基于数字化实验，深化微粒观认识

康玉琴 韦存容

摘要：以"离子反应"教学为案例，基于电导率传感器的数字化实验，从数字化实验的准备、操作、实验图像分析到符号表征的学习等过程中，强化学生对电解质溶液中微粒种类和存在的认识，深化学生对微粒间相互作用及其变化的理解，从而理解离子反应的实质，逐步引导学生发展和深化微粒观。

关键词：数字化实验；微粒观；离子反应

文章编号：1008-0546（2016）09-0085-02 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.029

微粒观是化学基本观念的重要组成部分，也是化学基本观念中最基础的部分之一。从微观视角，认识和考察物质世界是化学学习必备的思维方法，所以我们在教学中要注重学生“微粒观”的构建和养成，促进学生从微观的角度认识物质的构成、性质及其变化。数字化实验为学生形成化学基本观念提供直观、真实的感性认识材料，对学生微粒观的构建、发展和深化起着推动作用。本文以高中化学离子反应为例进行探讨。

一、 准备数字化实验，构建物质微粒构成

1. 认识数字化实验

数字化实验是传感器、数据采集器和计算机（含配套软件）组成的实验系统，对实验体系中某种（或某几种）物理参数进行实时测量、数据采集和数据分析，一般用于研究化学本质问题。具体过程是数据采集器采集和处理传感器测量的物理参数，并传给电脑，由专门软件自动绘图，数据和图像可以保存在电脑中，也可直接在屏幕上投影。本实验中，我们使用电导率传感器，来测量溶液的电导率。溶液的电导率与溶液中离子导电能力的大小和浓度成正比，电导率的变化可以反映溶液中离子的变化。

2. 准备实验用品

试剂：0.05mol/L CuSO4溶液、0.05 mol/LNa2SO4溶液、0.1 mol/L NaOH溶液，仪器：Vernier 电导率传感器、Vernier LabPro 数据采集器、计算机、磁力搅拌器（磁子）、烧杯、酸式滴定管、碱式滴定管、滴定管夹、铁架台、50 mL烧杯等。

3. 重温微粒的种类和存在

在准备实验药品时，学生可以观察到硫酸铜溶液呈蓝色、硫酸钠溶液无色等宏观现象。在初中化学学习中，学生已经有了一定的微粒观认识：物质都是由原子、分子、离子等基本微粒构成的，微粒很小很小，肉眼无法看到。教师引导学生从微观角度思考，不难分析出硫酸铜溶液中微粒的种类和存在（主要是Cu2+和SO42-，另外有少量的H+和OH-），逐步培养从微观角度分析宏观现象的思想。学生由此获知组成物质的微粒是客观存在的，其存在形态、种类与所处环境有关。

二、进行数字化实验，感悟微粒变化

1. 进行实验操作

（1）将电导率传感器、数据采集器与计算机连接好。

（2）设置数据采集模式。打开数据采集软件（Logger Pro），点击菜单栏“实验”选项，设置数据采集时间为1000s，每秒采集1个数据。

（3）空白组：在烧杯中装入25 mL 0.05 mol/L CuSO4溶液，点击“开始”按钮开始采集数据，一段时间后点击“停止”按钮，结束实验。点击“文件”菜单栏中的“另存为”按钮，将实验数据进行保存。测得电导率，如附图所示电导率一时间曲线Ⅰ。

（4）参照组：用碱式滴定管匀速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸馏水25 mL，点击“开始”按钮开始采集数据，一段时间后点击“停止”按钮，结束实验。点击“文件”菜单栏中的“另存为”按钮，将实验数据进行保存。获得电导率一时间曲线Ⅱ。

（5）实验组：用碱式滴定管匀速向25 mL 0.05 mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1 mol/L NaOH溶液25 mL，重复（4）步骤，获得电导率一时间曲线Ⅲ。

2. 观察和分析微粒变化

原子、分子、离子等微观粒子是我们肉眼无法看得到的，也摸不着的，数字化实验测量电导率，能对微粒的存在进行定性和定量描述。硫酸铜溶液电导率的存在，让学生认识到硫酸铜在水溶液中发生了电离，产生自由移动的离子，让学生“看到”物质在水溶液中是以离子、分子等微粒存在的。

硫酸铜溶液中加水稀释、加氢氧化钠溶液，从溶液电导率不断变化和蓝色沉淀生成的宏观现象，而“看到”微粒不是静止不动的，而是不断运动和变化的。这样帮助学生培养和建立正确的微粒观，从微观角度，分析溶液中微粒的变化，探讨酸、碱、盐在溶液中的变化。

三、解读实验图像，认识微粒相互作用

教师应该利用数字化实验产生的图表、数据呈现实验事实，引导学生培养读图、分析和处理数据的能力，帮助学生了解现代实验技术和手段，提高其学习化学的兴趣和热情。

1. 提出问题，思考微粒变化

问题往往能激发思维，促进思考。数字化实验的数据及观察到的宏观现象让我们看到微粒的不断运动和变化，其中什么变了？也许数字化实验记录的图像能给我们正确的解释。我们能观察到曲线Ⅰ平行于横轴，即硫酸铜溶液中离子浓度一直不变，溶液是均一稳定的；曲线Ⅱ电导率不断减低（没有降为0），显示溶液中离子浓度不断降低，这是向硫酸铜溶液中加水，各离子浓度降低；而曲线Ⅲ，展示的是向硫酸铜溶液中加氢氧化钠溶液，生成蓝色沉淀，电导率也随之降低，说明微粒发生了变化。

2. 深度思考，认识微粒相互作用

曲线Ⅲ为什么先降低后升高？蓝色沉淀的生成和电导率的减低，说明溶液发生反应，微粒间相互作用：Cu2+与OH-生成了沉淀，导致溶液中离子浓度减小。继续加入过量氢氧化钠溶液，溶液中离子浓度上升，电导率逐渐上升。

通过上述实验，我们认识到水溶液中的反应是离子间相互作用，离子的结合和重组是构成物质及其变化的根本原因，从而形成离子反应概念，并总结出离子反应的实质：反应前后离子进行了重组、离子的种类和数量发生了变化。

从数字化实验图像显示：曲线Ⅲ的电导率最低点处高于曲线Ⅱ，为什么呢？猜想：可能其他离子（Na+、SO42-）并未参与反应，仍然以离子形式存在于溶液中。如何证明你的猜想？如何检验硫酸根？从而提出取上层清液，向其中滴加BaCl2溶液的方法来验证猜想。这是把新学的“离子反应”概念作为看问题的思路和方法，运用微粒间的相互作用，分析和解决实际问题，不断丰富和深化对概念本质的理解，从而实现观念的构建和能力的提升。

四、运用符号表征，深化认识微粒观

微粒观作为一种化学基本观念，是学生获得的对化学总体性认识。它决定了学生对化学知识的理解深度和灵活应用程度，对提高学生的科学素养具有重要价值。

1. 学习符号表征，呈现微粒作用

通过离子方程式的书写，学生可以从微观角度正确理解物质在水溶液的反应，认识离子反应的实质；通过离子反应的真实现象，能正确认识和理解离子反应的概念；从而进一步掌握用离子符号、化学式表征离子反应，书写出正确的离子方程式。

学生在正确认识了溶液反应实质的基础上，用化学语言来描述离子间的反应，脱离了化学方程式的束缚，使学生在以后的学习中能够运用离子反应的观点来分析问题。

2. 运用微粒作用，深化概念认识

举例说明在水溶液中能够发生上述离子反应（Cu2++2OH-Cu（OH）2↓）的化学反应有哪些？这是从微观的角度，从微粒的种类、微粒的存在、微粒的数量、微粒的变化以及微粒间的相互作用等层面，形成对参与化学反应的物质及其变化的认识，是学生在知识积累后认识上质的飞跃。

此过程可以帮助学生完善知识建构，逐步建立起从微观角度分析水溶液中反应的思路和方法，培养新情境下解决实际问题的能力，从而形成化学观念。

在“离子反应”的教学中，以数字化实验为支撑，将水溶液中微粒的存在和种类、部分微粒相互作用、引起的变化以及变化的结果等作为培养学生微粒观的认识线索，建构“离子反应”概念，认识酸碱盐在水溶液中的反应实质。这样使学生对化学的认识实现从宏观向微观、从现象向本质、从定性向定量的转变，丰富和发展学生分析问题的能力，逐渐实现具体概念性学习转化为观念性学习。

化学微粒观的构建是一个系统而渐进的过程，其中微粒的构成是微粒观的基础，微粒的变化和作用是微粒观的核心和关键。由于微粒的抽象性，在教学过程中，教师应根据学生的认知水平，把握教学内容的层次性和阶梯性，充分运用数字化实验的直观性和再现性，建立宏观和微观的联系，构建微观观念；还要善于挖掘教材中微粒观知识资源，分析知识的来龙去脉，以观念为本进行化学教学，引导学生从微观角度去掌握化学知识的实质，逐步丰富和深化微粒观。

参考文献

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