沪教版九年级化学上册 第3章第1节 构成物质的基本微粒-例谈微观世界可视化的教学设计

例谈微观世界可视化的教学设计
“可视化”最初起源于西方词汇“Visualization”，可以直译为为图像化，图形化，使某样东西能够清晰的呈现。随着信息技术、数字化试验技术的飞速发展，知识可视化逐渐发展成了新的热点。钱程、马宏佳教授提出“从教学应用的角度看，知识可视化的实质是将抽象的知识、概念及过程以图解的手段表示出来，形成能够直接作用于人的感官的视觉表征，从而促进学习的发生、知识的传播和创新”。
九年级化学教材（上海教育出版社，教育部2012年审定）第3章“构成物质的奥秘”知识比较抽象，学习内容集中在微观世界，看不见、摸不着，对于许多学生来说是一个难点。因此，教师在组织学生学习的过程中，要精心设计学习环节，采取多种方式让微观世界在学生面前直观呈现，化抽象为具体，实现微观世界的可视化，培养学生的抽象思维能力，努力在宏观与微观之间架起桥梁。
一、通过定量计算实现微观世界可视化
《微粒的性质》学习中，“微粒很小”教学片段设计如下：
[教师活动]（呈现资料卡）1滴水中，构成水的微粒（水分子）约有1.7x1021个，20滴水的总体积大约为1mL，请计算一个水分子的质量。
[学生活动]通过所给资料，计算每一个水分子的质量，并用科学计数法表示水的质量。
[教师活动]（呈现资料卡）一颗黄豆、一粒大米、一粒芝麻的质量。
[学生活动]比较一个水分子和它们的质量大小。
[师生共同活动]老师带领学生将一个水分子质量的科学计数法结果展开，学生通过小数点后“0”的数目来进一步感受水分子的质量。
[学生活动]得出结论：微粒很小，小到肉眼看不到。
本教学片断通过学生亲自计算，得出一个水分子的质量大约在10-26kg，让学生在数字上初步感受到水分子非常小，再通过与一颗黄豆、一粒大米、一粒芝麻的质量大小的对比分析，感受一个水分子的质量远远小于宏观的小颗粒物质。10-26kg这样的数字还不能明显地促进学生对微粒大小的认识，因此教师带领学生将这一科学计数法的数字铺开，用小数点后“0”的数目让学生惊叹，进一步对水分子的渺小产生深刻的印象。通过定量计算，将微观世界看不到的“小”用数字清晰地呈现在学生的面前。学生通过亲身的体验，减少了想象，感受了真实，增强了认识。
二、通过实验探究实现微观世界可视化
《微粒的性质》学习中，“微粒在不断运动”教学片段设计如下：
[学生活动]分组实验1：向烧杯A中加入20mL蒸馏水，滴人2-3滴酚酞试液，得到溶液甲，向溶液中慢慢滴加浓氨水。
[教师活动]演示实验2：如图1，向烧杯C中加入20mL蒸馏水，滴人2-3滴酚酞试液，得到溶液甲。在烧杯B中加入3mL-5mL浓氨水，用一只大烧杯把B、C两个烧杯罩在一起，观察实验现象。
[学生活动]交流与讨论：实验1的目的是什么？通过实验2可以得到什么结论？同时画出氨分子的运动轨迹图。
[教师活动]演示实验3：如图2所示，将氨水放人右边的试管，酚酞试液加入左边的试管，中间用橡皮导管连接起来，一套置于常温下，另一套浓氨水放人热水中，观察现象。
[学生活动]观察演示实验，思考热水的作用是什么？为什么要用两套一样的实验装置？
[师生合作活动]学生分析现象，基于现象得出初步结论，教师进行点拨和补充，得出微粒在不断运动的结论。
此环节实验1主要是让学生了解氨水的性质——它可以使酚酞试液变红。实验2浓氨水和酚酞不接触，但酚酞试液变红了，说明氨气分子从左边烧杯中到了右边的酚酞溶液中，再通过让学生画出氨分子的运动轨迹图，证明微粒是在不断运动的。实验3通过常温和热水两种温度下的对比，学生真实地看到酚酞试液变红的快慢，从而感受到温度越高，微粒的运动越快。本教学片断，通过实验探究及对实验现象的分析推理，让学生真真切切地体会到了微粒是在不断运动的。
三、通過图像表征实现微观世界可视化
在上述“微粒在不断运动”教学片段中，通过实验探究让学生看到氨水分子会从一个烧杯运动到另一个装有酚酞的烧杯中，使酚酞试液变红，利用的是氨水易挥发，氨水显碱性使酸碱指示剂变色的原理，主要涉及的是定性的分析。作为教师，尤其在复习课的教学中，还可以从定量的角度研究从图像变化的视角来表征微粒的运动，实现微观世界的可视化。
1.实验原理
定量角度1：氨水挥发后进入另一装置中的水中会呈现碱性，溶液的pH会逐渐升高，通过测定另一装置中水的pH变化，就可以从定量角度分析氨分子运动的情况。
定量角度2：氨水挥发后进人使另一装置中的水中后会生成一水合氨，一水合氨会电离产生NH4+和OH-，会使溶液的导电性发生改变，即电导率会发生变化。通过测定溶液的电导率变化，可以判断溶液中是否挥发进了氨分子。
2.实验装置
要实现上述两个定量的角度，可以采用数字化实验来进行。数字化实验是由传感器、数据采集器和配套的软件组成的定量采集物理、化学和生物等数据并能与计算机连接的实验技术。本实验可以采用pH传感器和电导率传感器，通过感受到待测物的pH和电导率信息，并按照一定规律转化成可用输出信号，经数据采集器处理之后在屏幕上显示并储存在内存中。利用数字化实验探究微粒运动的实验装置如图3所示。
3.实验步骤
（1）检查装置气密性，校准传感器，设置好采集频率、采集时间。
（2）按图3连接装置，关闭止水夹，在锥形瓶中装入浓氨水，在三颈烧瓶中装入水，滴人几滴酚酞试液。
（3）点击电脑屏幕上的“开始采集”按钮，打开止水夹，观察电脑屏幕上的曲线变化。
4.实验现象
三颈烧瓶中溶液变为红色，电脑屏幕上的曲线如图4、图5所示。
由图4可以看出，随着时间的推移，装有水的三颈烧瓶中pH逐渐增大，说明氨水分子从锥形瓶中运动到了三颈烧瓶中，使溶液的碱性增强，这也是酚酞变红的原因。同样，随着时间的推移，电导率也逐渐增大，溶液的导电性不断增强，说明溶液中自由移动的离子逐渐增多，这也是氨水分子从锥形瓶中运动到三颈烧瓶中的有力证明。通过数字化实验，不仅让学生从直观的现象上了解微粒在不断运动的事实，更可以通过数据将微粒运动的证据表现出来，促进学生从定性分析走向定量分析。
四、通过体验分析实现微观世界可视化
《微粒的性质》学习中，“微粒间有空隙”教学设计片段如下：
[学生活动]动手体验1：向一段封口的长玻璃管中先加水，使其到达玻璃管刻度的1/2，再加酒精到满刻度，用手指堵紧开口的一端，颠倒数次，观察混合前后体积变化情况、对比反应前后的质量情况。
动手体验2：向一段封口的长玻璃管中先加酒精，使其到达玻璃管刻度的1/2，再加水到满刻度，用手指堵紧开口的一端，颠倒数次，观察混合前后体积变化情况、对比反应前后的质量情况。
[教师活动]引导学生分析：为什么颠倒数次后体积会缩小？为什么两次加入液体顺序不同体积减小不一样？
[学生活动]基于自己的体验，分析体积缩小可能的原因，得出微粒间有空隙的结论。
[学生活动]继续新的体验。动手体验3：在平底烧瓶的上方套上一个气球，水浴加热平底烧瓶，观察化学教与学2021年第1期气球大小的变化情况（如图6所示），感受微粒间空隙的变化情况。
动手体验4：用注射器吸人一定量空气，再用手指顶住注射器末端的小孔，将活塞慢慢推入和松开，感受推人和松开时的压强，体悟微粒间空隙的变化情况。
[教师活动]引导学生分析微粒空隙变化情况、影响因素及如何影响的。
[学生活动]基于体验的结果分析原因，得出同种物质在相同状态时，温度越高，微粒间空隙越大;压强越大，微粒间空隙越小的结论。
本教学片断的设计重在学生的亲身体验和推理分析，通过学生的体验与分析，将微观世界通过直观的、看得见的现象呈现给学生，在微观和宏观之间建立联系。体验1和体验2目的是通过酒精与水的混合实验，从液体体积减小的视角来让学生体验微粒间是有空隙的。因为这个实验在八年级物理时学生已经学过，因此，本节课进行了改进，增加改变实验操作顺序和测定液体质量，酒精与水都加人1/2体积，但是加入的顺序不同，为什么最后摇晃后得到的空隙就不同呢？通过称量质量，学生会发现，虽然最后相加都是一体积，但是加入顺序不同造成的结果是加入两种液体的质量是不一样的，这可以充分说明微粒间不仅有空隙，而且各微粒间的空隙是不同的，不同的混合顺序还会造成混合的结果有差异。体验3和体验4主要是通过从气体体积缩小和增大的视角让学生体验微粒间空隙能增大和缩小以及温度、压强对微粒间空隙的影响。
《微粒的性質》是学生接触微观世界的启蒙课，起着承上启下的作用。教学中，教师要尽量将复杂问题简洁化，将抽象问题具体化，将定性走向定量转化的思想不断渗透于教学中，让学生用化学学科的研究思想去解决生活中的种种问题。微粒很小，看不见摸不着，但是数据是真实的，现象是直观的，要让学生能够用宏观的“大”数据、真实的现象变化，去勾勒“小小的”微观世界。