汪允躍

(安徽省蒙城縣第二中學(xué) 233500)

2017版普通高中化學(xué)課程標準對“分子間作用”提出了具體的學(xué)習(xí)目標與要求：使學(xué)生能夠清楚認知分子間所存在的相互作用，明晰范德華力、氫鍵是較為普遍存在的分子間作用力.本文中所提出的“可視化”并不是簡易的將文字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表等易于觀測形式的方式，而是以數(shù)據(jù)為載體，結(jié)合可視化的手段，用更加鮮明、直觀的方式，提升學(xué)生對已學(xué)知識的理解能力.在這一過程中，知識可視化有兩個概念解讀：一是將人腦中所存在的隱形知識轉(zhuǎn)化為易于表達的顯性知識；二是在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中建立認知網(wǎng)絡(luò)，將抽象與實際相結(jié)合.

1 分子間作用力教學(xué)設(shè)計

本節(jié)課基于對化學(xué)鍵知識的介紹，進一步對分子間的作用力進行深入研究.本節(jié)課的教學(xué)目標具體如下：

(1)使學(xué)生清晰了解在分子間普遍存在著相互作用力，了解分子間相互作用力的類型，能夠了解范德力、氫鍵的具體定義.

(2)能夠了解、歸納對范德華力產(chǎn)生影響的因素以及范德華力的具體特點，能夠知道氫鍵的具體形成條件、其方向性與飽和性特征.

(3)能夠認知、對比化學(xué)鍵、范德化力及氫鍵之間的差異，以及范德華力對物質(zhì)的化學(xué)特征，例如沸點、熔點等的影響.

(4)在對影響范德華力產(chǎn)生影響因素進行分析的過程中，應(yīng)該詳細比對化學(xué)鍵、氫鍵間、及范德華力中存在的差異性因素，以提升學(xué)生對數(shù)據(jù)分析、歸納與推理、論證的化學(xué)素養(yǎng).

(5)依據(jù)可視化實驗的方法將較為抽象的氫鍵知識進行直觀化表達，有效強化學(xué)生從微觀角度認知化學(xué)物質(zhì)的推理能力，加深對“微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性質(zhì)”這一基本觀念的認識.

2 通過可視實驗，微觀表征分子間作用力的存在

以基本微粒角度為視域，分子之間在化學(xué)反應(yīng)過程中存在的相互作用具體是指分子間的相互作用力，在結(jié)構(gòu)架構(gòu)上，分子由若干原子構(gòu)成，而化學(xué)鍵可以將原本分散的原子進行結(jié)合，并且將粒度較大的分子進行聚合，在這一過程中，促使原子、分子形成固定形狀(液體、固體)的作用力便為分子間的相互作用力.

2.1 數(shù)字化實驗基本原理

在將某一液體(例如酒精)敞開瓶口在外界放置一段時間后，其總體的體積將會顯著減少，這種性質(zhì)便為揮發(fā)性.液體中的部分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程便為蒸發(fā)，以微觀視域進行分析，在一個分子接觸液體表面時，其具備著適宜的空間運動方向與充足的動能，該分子在兩者的加持下便可掙脫鄰近分子，脫離現(xiàn)存的周圍環(huán)境，該分子由此從穩(wěn)定的液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?在這一過程中，分子間的相互作用力會顯著對液態(tài)物質(zhì)的揮發(fā)性強弱產(chǎn)生直接影響.由于在這一過程中高能量分子會逐漸消失，周圍剩余分子的總體動能便會降低，在宏觀層面便會表現(xiàn)為物質(zhì)溫度的降低，其揮發(fā)的速率也會隨之降低.

由以上論述可知：分子間作用力的整體強弱與液體揮發(fā)性呈現(xiàn)顯著的正比關(guān)系.所以在針對學(xué)生的教學(xué)過程中，可以通過溫度來間接反映分子間相互作用力的強弱，以此提升對抽象概念的可學(xué)習(xí)性.

2.2 數(shù)字化實驗基本裝置

將封閉的試管、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計算機相連接，如圖1所示，4支試管中分別盛裝10mL甲醇、乙醇正丙醇、正丁醇.

圖1

2.3 數(shù)字化實驗基本步驟

將數(shù)學(xué)化學(xué)實驗裝置在配置完成后與電腦顯示終端相連接.之后打開蘇威爾數(shù)字化實驗系統(tǒng)，等待溫度數(shù)值穩(wěn)定在10s左右后，點擊檢測按鈕進行檢測，同時將4個溫度傳感器固定在鐵架臺上，對顯示在電腦終端的溫度變化曲線進行詳細觀察(如圖2所示).圖2中曲線①～④依次為甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇四種液體揮發(fā)時的溫度變化情況.

圖2

2.4 數(shù)字化實驗基本結(jié)論

直觀檢測數(shù)據(jù)顯示，通過電腦終端的數(shù)據(jù)曲線可以顯著反應(yīng)不同性質(zhì)液體在進行揮發(fā)過程中溫度變化幅度的不一致.利用此規(guī)律，可以有效調(diào)動學(xué)生對相關(guān)化學(xué)問題的積極研究性，進一步設(shè)置問題關(guān)聯(lián)串(見表1)，以問題串聯(lián)的方式引導(dǎo)學(xué)生進行聯(lián)動學(xué)習(xí)與記憶.

表1

首先由教師給出4種物質(zhì)的不同模型，并對四種醇的差異性分子結(jié)構(gòu)進行比對從而得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)類似的分子，會在其自身分子質(zhì)量增加的同時，阻礙其自身的可揮發(fā)性.由于分子間的作用力存在于分子間，因此在分子間的距離發(fā)生細微變化時，其相互作用力也會隨之發(fā)生變化.

3 利用認知沖突，直觀分析特殊分子間作用力——氫鍵的存在

利用上述課程教學(xué)經(jīng)驗，進一步深入探究、設(shè)置數(shù)字化實驗教學(xué)，以對氫鍵的存在進行揭示：將2只溫度傳感器的探頭分步驟深入到正丁醇、正己烷中，在同時將兩者取出后，采用同上述步驟相同的方式對兩種物質(zhì)在進行揮發(fā)時的溫度變化的差異程度進行對比，由此可以得到溫度的變化曲線(如圖3所示).同樣，利用現(xiàn)實生成的資源與學(xué)生傳統(tǒng)認知之間的差異，可以引導(dǎo)學(xué)生深入思考化學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑思維，進一步設(shè)置問題串(見表2)，以接力的形式帶動課堂研究.

圖3

表2

在兩種物質(zhì)進行揮發(fā)的過程中，其相互的溫度變化曲線總體差異性較大，對其分別進行計算，發(fā)現(xiàn)其相對分子質(zhì)量分別為74、86，將其與之前進行討論的結(jié)果相對得出，正己烷相對分子質(zhì)量更大，根據(jù)上文所述規(guī)律，其分子間的相互作用力更大，揮發(fā)速度因此更慢，而實驗結(jié)果卻與之顯著相反，由此可推出其中存在著較多的氫鍵，并且氫鍵的相互作用力要顯著強于分子間的相互作用力.

在對化學(xué)知識的學(xué)習(xí)過程中，需要對學(xué)科知識的基本屬性進行關(guān)注，同時又不能忽視質(zhì)疑思維.在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)通過多維度的知識分析方法，多視角的思考方式，培養(yǎng)自身的化學(xué)認知思維.在本次分子間相互作用力的學(xué)習(xí)過程中，從其基礎(chǔ)概念出發(fā)，清晰了解作用力的客觀存在，并進一步通過數(shù)字化化學(xué)實驗使學(xué)生真實感受到作用力的存在，最后通過數(shù)據(jù)結(jié)果與傳統(tǒng)認知的對比差異，凸顯在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中思辨能力的重要性.

在化學(xué)教學(xué)中，由于缺乏實際的教學(xué)案例導(dǎo)致一些關(guān)于化學(xué)物質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)的知識具有抽象與復(fù)雜性，部分教師選擇口頭講述、學(xué)生被動理解的方式，這種教學(xué)方式降低了學(xué)生的思辨能力，很容易產(chǎn)生對教師知識闡述的依賴性.而利用數(shù)字化實驗的教學(xué)方式，可以將抽象知識轉(zhuǎn)化為具體，加深學(xué)生對微觀物質(zhì)的認知與理解，能夠有效使學(xué)生接觸化學(xué)、走進化學(xué)、理解化學(xué)，提高科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)品性.在本文中，將數(shù)字化實驗方法融入到關(guān)于分子間作用力的教學(xué)中，能夠使學(xué)習(xí)者更加直接、有效地掌握所學(xué)知識，提升認知深度，養(yǎng)成以化學(xué)實踐解決化學(xué)問題的良好科學(xué)習(xí)慣.