點擊“開始”按鈕開始采集數(shù)據(jù)，一段時間后點擊“停止”按鈕，結束實驗。點擊“文件”菜單欄中的“另存為”按鈕，將實驗數(shù)據(jù)進行保存。獲得電導率一時間曲線Ⅱ。

（5）實驗組：用堿式滴定管勻速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1 mol/L NaOH溶液25 mL，重復（4）步驟，獲得電導率一時間曲線Ⅲ。

2. 觀察和分析微粒變化

原子、分子、離子等微觀粒子是我們?nèi)庋蹮o法看得到的，也摸不著的，數(shù)字化實驗測量電導率，能對微粒的存在進行定性和定量描述。硫酸銅溶液電導率的存在，讓學生認識到硫酸銅在水溶液中發(fā)生了電離，產(chǎn)生自由移動的離子，讓學生“看到”物質(zhì)在水溶液中是以離子、分子等微粒存在的。

硫酸銅溶液中加水稀釋、加氫氧化鈉溶液，從溶液電導率不斷變化和藍色沉淀生成的宏觀現(xiàn)象，而“看到”微粒不是靜止不動的，而是不斷運動和變化的。這樣幫助學生培養(yǎng)和建立正確的微粒觀，從微觀角度，分析溶液中微粒的變化，探討酸、堿、鹽在溶液中的變化。

三、解讀實驗圖像，認識微粒相互作用

教師應該利用數(shù)字化實驗產(chǎn)生的圖表、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)實驗事實，引導學生培養(yǎng)讀圖、分析和處理數(shù)據(jù)的能力，幫助學生了解現(xiàn)代實驗技術和手段，提高其學習化學的興趣和熱情。

1. 提出問題，思考微粒變化

問題往往能激發(fā)思維，促進思考。數(shù)字化實驗的數(shù)據(jù)及觀察到的宏觀現(xiàn)象讓我們看到微粒的不斷運動和變化，其中什么變了？也許數(shù)字化實驗記錄的圖像能給我們正確的解釋。我們能觀察到曲線Ⅰ平行于橫軸，即硫酸銅溶液中離子濃度一直不變，溶液是均一穩(wěn)定的；曲線Ⅱ電導率不斷減低（沒有降為0），顯示溶液中離子濃度不斷降低，這是向硫酸銅溶液中加水，各離子濃度降低；而曲線Ⅲ，展示的是向硫酸銅溶液中加氫氧化鈉溶液，生成藍色沉淀，電導率也隨之降低，說明微粒發(fā)生了變化。

2. 深度思考，認識微粒相互作用

曲線Ⅲ為什么先降低后升高？藍色沉淀的生成和電導率的減低，說明溶液發(fā)生反應，微粒間相互作用：Cu2+與OH-生成了沉淀，導致溶液中離子濃度減小。繼續(xù)加入過量氫氧化鈉溶液，溶液中離子濃度上升，電導率逐漸上升。

通過上述實驗，我們認識到水溶液中的反應是離子間相互作用，離子的結合和重組是構成物質(zhì)及其變化的根本原因，從而形成離子反應概念，并總結出離子反應的實質(zhì)：反應前后離子進行了重組、離子的種類和數(shù)量發(fā)生了變化。

從數(shù)字化實驗圖像顯示：曲線Ⅲ的電導率最低點處高于曲線Ⅱ，為什么呢？猜想：可能其他離子（Na+、SO42-）并未參與反應，仍然以離子形式存在于溶液中。如何證明你的猜想？如何檢驗硫酸根？從而提出取上層清液，向其中滴加BaCl2溶液的方法來驗證猜想。這是把新學的“離子反應”概念作為看問題的思路和方法，運用微粒間的相互作用，分析和解決實際問題，不斷豐富和深化對概念本質(zhì)的理解，從而實現(xiàn)觀念的構建和能力的提升。

四、運用符號表征，深化認識微粒觀

微粒觀作為一種化學基本觀念，是學生獲得的對化學總體性認識。它決定了學生對化學知識的理解深度和靈活應用程度，對提高學生的科學素養(yǎng)具有重要價值。

1. 學習符號表征，呈現(xiàn)微粒作用

通過離子方程式的書寫，學生可以從微觀角度正確理解物質(zhì)在水溶液的反應，認識離子反應的實質(zhì)；通過離子反應的真實現(xiàn)象，能正確認識和理解離子反應的概念；從而進一步掌握用離子符號、化學式表征離子反應，書寫出正確的離子方程式。

學生在正確認識了溶液反應實質(zhì)的基礎上，用化學語言來描述離子間的反應，脫離了化學方程式的束縛，使學生在以后的學習中能夠運用離子反應的觀點來分析問題。

2. 運用微粒作用，深化概念認識

舉例說明在水溶液中能夠發(fā)生上述離子反應（Cu2++2OH-Cu（OH）2↓）的化學反應有哪些？這是從微觀的角度，從微粒的種類、微粒的存在、微粒的數(shù)量、微粒的變化以及微粒間的相互作用等層面，形成對參與化學反應的物質(zhì)及其變化的認識，是學生在知識積累后認識上質(zhì)的飛躍。

此過程可以幫助學生完善知識建構，逐步建立起從微觀角度分析水溶液中反應的思路和方法，培養(yǎng)新情境下解決實際問題的能力，從而形成化學觀念。

在“離子反應”的教學中，以數(shù)字化實驗為支撐，將水溶液中微粒的存在和種類、部分微粒相互作用、引起的變化以及變化的結果等作為培養(yǎng)學生微粒觀的認識線索，建構“離子反應”概念，認識酸堿鹽在水溶液中的反應實質(zhì)。這樣使學生對化學的認識實現(xiàn)從宏觀向微觀、從現(xiàn)象向本質(zhì)、從定性向定量的轉變，豐富和發(fā)展學生分析問題的能力，逐漸實現(xiàn)具體概念性學習轉化為觀念性學習。

化學微粒觀的構建是一個系統(tǒng)而漸進的過程，其中微粒的構成是微粒觀的基礎，微粒的變化和作用是微粒觀的核心和關鍵。由于微粒的抽象性，在教學過程中，教師應根據(jù)學生的認知水平，把握教學內(nèi)容的層次性和階梯性，充分運用數(shù)字化實驗的直觀性和再現(xiàn)性，建立宏觀和微觀的聯(lián)系，構建微觀觀念；還要善于挖掘教材中微粒觀知識資源，分析知識的來龍去脈，以觀念為本進行化學教學，引導學生從微觀角度去掌握化學知識的實質(zhì)，逐步豐富和深化微粒觀。

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