利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)習(xí)的可視性
——以分子間作用力的學(xué)習(xí)為例

汪允躍

(安徽省蒙城縣第二中學(xué) 233500)

2017版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“分子間作用”提出了具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)與要求：使學(xué)生能夠清楚認(rèn)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(jiǎn)易的將文字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖表等易于觀測(cè)形式的方式，而是以數(shù)據(jù)為載體，結(jié)合可視化的手段，用更加鮮明、直觀的方式，提升學(xué)生對(duì)已學(xué)知識(shí)的理解能力.在這一過程中，知識(shí)可視化有兩個(gè)概念解讀：一是將人腦中所存在的隱形知識(shí)轉(zhuǎn)化為易于表達(dá)的顯性知識(shí)；二是在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中建立認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，將抽象與實(shí)際相結(jié)合.

1 分子間作用力教學(xué)設(shè)計(jì)

本節(jié)課基于對(duì)化學(xué)鍵知識(shí)的介紹，進(jìn)一步對(duì)分子間的作用力進(jìn)行深入研究.本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)具體如下：

(1)使學(xué)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(duì)范德華力產(chǎn)生影響的因素以及范德華力的具體特點(diǎn)，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(rèn)知、對(duì)比化學(xué)鍵、范德化力及氫鍵之間的差異，以及范德華力對(duì)物質(zhì)的化學(xué)特征，例如沸點(diǎn)、熔點(diǎn)等的影響.

(4)在對(duì)影響范德華力產(chǎn)生影響因素進(jìn)行分析的過程中，應(yīng)該詳細(xì)比對(duì)化學(xué)鍵、氫鍵間、及范德華力中存在的差異性因素，以提升學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)分析、歸納與推理、論證的化學(xué)素養(yǎng).

(5)依據(jù)可視化實(shí)驗(yàn)的方法將較為抽象的氫鍵知識(shí)進(jìn)行直觀化表達(dá)，有效強(qiáng)化學(xué)生從微觀角度認(rèn)知化學(xué)物質(zhì)的推理能力，加深對(duì)“微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性質(zhì)”這一基本觀念的認(rèn)識(shí).

2 通過可視實(shí)驗(yàn)，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(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)架構(gòu)上，分子由若干原子構(gòu)成，而化學(xué)鍵可以將原本分散的原子進(jìn)行結(jié)合，并且將粒度較大的分子進(jìn)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)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(shí)間后，其總體的體積將會(huì)顯著減少，這種性質(zhì)便為揮發(fā)性.液體中的部分由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程便為蒸發(fā)，以微觀視域進(jìn)行分析，在一個(gè)分子接觸液體表面時(shí)，其具備著適宜的空間運(yùn)動(dòng)方向與充足的動(dòng)能，該分子在兩者的加持下便可掙脫鄰近分子，脫離現(xiàn)存的周圍環(huán)境，該分子由此從穩(wěn)定的液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀?在這一過程中，分子間的相互作用力會(huì)顯著對(duì)液態(tài)物質(zhì)的揮發(fā)性強(qiáng)弱產(chǎn)生直接影響.由于在這一過程中高能量分子會(huì)逐漸消失，周圍剩余分子的總體動(dòng)能便會(huì)降低，在宏觀層面便會(huì)表現(xiàn)為物質(zhì)溫度的降低，其揮發(fā)的速率也會(huì)隨之降低.

由以上論述可知：分子間作用力的整體強(qiáng)弱與液體揮發(fā)性呈現(xiàn)顯著的正比關(guān)系.所以在針對(duì)學(xué)生的教學(xué)過程中，可以通過溫度來間接反映分子間相互作用力的強(qiáng)弱，以此提升對(duì)抽象概念的可學(xué)習(xí)性.

2.2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)基本裝置

將封閉的試管、溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)基本步驟

將數(shù)學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，等待溫度數(shù)值穩(wěn)定在10s左右后，點(diǎn)擊檢測(cè)按鈕進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)將4個(gè)溫度傳感器固定在鐵架臺(tái)上，對(duì)顯示在電腦終端的溫度變化曲線進(jìn)行詳細(xì)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(fā)時(shí)的溫度變化情況.

圖2

2.4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)基本結(jié)論

直觀檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，通過電腦終端的數(shù)據(jù)曲線可以顯著反應(yīng)不同性質(zhì)液體在進(jìn)行揮發(fā)過程中溫度變化幅度的不一致.利用此規(guī)律，可以有效調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)相關(guān)化學(xué)問題的積極研究性，進(jìn)一步設(shè)置問題關(guān)聯(lián)串(見表1)，以問題串聯(lián)的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行聯(lián)動(dòng)學(xué)習(xí)與記憶.

表1

首先由教師給出4種物質(zhì)的不同模型，并對(duì)四種醇的差異性分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行比對(duì)從而得出結(jié)論：結(jié)構(gòu)類似的分子，會(huì)在其自身分子質(zhì)量增加的同時(shí)，阻礙其自身的可揮發(fā)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(fā)生細(xì)微變化時(shí)，其相互作用力也會(huì)隨之發(fā)生變化.

3 利用認(rèn)知沖突，直觀分析特殊分子間作用力——?dú)滏I的存在

利用上述課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步深入探究、設(shè)置數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以對(duì)氫鍵的存在進(jìn)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(shí)將兩者取出后，采用同上述步驟相同的方式對(duì)兩種物質(zhì)在進(jìn)行揮發(fā)時(shí)的溫度變化的差異程度進(jìn)行對(duì)比，由此可以得到溫度的變化曲線(如圖3所示).同樣，利用現(xiàn)實(shí)生成的資源與學(xué)生傳統(tǒng)認(rèn)知之間的差異，可以引導(dǎo)學(xué)生深入思考化學(xué)問題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑思維，進(jìn)一步設(shè)置問題串(見表2)，以接力的形式帶動(dòng)課堂研究.

圖3

表2

在兩種物質(zhì)進(jìn)行揮發(fā)的過程中，其相互的溫度變化曲線總體差異性較大，對(duì)其分別進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其相對(duì)分子質(zhì)量分別為74、86，將其與之前進(jìn)行討論的結(jié)果相對(duì)得出，正己烷相對(duì)分子質(zhì)量更大，根據(jù)上文所述規(guī)律，其分子間的相互作用力更大，揮發(fā)速度因此更慢，而實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)于分子間的相互作用力.

在對(duì)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)過程中，需要對(duì)學(xué)科知識(shí)的基本屬性進(jìn)行關(guān)注，同時(shí)又不能忽視質(zhì)疑思維.在學(xué)習(xí)過程中，應(yīng)通過多維度的知識(shí)分析方法，多視角的思考方式，培養(yǎng)自身的化學(xué)認(rèn)知思維.在本次分子間相互作用力的學(xué)習(xí)過程中，從其基礎(chǔ)概念出發(fā)，清晰了解作用力的客觀存在，并進(jìn)一步通過數(shù)字化化學(xué)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生真實(shí)感受到作用力的存在，最后通過數(shù)據(jù)結(jié)果與傳統(tǒng)認(rèn)知的對(duì)比差異，凸顯在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中思辨能力的重要性.

在化學(xué)教學(xué)中，由于缺乏實(shí)際的教學(xué)案例導(dǎo)致一些關(guān)于化學(xué)物質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)的知識(shí)具有抽象與復(fù)雜性，部分教師選擇口頭講述、學(xué)生被動(dòng)理解的方式，這種教學(xué)方式降低了學(xué)生的思辨能力，很容易產(chǎn)生對(duì)教師知識(shí)闡述的依賴性.而利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教學(xué)方式，可以將抽象知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體，加深學(xué)生對(duì)微觀物質(zhì)的認(rèn)知與理解，能夠有效使學(xué)生接觸化學(xué)、走進(jìn)化學(xué)、理解化學(xué)，提高科學(xué)素質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)品性.在本文中，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方法融入到關(guān)于分子間作用力的教學(xué)中，能夠使學(xué)習(xí)者更加直接、有效地掌握所學(xué)知識(shí)，提升認(rèn)知深度，養(yǎng)成以化學(xué)實(shí)踐解決化學(xué)問題的良好科學(xué)習(xí)慣.