基于宏微結(jié)合素養(yǎng)的教學(xué)案例設(shè)計

摘要：利用生雞蛋卵殼膜選擇性透過的特點做水和蛋白質(zhì)微粒大小的對比實驗，發(fā)現(xiàn)生雞蛋浸泡在水中，一周可增重37%O用自然光照射硫代硫酸鈉溶液和稀硫酸的反應(yīng)體系，可以看到溶液、膠體、懸濁液三種分散系的漸變過程。將膠體膠粒大小用宏觀現(xiàn)象放大表現(xiàn)，例證結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)是宏微結(jié)合思維的理解和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：膠體分散系;卵殼膜;膠原蛋白腸衣;自然光;波長

文章編號：1008-0546（2021）05-0057-04中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.015

一、問題的提出

膠體在蘇教版高中《化學(xué)1（必修）》2020年第1版）專題一第三單元《物質(zhì)的分散系》、滬科版高中《化學(xué)1（必修）X2021年第1版）第一章1.1《物質(zhì)的分類》中，作為高中化學(xué)承接初中對物質(zhì)類別的深入了解， 安排了膠體分散系的內(nèi)容。對初高中化學(xué)知識有承上啟下的設(shè)計，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。其中對膠體分散系的學(xué)習(xí)，和初中化學(xué)的溶液、懸濁液體系有平行對比的關(guān)系，完善了物質(zhì)按微粒大小進(jìn)行分類的知識架構(gòu)。

膠體是一種具有重要實際應(yīng)用的分散系，影響其性質(zhì)的關(guān)鍵點是其分散質(zhì)的顆粒直徑在10-9～10-7m 左右，介于溶液與濁液分散質(zhì)顆粒直徑之間。正因為其顆粒直徑大小，決定了它具有丁達(dá)爾現(xiàn)象、聚沉、電泳等性質(zhì)，這些性質(zhì)決定了膠體的應(yīng)用價值，如鹵水點豆腐、靜電除塵、沖擊島形成、納米材料的特性。這個本質(zhì)特征需學(xué)生經(jīng)歷提出問題、設(shè)計方案、實施實驗、得出結(jié)論，才能真正理解并加以應(yīng)用。這個建構(gòu)的過程是學(xué)生證據(jù)推理、模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識等素養(yǎng)形成的過程⑴。

本課例的設(shè)計，以學(xué)生熟悉的材料入手，設(shè)計不同實驗加以體驗，核心知識即認(rèn)識分散質(zhì)大小使學(xué)生深刻理解膠體具有不同于溶液和濁液的特殊性質(zhì)及其形成原因。

二、教學(xué)設(shè)計

課堂教學(xué)流程，見圖1。

1.學(xué)情分析

本節(jié)課是高一必修課第一章的內(nèi)容，課時兩節(jié)課?；谖镔|(zhì)分類的角度，將溶液、懸濁液、膠體三種分散系做貫通，使知識體系更完整，以實驗探究為主要課堂教學(xué)手段設(shè)計了《膠體》一課。知識背景有：高一化學(xué)反應(yīng)速率的實驗——硫代硫酸鈉溶液和鹽酸反應(yīng)，從析出硫顆粒由小到大的過程可以體驗三種分散系的漸變，分散系的宏觀表現(xiàn)可以用滲析、丁達(dá)爾現(xiàn)象來佐證。宏觀的不同表現(xiàn)是因為微觀顆粒大小不同，教師結(jié)合過濾、滲析、光的散射等知識，引導(dǎo)學(xué)生將物理、生物、化學(xué)等知識做跨學(xué)科的整合。實驗器材以生活中的雞蛋、腸衣等作載體，認(rèn)識生活中的材料，以真實情境、生活化的空間開展學(xué)習(xí)活動，讓物質(zhì)的分類更系統(tǒng)、完整。

2.教學(xué)目標(biāo)

⑴了解膠體的定義。認(rèn)識腸衣、雞蛋內(nèi)膜是半透膜。

（2）通過丁達(dá)爾現(xiàn)象認(rèn)識溶液、膠體、懸濁液三種分散系的微觀區(qū)別。

（3）利用各種材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)實驗，并發(fā)現(xiàn)其中共性的知識，形成一定的創(chuàng)造思維能力，達(dá)到學(xué)科的交叉融合。

（4）能夠根據(jù)生活中常見現(xiàn)象進(jìn)行宏觀辨識，并進(jìn)行微觀探析。

3.教學(xué)準(zhǔn)備

耗材和試劑：雞蛋、腸衣、淀粉溶液、硫代硫酸鈉溶液、鹽酸、碘水、蒸璃水。

儀器和設(shè)備：燒杯、棉線、大試管、保鮮袋、激光筆、電筒、水缸。

4.教學(xué)實錄

[課堂引入]學(xué)生在家里用9度白醋浸泡生雞蛋， 將外殼去除。將已去除外殼的雞蛋浸泡于蒸僭水中（圖2），記錄每天雞蛋的質(zhì)量變化（見表1），測量周期為一周。

[實物展示]一周前，將一顆去殼（用鹽酸處理）的生雞蛋浸泡在水中，記錄每天的質(zhì)量變化，質(zhì)量增幅37%左右⑵。

[問題1]為什么雞蛋質(zhì)量增重？

[學(xué)生回答1]水進(jìn)入了雞蛋，所以變重了。

[問題2]為什么肯定只發(fā)生了水進(jìn)入雞蛋的過程呢？雞蛋清、蛋黃有沒有出來呢？

[學(xué)生回答2]甲：不會出來。因為雞蛋膜保護(hù)了雞蛋里的物質(zhì)，不會出來。

乙：肯定是水進(jìn)去了，因為茶葉蛋就是醬油滲入雞蛋里。

丙：是的，咸鴨蛋也是這個道理。食鹽溶液會鉆進(jìn)蛋殼。

設(shè)計意圖：通過生活中熟悉的咸雞蛋、茶葉蛋等知識，結(jié)合教師將雞蛋浸泡在水中一周后的質(zhì)量變化，以數(shù)據(jù)為客觀證據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生思考水分子和蛋白質(zhì)分子的微粒大小，以及雞蛋卵殼膜的孔隙大小。

[教師引導(dǎo)]同學(xué)們都很會觀察生活。這些現(xiàn)象說明了水分子和蛋清這種物質(zhì)有粒徑大小的不同。下面請大家分小組做一個有趣的實驗，可以快速、明顯地看到水進(jìn)入了雞蛋。把雞蛋大的一端敲破，剝?nèi)?.5cm2的蛋殼，當(dāng)心不要弄破里面的雞蛋膜;用錐子在雞蛋的另一端扎破蛋殼，將毛細(xì)管插入，小心攪動，將蛋黃的膜刺破。點燃蠟燭，將燭淚滴到毛細(xì)管和蛋殼間將縫隙封住。把暴露蛋膜的一端浸泡在蒸儒水中， 靜置，觀察（圖3）⑶。

[學(xué)生活動1]預(yù)計5分鐘。實驗結(jié)果：有的可以看到毛細(xì)管中有透明液體上升;有的看到毛細(xì)管和蛋殼接觸的地方有蛋液流出。

[師生評價討論]為什么有的小組沒有成功？原來，如果毛細(xì)管和蛋殼間的縫隙沒有用蠟燭封死，進(jìn)入雞蛋的水會將內(nèi)容物從縫隙處壓出，所以要保證氣密性良好。

[教師解釋，PPT出示效果]蛋白質(zhì)是大分子，被蛋膜包住，不能透過蛋膜。但水是小分子，可以自由通過雞蛋膜。純水中所含水分子的數(shù)目要比同體積的雞蛋內(nèi)液多，因此在相同時間內(nèi)，從純水透過雞蛋膜進(jìn)入雞蛋內(nèi)液的水分子，比從雞蛋內(nèi)液透過雞蛋膜進(jìn)入純水的水分子多，導(dǎo)致毛細(xì)管中液面升高。

[學(xué)生提問]雞蛋里也有水嗎？

[教師回應(yīng)]雞蛋里水的比例有70%左右。

[教師提供信息]一個雞蛋如果長時間放置，也會變輕的。還會變臭，大家知道為什么嗎？

[學(xué)生討論]水可以進(jìn)出雞蛋，說明雞蛋有氣孔?？諝膺M(jìn)入雞蛋，會腐敗。水滲出揮發(fā)，雞蛋質(zhì)量會減小。

[教師提問]雞蛋內(nèi)膜的孔隙大小？

[學(xué)生討論、提出問題]原子直徑大小10^-10米，分子大小也是這個數(shù)量級，說明雞蛋內(nèi)膜孔隙比10^-10米大。但是內(nèi)膜孔隙大小的上限是多大？蛋白質(zhì)分子又是多大？這個能通過什么實驗知道嗎？有沒有對應(yīng)的材料做實驗。

[教師提供工具]同學(xué)們通過觀察，發(fā)現(xiàn)了雞蛋的特點?，F(xiàn)在提供了濾紙、保鮮袋、動物腸衣，還有淀粉溶液、碘水等材料。請同學(xué)們用這些工具做實驗，比較濾紙、保鮮袋、動物腸衣的孔隙大小。

[學(xué)生設(shè)計活動2]學(xué)生商量后，取一節(jié)腸衣，用棉線扎好一端，再用漏斗將淀粉溶液灌入，再扎好另一端，放在有水的燒杯浸泡，在燒杯中滴入碘水;同樣將淀粉溶液灌在保鮮袋中，扎緊，浸泡在有水的燒杯中， 在燒杯中滴入碘水。實驗時間預(yù)計3?5分鐘。

[學(xué)生陳述實驗現(xiàn)象]腸衣里的淀粉變成藍(lán)色的了，好有趣，藍(lán)色“香腸”（圖4）。但是燒杯中還是黃色溶液，說明淀粉分子沒有出來。保鮮袋里的還是原樣，碘水沒有滲入，沒有變黃色。

[教師活動]把淀粉溶液傾入有濾紙的漏斗，發(fā)現(xiàn)液體順利透過。請同學(xué)歸納，你通過實驗發(fā)現(xiàn)了什么？

[學(xué)生闡述]說明雞蛋內(nèi)膜、動物腸衣的孔隙大小差不多，小分子和離子可以自由進(jìn)出，大的微粒如蛋白質(zhì)、淀粉分子就不能透過。濾紙的孔隙大，因為淀粉分子可以透過。

[學(xué)生思考]這些物質(zhì)該如何分類，它們之間有什么關(guān)聯(lián)？.

[教師板書]膠體。

定義：分散質(zhì)微粒的直徑大小在1～100nm的分散系叫做膠體。

分散劑是水或其他液體時，按分散質(zhì)粒子的大小分為：溶液、膠體和濁液。分散質(zhì)粒徑小于1nm的是溶液，大于100nm的是濁液。（ 1nm=10^-9m）

[教師小結(jié)]通過剛才的對比實驗，碘水是溶液， 其中溶質(zhì)和溶劑的微粒直徑小于1nm，約IO*米。蛋白質(zhì)、淀粉溶液里的微粒直徑大于1nm。動物腸衣、雞蛋內(nèi)膜的孔隙直徑小于蛋白質(zhì)、淀粉溶液的微粒， 濾紙孔隙最大，保鮮袋不透水、不透氣，是否沒有孔隙呢？要查閱資料。

[教師提出問題]初中學(xué)過懸濁液，按照定義，顆粒直徑大于100nm，濾紙用了分離懸濁液中的溶質(zhì)，說明濾紙的孔隙小于100nm。所以，蛋白質(zhì)、淀粉分子直徑大小就在1?100nm間，這樣的推理正確吧？

[學(xué)生思考交流]可以這么推理。不過，還有沒有其他測量方法測定微粒的大小呢？

[教師活動]演示實驗：將0.05 mol/L硫代硫酸鈉和0.1 mol/L鹽酸反應(yīng)倒入一水缸（方形或圓形），用手電筒（白光）照射，觀察手電筒射岀的白光在水缸穿行的現(xiàn)象（圖5）。

[教師板書]Na2S2O3+2HCl →2NaCI+S ↓+SO2+H2O

[學(xué)生觀察后描述]開始光穿透了溶液，射到對面的黑紙上;隨著水缸中液體逐漸渾濁，可看到液體中出現(xiàn)了明亮的淡藍(lán)色光路，穿出水缸在黑紙上呈現(xiàn)橙色的光斑;當(dāng)水缸里液體渾濁后，沒有了光路，黑紙上也沒有了光斑⑷。

[學(xué)生分組討論，相互釋疑]

問題1：為什么照射的白光會在水缸和紙上呈現(xiàn)藍(lán)色和橙色？白光是復(fù)合光，怎么會分光的呢？

問題2：為什么光路會呈現(xiàn)三段不同的現(xiàn)象？

問題3：這個實驗和膠體、雞蛋、藍(lán)色香腸有什么關(guān)系？

[教師回應(yīng)]同學(xué)們很善于觀察，也很會思考提問。我們來分析一下，一般可見光波長是400?700nmo光照射到不同大小的微粒上有四種表現(xiàn)：透射、反射、吸收、散射。

[教師講解]剛才同學(xué)們從側(cè)面看到了光路，說明光線“轉(zhuǎn)彎”了，從入射光側(cè)面的角度看到光路，這是分散系中顆粒對光發(fā)生了散射。靛藍(lán)色（455?390nm）比橙色（597?577nm）波長短，更易被分散質(zhì)散射，呈現(xiàn)出藍(lán)色光路;而橙光散射得少，透過分散系投在紙上呈現(xiàn)橙色光斑。隨著硫單質(zhì)逐漸生成為大顆粒，光被大顆粒擋住了，反射。

[教師板書]丁達(dá)爾效應(yīng)——當(dāng)一束光線透過膠體，從垂直入射光方向可以觀察到膠體里出現(xiàn)的一條光亮的“通路”。

[學(xué)生呼應(yīng)]當(dāng)水缸中出現(xiàn)那條光路的時候，就是膠體，隨著反應(yīng)進(jìn)行，最后是懸濁液。

[學(xué)生提問]還有什么是膠體？

[教師回應(yīng)和示范]下面根據(jù)講義，同學(xué)們再做一個實驗，看看還有什么別的膠體。

[學(xué)生活動3]在大試管中加入約1/3的蒸僧水，煮沸，滴加飽和氯化鐵溶液，用紅色激光筆從側(cè)面照射觀察有光路出現(xiàn)后，即制得了 Fe （OH）3膠體。

[教師板書]FeCl3+3H2OFe（OH）3（膠體）+3HCl

[學(xué)生活動4]將Fe（OH）3膠體分到二個試管里， 一支試管繼續(xù)加熱，發(fā)現(xiàn)變渾濁（產(chǎn)生疑問，為什么呢？）。將氯化鐵溶液、氫氧化鐵膠體、氫氧化鐵沉淀并排排列，用紅色激光從左邊照射。觀察光的透過情況。從左往右依次命名試管為1號、2號、3號。

[教師和學(xué)生互動]

1.氫氧化鐵膠體受熱后，微粒運(yùn)動劇烈，發(fā)生了聚沉，膠體是一種較穩(wěn)定的分散系但通過外因可使其聚沉，以后再學(xué)習(xí);

2.學(xué)生出示實驗結(jié)果;

3.選取一組學(xué)生實驗：最左邊是溶液，光線直接透過，當(dāng)中是膠體，光線有散射，看到光路，射到濁液上， 被反射，不透光。（圖6、圖7）

[教師總結(jié)]今天這節(jié)課我們學(xué)習(xí)了除溶液、懸濁液外的另外一種分散系一一膠體，而且通過工具看到了膠體里的分散質(zhì)顆粒大小。同學(xué)們產(chǎn)生的一些疑問，可以繼續(xù)學(xué)習(xí)、查閱資料。

[作業(yè)]用手電筒（或者激光筆，注意不要照射眼睛）尋找生活中的膠體;現(xiàn)象明顯的拍照記錄。

三、教學(xué)反思

本課抓住學(xué)科知識來自生活的屬性，把課堂實驗中采用的相關(guān)實驗條件及材料做變量處理和遷移，給知識以生長點，即知識背后的知識是什么？如白光中包含了波長不同的七色光，波長較短的藍(lán)色散射強(qiáng)度高，這個和解釋天空、海水為什么看上去是藍(lán)色，是同一個道理。雞蛋卵殼膜是一種天然半透膜，用常見的雞蛋作為教具，讓學(xué)生進(jìn)一步理解滲透壓的概念、大分子蛋白質(zhì)的膠體屬性。用生活中的各種材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)實驗，以學(xué)生的感受為主，可使其發(fā)現(xiàn)生活中各類材料、現(xiàn)象所包含的豐富知識，體驗雞蛋卵殼、腸衣、蛋白質(zhì)、淀粉等生活中常見物質(zhì)的性質(zhì)，可遷移到分散系這一知識體系[5.6];在此過程中，悟出如何將微觀粒子用宏觀實驗加以放大表現(xiàn)的科學(xué)邏輯思維。

對于化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)特征及其價值，化學(xué)與物理、生物學(xué)的本質(zhì)區(qū)別又究竟是什么，是化學(xué)家、化學(xué)哲學(xué)家和化學(xué)教育家試圖回答的問題。物理、化學(xué)、生物都是“以實驗為基礎(chǔ)”的學(xué)科，2017年版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)提出了化學(xué)“從微觀層次認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)”，定義了“創(chuàng)造物質(zhì)”是化學(xué)學(xué)科的獨有特征⑺。膠體知識和納米材料的創(chuàng)造開發(fā)利用，就符合這樣的邏輯關(guān)系，物理、生物學(xué)科都在認(rèn)識物質(zhì)，但化學(xué)學(xué)科的創(chuàng)造物質(zhì)更是變化之學(xué)的魅力，《膠體》放在高一開篇，有承上啟下的設(shè)計。

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