利用數(shù)字化實驗增強學(xué)習(xí)的可視性——以分子間作用力的學(xué)習(xí)為例

馮 姍

(浙江省春暉中學(xué) 312300)

在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中明確指出“宏觀辨識與微觀探析”的核心素養(yǎng)，提出學(xué)習(xí)者從元素及分子、原子水平認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念，能從宏觀和微觀結(jié)合的視角分析與解決實際問題.在學(xué)習(xí)抽象概念時，學(xué)習(xí)者因缺少實際經(jīng)驗，礙于微觀化學(xué)世界無法直接觀測和接觸，進(jìn)一步加大了抽象概念學(xué)習(xí)的難度.分子間作用力普遍存在，學(xué)習(xí)者在初步學(xué)習(xí)時經(jīng)常無法掌握其概念，無法辨析哪類物質(zhì)中存在，在應(yīng)用階段無法正確判斷哪些宏觀性質(zhì)與分子間作用力相關(guān)，經(jīng)常陷入?？汲ｅe，常錯?？嫉膶擂尉车?利用數(shù)字化實驗現(xiàn)象顯著，直觀性強，將其引入分子間作用力的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)習(xí)者更直觀、高效地掌握知識，提升用化學(xué)思想認(rèn)知化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)，建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的科學(xué)觀念，提升利用實驗解決化學(xué)問題的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng).

一、基于化學(xué)視角，宏觀認(rèn)識分子間作用力的存在

立足于研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)這一平臺，借助化學(xué)視角，宏觀認(rèn)識冰可以聚集在一起而不散，想要改變冰既有的外形比較困難，冰在受熱后可以融合，形成水或水霧(水蒸氣)，二者化學(xué)組成相同，此過程需要吸收能量，形成的水或水霧的既有外形改變較容易.提問至此，學(xué)習(xí)者可以從化學(xué)角度解釋生活中的問題，從而強化化學(xué)視角，從宏觀性質(zhì)的角度感知分子間作用力的存在.

二、通過可視實驗，微觀表征分子間作用力的存在

從組成化學(xué)物質(zhì)的基本微粒角度分析，分子與分子之間存在的相互作用力是分子間作用力.一般分子由若干原子組成，化學(xué)鍵可以將原子結(jié)合在一起，而將分子聚集在一起，形成液體或固體的作用力則為分子間作用力.

1.數(shù)字化實驗基本原理

一定量液體敞口放置相當(dāng)長一段時間后，宏觀體積即將減少，液體的這種性質(zhì)稱為揮發(fā)性.這種液體變成氣體的過程就是蒸發(fā)，從微觀的視角分析，當(dāng)一個分子(液體環(huán)境中)運動到接近液體表面，此時其兼具合適的運動方向和足夠的動能，該分子(液體環(huán)境下)就能掙脫鄰近分子的作用力(分子間作用力)，脫離現(xiàn)有環(huán)境，該分子就從液相變?yōu)闅庀?，顯然，液態(tài)物質(zhì)揮發(fā)性強弱，受分子間作用力影響，因為該過程伴隨著失去高能量分子，使余下分子的平均動能逐漸降低，宏觀表征為體系溫度逐漸降低，揮發(fā)速率也隨之減慢.

分子間作用力的強弱與液體揮發(fā)性相關(guān)，即分子間作用力越強，液體揮發(fā)得越慢，液體物質(zhì)溫度下降得越慢.因此，學(xué)習(xí)時通過直觀性測量不同液體揮發(fā)過程的溫度變化來比較液體分子間作用力的強弱，提高抽象概念學(xué)習(xí)的可視性.

2.數(shù)字化實驗基本裝置

將封閉的試管、溫度傳感器、數(shù)據(jù)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

3.數(shù)字化實驗基本步驟

連接電腦終端，打開蘇威爾數(shù)字化實驗系統(tǒng)，當(dāng)顯示溫度示數(shù)穩(wěn)定后點擊開始檢測20秒以上，確保液體初始溫度平穩(wěn)，將4個溫度傳感器同時脫離試管并固定在鐵架上，觀察軟件中所呈現(xiàn)的溫度變化曲線(如圖2所示).圖中曲線①～④依次為甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇四種液體揮發(fā)時的溫度變化情況.

圖2

4.數(shù)字化實驗基本結(jié)論

根據(jù)直觀檢測，利用曲線可清晰看到不同的純液體在揮發(fā)時溫度下降幅度并不一致.利用生成資源，調(diào)動學(xué)習(xí)者研究化學(xué)問題的積極性，設(shè)置問題串(見表1)，以接力的形式帶動課堂氛圍.

表1 分子間作用力學(xué)習(xí)問題串設(shè)置

在分析問題時，給出4種物質(zhì)的球棍模型，對比甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇這四種醇的分子結(jié)構(gòu)得出結(jié)論：組成或結(jié)構(gòu)相似的分子，隨著相對分子質(zhì)量的增加，揮發(fā)變得越來越困難，也就是說相對分子質(zhì)量增加，分子間的作用力增大，揮發(fā)變慢，溫度下降變慢.分子間作用力存在于分子與分子之間，但凡分子間距離發(fā)生變化，就需要克服分子間作用力.揮發(fā)性如此，三態(tài)變化如此，溶解性也此.

三、利用認(rèn)知沖突，直觀分析特殊分子間作用力——氫鍵的存在

利用課堂成功經(jīng)驗，繼續(xù)設(shè)計探究實驗利用數(shù)字化實驗，揭示特殊分子間作用力——氫鍵的存在.取2只溫度傳感器探頭分別深入與正丁醇與正己烷中，同時取出后，采用與上述同樣的方法觀察正丁醇與正己烷揮發(fā)時溫度的變化差異，得到溫度變化曲線(見圖3所示).

圖3

同樣，利用生成資源與基本認(rèn)知的沖突，引導(dǎo)從化學(xué)角度思考問題，提升學(xué)習(xí)者解決化學(xué)問題的能力，設(shè)置問題串(見表2)，以接力的形式帶動課堂研究.

表2 分子間作用力學(xué)習(xí)問題串設(shè)置表

正丁醇和正己烷揮發(fā)時，溫度變化曲線差異極大，分別計算正己烷和正丁醇，相對分子質(zhì)量分別為74或86，按照之前所討論的結(jié)果，正己烷相對分子質(zhì)量大，故分子間作用力大，理應(yīng)揮發(fā)得慢，但實驗的結(jié)果恰恰相反，對比正己烷與正丁醇的分子結(jié)構(gòu)差異，可以推出正丁醇分子結(jié)構(gòu)中存在氫鍵，且氫鍵其作用力強于分子間作用力.利用化學(xué)視角分析，何時會有氫鍵存在，為什么水的沸點比硫化氫高等問題.

化學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，需要關(guān)注學(xué)科知識本身的屬性，即兼具知識屬性、辯證屬性和實踐屬性.在學(xué)習(xí)過程中，多維度分析知識，多視角思考問題，有助于化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng).在學(xué)習(xí)分子間作用力時，從基本概念出發(fā)，從化學(xué)組成出發(fā)分析原來認(rèn)知，接受分子間作用力的存在；隨著學(xué)習(xí)的深入，借助數(shù)字化實驗，直接感受分子間作用力的存在，分析影響分子間作用力的因素，進(jìn)而提升分析問題的能力，拓展至分子間作用力的存在判斷及對物質(zhì)性質(zhì)的影響判斷；在升華階段，利用認(rèn)知沖突，對原來認(rèn)知提出挑戰(zhàn)，在分子間作用力的認(rèn)知上補充特殊的氫鍵，利用實際問題感知氫鍵的作用力強于分子間作用力.通過分析組成出發(fā)，回歸到分析組成，構(gòu)建和強化分析化學(xué)問題的基本思想——組成決定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì).

化學(xué)知識是有關(guān)物質(zhì)的本質(zhì)規(guī)定和基本判斷標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)時要逐步認(rèn)識科學(xué)，了解科學(xué)，領(lǐng)悟、體驗科學(xué)真諦，形成科學(xué)精神、態(tài)度等，提高科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)品性.