基于数字化实验，深化微粒观认识

韦存容

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。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深化，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”教学为例进行探讨。

一、准备数字化实验，重温微粒构成观

1.认识数字化实验

数字化实验是指利用传感器、数据采集器和计算机（含配套软件）进行的实验。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的导电能力大小和浓度有关，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/LCuSO4溶液、0.1mol/LNaOH溶液。

仪器：Vernier电导率传感器、VernierLabPro数据采集器、计算机、磁力搅拌器（磁子）、碱式滴定管、滴定管夹、铁架台、50mL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CuSO4溶液呈蓝色、NaOH溶液呈无色等宏观现象。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，肉眼难以看到。教师引导学生从微观角度思考，不难分析出CuSO4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维习惯。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，感悟微粒变化观

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。

（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25ml0.05mol/LCuSO4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。获得电导率—时间曲线I。

（4）参照组：用碱式滴定管匀速向25ml0.05mol/L CuSO4，溶液中滴入蒸馏水25ml，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—时间曲线II。

（5）实验组：用碱式滴定管匀速向25ml0.05mol/L CuSO4，溶液中滴入0.1mol/LNaOH溶液25ml，再重复（4）步骤。获得电导率—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观察到的。利用数字化实验测量溶液的电导率，能对微粒的存在进行定性和定量的描述。从测得CuSO4溶液中电导率的存在，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，“看到”物质在水溶液中是以离子、分子等微粒形式存在的。

在向CuSO4溶液中分别加蒸馏水、NaOH溶液这两个实验中，学生从溶液电导率的不断变化和蓝色沉淀生成等宏观现象，“看到”微粒不是静止不动的，而是不断运动和变化的。这样的实验帮助学生培养正确的微粒观，从微观角度分析溶液中微粒的变化。

三、解读实验图像，发展微粒作用观

数字化实验产生的图表、数据呈现实验事实，教师应该引导学生培养读图、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答案。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电导率不断降低，这是由于向硫酸铜溶液中加水，各离子浓度降低；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，电导率也随之发生变化，说明微粒发生了变化。

2.深度思考，发展微粒作用观

曲线III为什么先降低？蓝色沉淀的生成和电导率的降低，说明溶液发生反应，即微粒间相互作用：Cu2+与OH-生成了沉淀，导致溶液中离子浓度降低。

曲线III先降低，有没有降低到0？溶液的电导率没有降到0，说明溶液中只是部分离子参与了反应，而另一些离子没有参与反应。曲线III为什么后来又上升？向溶液中继续加入过量氢氧化钠溶液，溶液中Na+和OH-离子浓度升高，电导率逐渐上升。

曲线III中电导率最低点是哪些离子没有参加反应？是Na+、SO42-？如何证明你的猜想？如何检验SO42-？针对这些问题，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。

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：反应前后某些离子进行了重组，离子的种类和数量发生了变化。

四、运用符号表征，深化微粒观认识

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

用化学用语正确地表示以上实验中的离子反应：Cu2++2OH-=Cu（OH）2↓。学生初步认识到离子方程式的真正含义：用实际参加反应的物质在水溶液中的存在形式来表示溶液中化学反应的式子。

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；通過离子反应的真实现象，学生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，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？这个问题是从微观的角度，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的质的飞跃。

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，教师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，认识复分解反应实质。这样能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。由于微粒具有抽象性，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。