利用數字化實驗增強學習的可視性
——以分子間作用力的學習為例

汪允躍

(安徽省蒙城縣第二中學 233500)

2017版普通高中化學課程標準對“分子間作用”提出了具體的學習目標與要求：使學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據轉化為圖表等易于觀測形式的方式，而是以數據為載體，結合可視化的手段，用更加鮮明、直觀的方式，提升學生對已學知識的理解能力.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化為易于表達的顯性知識；二是在學生學習過程中建立認知網絡，將抽象與實際相結合.

1 分子間作用力教學設計

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

(1)使學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、對比化學鍵、范德化力及氫鍵之間的差異，以及范德華力對物質的化學特征，例如沸點、熔點等的影響.

(4)在對影響范德華力產生影響因素進行分析的過程中，應該詳細比對化學鍵、氫鍵間、及范德華力中存在的差異性因素，以提升學生對數據分析、歸納與推理、論證的化學素養.

(5)依據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，有效強化學生從微觀角度認知化學物質的推理能力，加深對“微觀結構決定宏觀性質”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，分子之間在化學反應過程中存在的相互作用具體是指分子間的相互作用力，在結構架構上，分子由若干原子構成，而化學鍵可以將原本分散的原子進行結合，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，這種性質便為揮發性.液體中的部分由液態變為氣態的過程便為蒸發，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，脫離現存的周圍環境，該分子由此從穩定的液相轉變為氣相.在這一過程中，分子間的相互作用力會顯著對液態物質的揮發性強弱產生直接影響.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為物質溫度的降低，其揮發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性呈現顯著的正比關系.所以在針對學生的教學過程中，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習性.

2.2 數字化實驗基本裝置

將封閉的試管、溫度傳感器、數據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 數字化實驗基本步驟

將數學化學實驗裝置在配置完成后與電腦顯示終端相連接.之后打開蘇威爾數字化實驗系統，等待溫度數值穩定在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時的溫度變化情況.

圖2

2.4 數字化實驗基本結論

直觀檢測數據顯示，通過電腦終端的數據曲線可以顯著反應不同性質液體在進行揮發過程中溫度變化幅度的不一致.利用此規律，可以有效調動學生對相關化學問題的積極研究性，進一步設置問題關聯串(見表1)，以問題串聯的方式引導學生進行聯動學習與記憶.

表1

首先由教師給出4種物質的不同模型，并對四種醇的差異性分子結構進行比對從而得出結論：結構類似的分子，會在其自身分子質量增加的同時，阻礙其自身的可揮發性.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生細微變化時，其相互作用力也會隨之發生變化.

3 利用認知沖突，直觀分析特殊分子間作用力——氫鍵的存在

利用上述課程教學經驗，進一步深入探究、設置數字化實驗教學，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在進行揮發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，利用現實生成的資源與學生傳統認知之間的差異，可以引導學生深入思考化學問題，培養學生的質疑思維，進一步設置問題串(見表2)，以接力的形式帶動課堂研究.

圖3

表2

在兩種物質進行揮發的過程中，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，發現其相對分子質量分別為74、86，將其與之前進行討論的結果相對得出，正己烷相對分子質量更大，根據上文所述規律，其分子間的相互作用力更大，揮發速度因此更慢，而實驗結果卻與之顯著相反，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.

在對化學知識的學習過程中，需要對學科知識的基本屬性進行關注，同時又不能忽視質疑思維.在學習過程中，應通過多維度的知識分析方法，多視角的思考方式，培養自身的化學認知思維.在本次分子間相互作用力的學習過程中，從其基礎概念出發，清晰了解作用力的客觀存在，并進一步通過數字化化學實驗使學生真實感受到作用力的存在，最后通過數據結果與傳統認知的對比差異，凸顯在化學學習過程中思辨能力的重要性.

在化學教學中，由于缺乏實際的教學案例導致一些關于化學物質與化學反應的知識具有抽象與復雜性，部分教師選擇口頭講述、學生被動理解的方式，這種教學方式降低了學生的思辨能力，很容易產生對教師知識闡述的依賴性.而利用數字化實驗的教學方式，可以將抽象知識轉化為具體，加深學生對微觀物質的認知與理解，能夠有效使學生接觸化學、走進化學、理解化學，提高科學素質，培養科學品性.在本文中，將數字化實驗方法融入到關于分子間作用力的教學中，能夠使學習者更加直接、有效地掌握所學知識，提升認知深度，養成以化學實踐解決化學問題的良好科學習慣.