指向?qū)W生核心素養(yǎng)發(fā)展的“膠體”教學(xué)設(shè)計(jì)

李啟翔

摘要：在“膠體”的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的核心觀念，突出“宏觀辨識(shí)與微觀辨析”核心素養(yǎng)，從微粒視角認(rèn)識(shí)膠體的典型特征。指導(dǎo)學(xué)生形成初步的“微粒觀”。

關(guān)鍵詞：膠體；學(xué)科核心素養(yǎng)；微粒觀

文章編號(hào)：1008-0546（ 2022）12x-0034-04

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.008

在膠體的教學(xué)中，教師往往會(huì)用生活中的現(xiàn)象引入膠體概念，然后分別討論膠體的幾個(gè)特征現(xiàn)象，較少用一條明確的線索串聯(lián)相關(guān)概念。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中被動(dòng)跟隨教師，缺乏自然生成對(duì)于相關(guān)概念的理解，學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展缺乏條件。

“微粒觀”是重要的化學(xué)基本概念，是引導(dǎo)學(xué)生建立從宏觀現(xiàn)象和微觀本質(zhì)間聯(lián)系的橋梁，[1]如何在膠體教學(xué)中突出微粒觀，使學(xué)生在循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)過(guò)程中逐步建立化學(xué)基本觀念和思維方式，探尋化學(xué)學(xué)科的本源？以下以滬科版高中“化學(xué)必修一”“膠體”為例，展開(kāi)指向微粒觀培養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、教材背景分析

1．內(nèi)容分析

“膠體”是上海高中化學(xué)教材在二期課改中刪減的一塊內(nèi)容，上海的教師相對(duì)較為陌生。該知識(shí)點(diǎn)在課程標(biāo)準(zhǔn)為必修課程內(nèi)容，位于“主題2：常見(jiàn)的無(wú)機(jī)物及其應(yīng)用”。學(xué)科內(nèi)容要求為認(rèn)識(shí)膠體是一種常見(jiàn)的分散系，學(xué)業(yè)要求為能舉例說(shuō)明膠體的典型特征。

“膠體”位于滬科版高中“化學(xué)必修一”第1單元“化學(xué)研究的天地”第1節(jié)“物質(zhì)的分類(lèi)”的第2課時(shí)（如圖1）。

本單元的教學(xué)主題是對(duì)物質(zhì)的探索，內(nèi)容包括認(rèn)識(shí)物質(zhì)的分類(lèi)、計(jì)算物質(zhì)的定量依據(jù)、研究物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法。

2．單元重點(diǎn)

本單元內(nèi)容集中表現(xiàn)于：宏觀物質(zhì)的性質(zhì)、現(xiàn)象和微觀粒子的結(jié)構(gòu)、組合間的反復(fù)轉(zhuǎn)換。因此在本單元的教學(xué)中，重點(diǎn)突出的學(xué)科核心素養(yǎng)為“宏觀辨識(shí)與微觀探析”。使學(xué)生從不同視角體會(huì)粒子微觀結(jié)構(gòu)對(duì)物質(zhì)宏觀性質(zhì)的影響，應(yīng)作為這一單元教學(xué)的重點(diǎn)。

3．核心素養(yǎng)剖析

“膠體”課程知識(shí)與核心素養(yǎng)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

從對(duì)膠體微觀結(jié)構(gòu)的分析解讀其宏觀特征是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

1．知識(shí)結(jié)構(gòu)

混合物的分類(lèi)討論是引出分散系概念的基礎(chǔ)，這一內(nèi)容重點(diǎn)突出分類(lèi)法對(duì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的重要性。通過(guò)運(yùn)用微觀粒子的結(jié)構(gòu)特征對(duì)分散系進(jìn)行分類(lèi)，引出膠體的概念，體現(xiàn)出微觀結(jié)構(gòu)會(huì)影響物質(zhì)的不同分類(lèi)。膠體的性質(zhì)與其粒子直徑大小間存在緊密聯(lián)系，這些性質(zhì)包括透過(guò)性、丁達(dá)爾現(xiàn)象、吸附性等，它們都受膠體粒子直徑的影響，膠體的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)密不可分。膠體的不同性質(zhì)，決定了其在不同場(chǎng)合下的應(yīng)用。

圖2是對(duì)“膠體”知識(shí)結(jié)構(gòu)的分析。

2．教學(xué)設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)置問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生跟隨相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)，進(jìn)行學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)。通過(guò)膠體制備過(guò)程中的認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)生思考所制備出的分散系的成分、特征，對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行討論。用激光燈分別照射三種不同分散系，[2]引發(fā)學(xué)生思考激光燈照射濁液時(shí)產(chǎn)生光路的原因，對(duì)膠體在一定狀態(tài)下可保持穩(wěn)定性的本質(zhì)進(jìn)行分析，討論如何破壞膠體的穩(wěn)定性。

圖3是“膠體”的教學(xué)設(shè)計(jì)。

在教學(xué)過(guò)程中，讓學(xué)生通過(guò)繪制微粒模型來(lái)解釋膠體的相關(guān)性質(zhì)，“模型認(rèn)知”貫穿整節(jié)課的學(xué)生活動(dòng)，最終落實(shí)到“微觀探析”這一觀察物質(zhì)性質(zhì)的視角。在潛移默化中，學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)得到發(fā)展。

3．教學(xué)目標(biāo)

（1）了解分散系的概念，認(rèn)識(shí)膠體是一種常見(jiàn)的分散系，能舉例說(shuō)明膠體的典型特征，發(fā)展宏觀辨識(shí)與微觀探析核心素養(yǎng)；

（2）通過(guò)膠體的制備與性質(zhì)實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)從微觀視角認(rèn)識(shí)溶液、膠體和濁液的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用微粒模型解釋膠體的性質(zhì)，發(fā)展證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)；

（3）通過(guò)膠體在生活中的應(yīng)用，體會(huì)化學(xué)與生活的緊密聯(lián)系，發(fā)展科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。

4．評(píng)價(jià)目標(biāo)

（1）通過(guò)對(duì)膠體的性質(zhì)判斷和分析，診斷并發(fā)展學(xué)生從微觀視角討論膠體性質(zhì)的進(jìn)階能力（物質(zhì)水平、微粒水平）和認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化水平（視角水平、內(nèi)涵水平）；

（2）通過(guò)對(duì)膠體微粒模型的解讀，診斷并發(fā)展學(xué)生運(yùn)用模型對(duì)膠體性質(zhì)的解釋水平（驗(yàn)證水平、解釋水平）；

（3）通過(guò)對(duì)膠體在生活中應(yīng)用的討論，診斷并發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)價(jià)值的認(rèn)識(shí)水平（學(xué)科價(jià)值視角、社會(huì)價(jià)值視角）。

5．教學(xué)環(huán)節(jié)

問(wèn)題一：用飽和FeCl3溶液和兩支試管中的試劑（圖4所示），可以制備出幾種不同的分散系？

學(xué)生活動(dòng)：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別制備出了①FeCI3溶液、②Fe（OH），濁液、③Fe（OH），膠體三種分散系。并比較它們的顏色、穩(wěn)定性、分散質(zhì)粒子大小等特征。

問(wèn)題二：③中的分散系是什么？說(shuō)說(shuō)你的理由。

學(xué)生活動(dòng)：通過(guò)比較三種分散系的顏色，推測(cè)③中的物質(zhì)是Fe（OH）3；但是因?yàn)闊o(wú)法被肉眼觀察到，故初步推測(cè)為膠體，其分散質(zhì)粒子直徑小于濁液中的粒子直徑。

問(wèn)題三：如何比較②和③中Fe（OH），的粒子直徑？

學(xué)生活動(dòng)：進(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn)，比較②和③中Fe（OH），的粒子，得出結(jié)論膠體中分散質(zhì)粒子的直徑比濁液中分散質(zhì)粒子的直徑小。

問(wèn)題四：嘗試通過(guò)圖示的方式，解釋這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

學(xué)生活動(dòng)：討論并繪制微粒模型，所繪制的膠體分散質(zhì)粒子直徑小于濁液分散質(zhì)粒子直徑。

問(wèn)題五：根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)原理，思考區(qū)分①和③中分散質(zhì)粒子大小的方法，并將微粒模型補(bǔ)充完整。

學(xué)生活動(dòng)：討論并提出，類(lèi)比過(guò)濾操作，選擇孔隙介于膠體和溶液分散質(zhì)粒子直徑之間的材料，即半透膜。同時(shí)，繪制微粒模型，形成溶液、膠體、濁液三種分散系微粒大小的比較。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，借助半透膜進(jìn)行溶液和膠體的透析操作。結(jié)論：半透膜可透過(guò)溶液中的分散質(zhì)粒子，不能透過(guò)膠體中的分散質(zhì)粒子。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用激光筆照射溶液和膠體溶液。學(xué)習(xí)丁達(dá)爾現(xiàn)象。

問(wèn)題六：如何簡(jiǎn)便地區(qū)分溶液和膠體？并通過(guò)圖示表示該實(shí)驗(yàn)的原理。

學(xué)生活動(dòng)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較，發(fā)現(xiàn)膠體中存在丁達(dá)爾現(xiàn)象，而溶液中沒(méi)有。從光的波長(zhǎng)和溶液、膠體分散質(zhì)粒子直徑大小推測(cè)，可能是由于膠體粒子直徑略小于光的波長(zhǎng)，通過(guò)將光散射，導(dǎo)致丁達(dá)爾現(xiàn)象的出現(xiàn)。學(xué)生分別繪制微粒模型，模擬光子分別通過(guò)溶液、膠體和濁液三種分散系發(fā)生的投射、散射和反射現(xiàn)象。[3'4]

結(jié)論：用丁達(dá)爾現(xiàn)象可用于鑒別溶液和膠體。

問(wèn)題七：如何解釋激光燈從側(cè)面照射濁液的現(xiàn)象？

學(xué)生活動(dòng)：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用激光燈照射濁液。發(fā)現(xiàn)在濁液中部分區(qū)域，存在丁達(dá)爾現(xiàn)象。由此推測(cè)，由于濁液不均勻、不穩(wěn)定，其中自上而下的分散質(zhì)粒子直徑由小到大分布，因此在合適的區(qū)域可存在丁達(dá)爾現(xiàn)象。

問(wèn)題八：為什么分散質(zhì)粒子同樣是Fe（OH）3，膠體中沒(méi)有聚集成大顆粒？

學(xué)生活動(dòng)：討論并推理濁液中分散質(zhì)粒子體積變大的原因是較小體積的分散質(zhì)粒子互相撞擊后，體積逐漸增大。膠體中的分散質(zhì)粒子互相之間存在斥力，因此無(wú)法撞擊，故沒(méi)有聚集。

問(wèn)題九：通過(guò)電泳現(xiàn)象解釋膠體粒子難以聚集的原因。并繪制模型解釋該實(shí)驗(yàn)原理。

學(xué)生活動(dòng)：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證膠體粒子能夠吸附電荷。同種膠體粒子吸附同種電荷，其互相排斥，因此會(huì)保持距離，無(wú)法撞擊，最終無(wú)法聚集成大顆粒。繪制微粒模型，模擬膠體粒子吸附電荷后相互排斥的現(xiàn)象。

問(wèn)題十：有什么方法可以促進(jìn)膠體粒子的聚集？

學(xué)生活動(dòng)：進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，往Fe（OH）3膠體溶液中加入硫酸鈉溶液，有紅褐色沉淀生成（見(jiàn)圖5）。結(jié)論：通過(guò)滴加與膠體粒子所吸附電荷相反電性的微粒，中和其所帶電荷，使膠體粒子不再相互排斥，最終通過(guò)撞擊聚集成大顆粒。

知識(shí)點(diǎn)生成：膠體在通電時(shí)有電泳現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^(guò)往膠體中滴加鹽溶液、用力攪拌和過(guò)度加熱引發(fā)膠體聚沉。

小結(jié)：通過(guò)問(wèn)題鏈的設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生完成膠體微粒解釋其宏觀性質(zhì)的模型圖，加深學(xué)生對(duì)相關(guān)概念的理解（見(jiàn)圖6）。

三、反思

1．學(xué)生概念的自然生成

從課堂上學(xué)生的作品，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生通過(guò)微粒模型的繪制，自然生成了對(duì)三種分散系中分散質(zhì)粒子直徑大小關(guān)系的比較。

圖7的上圖為一個(gè)學(xué)生所繪制的微粒模型，用以描述濁液和膠體在過(guò)濾實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象。多數(shù)學(xué)生在繪制時(shí)用不同大小的球代替不同的分散質(zhì)粒子，但這名學(xué)生是用小黑點(diǎn)代表膠體粒子。當(dāng)學(xué)習(xí)了膠體和溶液的分散質(zhì)粒子在半透膜中不同實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后，該學(xué)生發(fā)現(xiàn)此時(shí)如果依舊用小黑點(diǎn)代表膠體粒子，則無(wú)法描述直徑小于它們的溶質(zhì)粒子。為了解決這一矛盾，這位學(xué)生將上一幅圖片中膠體粒子的大小繼續(xù)擴(kuò)大，完成了大、中、小三種微粒模型的繪制（見(jiàn)圖7的下圖）。

本節(jié)課通過(guò)分離操作，由所選過(guò)濾材料的間隙與三種分散系的分散質(zhì)粒子直徑大小間建立的聯(lián)系。在兩種分散系變?yōu)槿N的過(guò)程中，在模型繪制的修改中，學(xué)生的思維獲得了重大突破。在這種低結(jié)構(gòu)的圖示方法中實(shí)現(xiàn)了學(xué)生的深度思維、高階思維。[5]通過(guò)模型繪制，也評(píng)價(jià)了學(xué)生由宏微模型認(rèn)知物質(zhì)世界的進(jìn)階水平。

2．指向?qū)W生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

本課通過(guò)一表三線的設(shè)計(jì)，在教學(xué)過(guò)程中完成了知識(shí)圖譜的構(gòu)建。促進(jìn)了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展（見(jiàn)圖8）。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳俊芳，通過(guò)“寫(xiě)”“做”“畫(huà)”建構(gòu)微粒觀[J].化學(xué)教學(xué)，2019（8）：38-41．

[2] 雷建云，高中化學(xué)教材中幾個(gè)重要演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)研究[J]．發(fā)明與創(chuàng)新·職業(yè)教育，2021（7）：35-36．

[3] 林建芬．基于文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)和教材比較視角分析高中化學(xué)“膠體”教學(xué)[J]．教學(xué)月刊·中學(xué)版（教學(xué)參考），2017（5）：37- 42．

[4]王小利，汪歡，伍曉春，丁達(dá)爾效應(yīng)能區(qū)分溶液和膠體嗎？[J]．中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（6）：67-68．

[5] 陳永平，徐凱里，“高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低結(jié)構(gòu)實(shí)施”：高效課堂的思與行[J]．現(xiàn)代教學(xué)，2015（ 21）：4-5．