談“分子運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”的細(xì)化和改進(jìn)

摘 要：筆者通過自己多年的一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)下社會對學(xué)生能力的要求，對化學(xué)教材中“分子運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”提出一些教學(xué)建議。對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的細(xì)化和改進(jìn)，以便充分利用“活動(dòng)與探究”這些教學(xué)素材，突破教學(xué)的難點(diǎn)，落實(shí)對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：分子運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)；細(xì)化；改進(jìn)；實(shí)踐；興趣培養(yǎng)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》明確指出：“義務(wù)教育階段的化學(xué)課程以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為主旨。”現(xiàn)代社會飛速發(fā)展的科學(xué)技術(shù)同樣要求青年學(xué)生具備獨(dú)立思考、探索未知領(lǐng)域的能力。這種能力的培養(yǎng)并不局限于高等教育，而是要從基礎(chǔ)教育抓起。九年制義務(wù)教育是學(xué)生獲取知識的一個(gè)重要開端，也培養(yǎng)了其基本的學(xué)習(xí)習(xí)慣，在學(xué)生的一生中至關(guān)重要。因此，在教學(xué)中教師不僅僅要傳授學(xué)生知識，同時(shí)也要充分發(fā)揮主導(dǎo)引領(lǐng)作用，落實(shí)對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。

人教版九年級化學(xué)教材中有多處學(xué)生的“活動(dòng)與探究”，但是許多探究實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上局限于其要突破的教學(xué)難點(diǎn)，主要是有針對性地突出一個(gè)目的，強(qiáng)調(diào)結(jié)果大于過程，若直接按照教材教學(xué)則容易存在設(shè)計(jì)上相對單一，在知識形成的層次與銜接上有所欠缺等問題，尤其一些基礎(chǔ)較薄弱的學(xué)生理解起來較困難。而一個(gè)合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)該可以恰到好處地幫助學(xué)生理解化學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)解決問題的能力，還可以讓學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程，感受不斷提出問題再不斷解決問題的喜悅，掌握科學(xué)探究的方法。

以第三單元課題一中的探究“分子運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象”為例，為了突出“分子在不停地運(yùn)動(dòng)”，教材設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：

1.向盛有約20 mL蒸餾水的小燒杯A中加入5～6滴酚酞溶液，攪拌均勻，觀察溶液的顏色。

2.從燒杯A中取少量溶液置于試管中，向其中慢慢滴加濃氨水，觀察溶液顏色有什么變化。

3.另取一個(gè)小燒杯B，加入約5 mL濃氨水。用一個(gè)大燒杯或水槽罩住A、B兩個(gè)小燒杯（如圖1）。觀察幾分鐘，有什么現(xiàn)象發(fā)生？你能解釋這一現(xiàn)象嗎？

此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的步驟簡單，如果就按照這三個(gè)步驟來完成演示實(shí)驗(yàn)，效果可能不太好。學(xué)生在接觸這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)才剛剛開始學(xué)習(xí)化學(xué)，而且對于實(shí)驗(yàn)中涉及的化學(xué)試劑相對陌生，因此對于步驟1中為什么要在蒸餾水中滴入酚酞溶液，步驟2中為什么又要滴濃氨水，步驟3中為什么要罩大燒杯，燒杯A中的酚酞溶液變紅，而燒杯B中的濃氨水卻不變紅等問題的理解有困難，很難想象到氨分子的存在和運(yùn)動(dòng)，這樣既突破不了本節(jié)課的難點(diǎn)，也不能充分利用“活動(dòng)與探究”這些教學(xué)素材培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力。除了氨分子的擴(kuò)散過程不明顯，不便于學(xué)生觀察，此實(shí)驗(yàn)中將濃氨水放置在敞口的燒杯中，教室里會彌漫難聞的有刺激性氣味的氨氣，不僅會污染空氣也不利于師生健康，而且所用濃氨水的量比較大，也沒有探究溫度對分子運(yùn)動(dòng)速率的影響。針對這些問題，筆者將教學(xué)過程細(xì)化改進(jìn)如下：

一、層層設(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生思維活動(dòng)不斷深入，提高學(xué)生的思維能力

【設(shè)置情境】筆者首先出示盛有酚酞溶液和濃氨水的試劑瓶，觀察其色態(tài)并介紹其組成。分別在燒杯A、B上貼上標(biāo)簽“酚酞溶液A”“濃氨水B”，并從兩個(gè)試劑瓶中取約等體積的酚酞溶液和濃氨水分別滴到燒杯A、B中，用大燒杯將兩個(gè)小燒杯A、B罩住（如圖2）。引導(dǎo)學(xué)生從明顯到細(xì)微、敏銳而仔細(xì)地觀察燒杯A中的酚酞溶液是由上而下一點(diǎn)點(diǎn)逐漸變紅的，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生回憶品紅在水中的擴(kuò)散現(xiàn)象，思考是否有相似性，想象是什么物質(zhì)在向酚酞溶液中擴(kuò)散。

【提出問題】筆者引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注藥品、儀器、步驟、現(xiàn)象等，鼓勵(lì)學(xué)生由淺入深、由表及里、具體全面、多角度地敢于提出問題，會提問題。以下五個(gè)問題是筆者在課堂教學(xué)中所記錄下來的學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之后所提出的問題：

①酚酞溶液為什么變紅？

②濃氨水為什么不變色？

③此過程是化學(xué)變化嗎？

④為什么要選濃氨水來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)？要達(dá)到相同的目的還可以選擇什么藥品？

⑤為什么要罩大燒杯？

要回答這些問題，首先要分析酚酞溶液變紅的可能性。

合理科學(xué)的猜想與假設(shè)，既把提出的問題細(xì)化為可通過實(shí)驗(yàn)解決的具體問題，同時(shí)也是下一步確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)。

【做出猜想】提示學(xué)生應(yīng)從事物變化的內(nèi)因和外因兩方面考慮，引導(dǎo)學(xué)生由近及遠(yuǎn)、由內(nèi)而外有順序地尋找所有與酚酞溶液接觸而可能使其變紅的原因：

①酚酞溶液變紅，與周圍的其他物質(zhì)無關(guān)，是自己變紅的；

②空氣與酚酞溶液接觸使其變紅；

③大燒杯內(nèi)壁上附著的物質(zhì)使酚酞溶液變紅；

④濃氨水使酚酞溶液變紅，但氨水是氨氣溶于水的混合物，究竟是氨水中的水使酚酞溶液變紅呢？還是氨氣溶于水后使酚酞溶液變紅呢？

二、全面體驗(yàn)完整的科學(xué)探究過程，使科學(xué)探究的一般過程根植于學(xué)生的意識中

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑佟刻骄糠犹芤鹤兗t，與周圍的其他物質(zhì)有關(guān)，不是自己變紅的。

【設(shè)計(jì)方案①】另取一個(gè)與A規(guī)格相同的燒杯C，倒入與A燒杯中約等體積的酚酞溶液，在空氣中靜置一段時(shí)間，再觀察。

……

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑凇刻骄靠諝馐欠衲苁狗犹芤鹤兗t。

【設(shè)計(jì)方案②】學(xué)生Ⅰ、學(xué)生Ⅱ設(shè)計(jì)的方案如下：

【反思①②】這兩個(gè)環(huán)節(jié)有必要做嗎？因?yàn)樵噭┢恐械姆犹芤罕緛砭团c空氣接觸，且已放置一段時(shí)間了，但是并沒有變紅。教師之所以這樣設(shè)置這些問題，是希望引導(dǎo)學(xué)生形成一套系統(tǒng)、全面、有序地分析問題、解決問題的思維習(xí)慣，深刻領(lǐng)悟科學(xué)探究的一般過程。

三、強(qiáng)化學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力

明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖窃O(shè)計(jì)與進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。要做什么實(shí)驗(yàn)，怎樣做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，需要哪些藥品和儀器，怎樣進(jìn)行操作及為什么要這樣操作，重點(diǎn)觀察什么現(xiàn)象，所有的環(huán)節(jié)都是圍繞實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹檫_(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆?wù)的。

1.把提出的問題細(xì)化為可通過實(shí)驗(yàn)解決的具體問題

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑邸刻骄看鬅瓋?nèi)壁上附著的物質(zhì)是否能使酚酞溶液變紅。

【設(shè)計(jì)方案③】學(xué)生Ⅲ設(shè)計(jì)：把大燒杯拿下清洗后再罩住A、B燒杯；學(xué)生Ⅳ設(shè)計(jì)：取走大燒杯，不要罩在兩個(gè)小燒杯上面；學(xué)生Ⅴ設(shè)計(jì)：換另一個(gè)同規(guī)格的大燒杯罩住A、B燒杯；學(xué)生Ⅵ設(shè)計(jì)：把大燒杯正放，向其中滴入濃氨水，振蕩。學(xué)生分組討論比較哪個(gè)方案好。顯然，學(xué)生Ⅵ的設(shè)計(jì)最合理。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑堋刻骄繚獍彼欠衲苁狗犹芤鹤兗t。

【設(shè)計(jì)方案④】另取一個(gè)與A規(guī)格相同的燒杯E，倒入與A燒杯中約等體積的酚酞溶液，滴入濃氨水。E燒杯中酚酞溶液變紅，而且與A燒杯內(nèi)酚酞溶液變紅的現(xiàn)象完全相同，說明酚酞溶液變紅與濃氨水有關(guān)。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑荨刻骄克欠衲苁狗犹芤鹤兗t。

【設(shè)計(jì)方案⑤】學(xué)生Ⅶ、學(xué)生Ⅷ設(shè)計(jì)的方案如下：

有的同學(xué)提出關(guān)于“水是否能使酚酞溶液變紅”不必驗(yàn)證，因?yàn)榉犹芤褐芯陀兴?/p>

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑蕖刻骄糠犹芤鹤兗t與氨氣有關(guān)。

【設(shè)計(jì)方案⑥】制取氨氣并通入酚酞溶液中，F(xiàn)燒杯中酚酞溶液變紅，而且與A燒杯內(nèi)酚酞溶液變紅的現(xiàn)象完全相同。

【實(shí)驗(yàn)結(jié)論⑥】酚酞溶液變紅與氨氣有關(guān)。

2.對比實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何控制變量

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑凇刻骄靠諝馐欠衲苁狗犹芤鹤兗t。

【設(shè)計(jì)方案②】學(xué)生Ⅰ、學(xué)生Ⅱ設(shè)計(jì)的方案如下：

同學(xué)們通過分析討論Ⅰ、Ⅱ兩位學(xué)生方案的不同，認(rèn)為學(xué)生Ⅱ方案更好。這個(gè)大燒杯的增加，使學(xué)生注意到了在對比實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，要全面考慮影響因素，并控制變量相同。

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康蘑荨刻骄克欠衲苁狗犹芤鹤兗t。

【設(shè)計(jì)方案⑤】學(xué)生Ⅶ、學(xué)生Ⅷ設(shè)計(jì)的方案如下：

學(xué)生Ⅶ和學(xué)生Ⅷ實(shí)驗(yàn)方案的對比，與學(xué)生Ⅰ和學(xué)生Ⅱ很相似，再次強(qiáng)化在對比實(shí)驗(yàn)中確定控制變量的思路。但是，有同學(xué)提出，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，學(xué)生Ⅶ的設(shè)計(jì)方案更簡單，完全能說明問題。

四、對于實(shí)驗(yàn)的反思

對初學(xué)化學(xué)的學(xué)生來說，這個(gè)實(shí)驗(yàn)最后的分析也較難理解。教師引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)化學(xué)知識一步步、一層層由淺入深認(rèn)識物質(zhì)及其變化的本質(zhì)和內(nèi)在規(guī)律性，使學(xué)生的思維從表象到本質(zhì)，從感性認(rèn)識到理性認(rèn)識，產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

酚酞溶液變紅與氨氣有關(guān)，但酚酞溶液和氨水分隔放置在燒杯A與燒杯B里，那么，溶在水中的氨氣是如何從燒杯B進(jìn)入燒杯A中的呢？氨氣由大量氨分子構(gòu)成，氨分子不斷運(yùn)動(dòng)。教師要引導(dǎo)學(xué)生想象分子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，如果沒有大燒杯罩著，氨分子會向四處無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，進(jìn)到燒杯A中的機(jī)會很少，罩了大燒杯后，大燒杯內(nèi)氨氣的濃度增大，進(jìn)到燒杯A中的機(jī)會增大（學(xué)生很容易理解大燒杯的作用，從而找到它的替代品水槽）。運(yùn)動(dòng)到燒杯A中的氨分子溶于水，發(fā)生一系列反應(yīng)形成氨水，氨水又和酚酞溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使其變紅。因?yàn)樵跓瑼中氨分子是由上而下運(yùn)動(dòng)，反應(yīng)是由上而下逐漸進(jìn)行的，所以酚酞溶液就由上而下一點(diǎn)點(diǎn)逐漸變紅。

燒杯A中酚酞溶液變紅，是因?yàn)榘狈肿舆\(yùn)動(dòng)到酚酞溶液中，彼此接觸后發(fā)生反應(yīng)使其變紅的。反之，燒杯B中濃氨水不變紅，說明酚酞溶液和濃氨水沒有發(fā)生反應(yīng)，是因?yàn)槎邲]有接觸，說明酚酞分子沒有進(jìn)入濃氨水中。可見，氨分子不僅在不停運(yùn)動(dòng)，而且比酚酞分子運(yùn)動(dòng)速率要快得多，不同分子運(yùn)動(dòng)速率是不同的。

酚酞溶液是一種酸堿指示劑，遇到堿溶液會變紅，濃氨水就是一種堿溶液，而食醋不是堿，所以在此實(shí)驗(yàn)中不能用食醋代替濃氨水。教師要引導(dǎo)學(xué)生分析如果要找此實(shí)驗(yàn)的替換品，應(yīng)該滿足的條件是什么。在學(xué)生學(xué)完“酸的性質(zhì)”后，容易找到具有揮發(fā)性的濃鹽酸（或醋酸）代替濃氨水，用石蕊溶液代替酚酞溶液，也能達(dá)到相同的效果。

五、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

濃氨水強(qiáng)烈的刺激性氣味，讓學(xué)生對濃氨水的揮發(fā)性印象深刻，但也退避三舍。教師可引導(dǎo)學(xué)生改成密閉裝置，避免空氣污染（如學(xué)生Ⅰ設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖15所示）。再根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)的速率與溫度有關(guān)，要加快觀察到此實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，教師可引導(dǎo)學(xué)生選擇溫度更高或者濃度更高的氨水（如學(xué)生Ⅱ設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖16所示，把盛有濃氨水的試管放在盛有熱水的燒杯中）。

為了節(jié)約藥品，減少污染，教師可引導(dǎo)學(xué)生選擇使用更少的試劑。如學(xué)生Ⅲ設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖17所示，在錐形瓶里的小塑料瓶內(nèi)裝著濃氨水，錐形瓶口用一張濾紙蓋住，濾紙剛剛用酚酞溶液浸過。 學(xué)生Ⅳ設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖18所示，用棉簽蘸上濃氨水和酚酞溶液，a處蘸濃氨水，b處蘸酚酞溶液。

為了幫助學(xué)生更好地想象氨分子的存在和運(yùn)動(dòng)軌跡，教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖19所示，將滴有酚酞試液的濾紙放在試管中，試管口塞上一團(tuán)脫脂棉，用膠頭滴管吸取濃氨水，滴在脫脂棉上。受到啟發(fā)后，學(xué)生Ⅴ設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如圖20所示，將玻璃管中分別塞入一小團(tuán)脫脂棉，取兩條稍短于玻璃管的濾紙，用酚酞溶液濕潤，分別塞入玻璃管中，不要與管中的棉花接觸，封閉玻璃管，分別將兩個(gè)玻璃管放入盛有等量的熱水和冷水的燒杯中。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后，操作簡便易行，藥品用量少，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，既節(jié)約了藥品，又有效地減少了空氣污染，符合綠色化學(xué)的要求。從對比實(shí)驗(yàn)可以明顯看出溫度對分子運(yùn)動(dòng)速率的影響；圖20中濾紙條自下而上逐漸變紅的過程，可以清楚地展示分子運(yùn)動(dòng)的軌跡，讓學(xué)生對分子運(yùn)動(dòng)這一微觀現(xiàn)象有了更直觀的認(rèn)識。

對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)設(shè)置的細(xì)化，使其有層次有梯度，使學(xué)生感受到知識的形成過程，對新知識便于理解與接受；不斷應(yīng)用已有知識對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，既實(shí)現(xiàn)了已有知識的鞏固和深化，而且體現(xiàn)了把知識轉(zhuǎn)化為能力的提升。通過多次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的練習(xí)、潛移默化的滲透，學(xué)生逐步具有根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，使科學(xué)探究的一般過程根植于學(xué)生的意識中，既能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)其科學(xué)探究的精神，還能落實(shí)科學(xué)素養(yǎng)的養(yǎng)成。在實(shí)驗(yàn)過程中，許多化學(xué)試劑的主要成分都廣泛出現(xiàn)在我們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中，因此，教師同樣可以激勵(lì)學(xué)生在其日常生活中留意觀察類似的現(xiàn)象，使得教學(xué)走出課堂。