溫曉杰 李傳雄

[摘? ?要]實(shí)驗(yàn)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，它有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)。文章以Fe（OH）3膠體制備實(shí)驗(yàn)為例，詳細(xì)闡述了以“核心素養(yǎng)”為本的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)。首先，以Fe（OH）3膠體的制備實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)，采用控制變量法對(duì)制備條件進(jìn)行探究;然后，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)丁達(dá)爾現(xiàn)象區(qū)別膠體和溶液，并提出濁液是否具有丁達(dá)爾效應(yīng)的問(wèn)題;接著，通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該觀點(diǎn)，并引出新知——膠體聚沉的條件;最后，將聚沉原理與膠體實(shí)際應(yīng)用——凈水相結(jié)合，升華所學(xué)知識(shí)。

[關(guān)鍵詞]Fe（OH）3膠體;制備實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng);課程設(shè)計(jì)

“Fe（OH）3膠體制備實(shí)驗(yàn)”是高中階段的第一堂實(shí)驗(yàn)課，對(duì)學(xué)生理性思維的啟蒙和實(shí)驗(yàn)探究精神的激發(fā)起著重要作用。本節(jié)課的課程設(shè)計(jì)以科學(xué)精神為指導(dǎo)，以學(xué)生的自主探究為主線，以培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力和社會(huì)責(zé)任感為目標(biāo)。課程首先以教材上的演示實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)控制變量法探究膠體制備的幾個(gè)必要條件——蒸餾水、沸水和飽和FeCl3溶液;然后通過(guò)丁達(dá)爾效應(yīng)區(qū)分溶液和膠體，并提出濁液是否會(huì)產(chǎn)生丁達(dá)爾效應(yīng)的問(wèn)題;最后引導(dǎo)學(xué)生以Fe（OH）3膠體為原料制備懸濁液，并對(duì)濁液的丁達(dá)爾現(xiàn)象進(jìn)行探究。此過(guò)程中還可引出膠體的聚沉方法，并遷移出膠體的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值（凈水），最后不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和科學(xué)態(tài)度，還可以發(fā)揚(yáng)創(chuàng)新精神。

一、教學(xué)設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)一：實(shí)驗(yàn)引入，激發(fā)興趣

【實(shí)驗(yàn)引入】參照教材實(shí)驗(yàn)1-1的步驟完成Fe（OH）3膠體的制備實(shí)驗(yàn)，并思考：為何選用這種方法制備膠體？是否可用在FeCl3溶液中滴加NaOH溶液的方法來(lái)制備？

【學(xué)生回答】根據(jù)初中的化學(xué)知識(shí)，向FeCl3溶液中滴加NaOH溶液并不會(huì)制得Fe（OH）3膠體，而是產(chǎn)生Fe（OH）3沉淀，因此不能用此方法來(lái)制備Fe（OH）3膠體。教材中的方法制備過(guò)程的要求較多，可能跟膠體的特殊性有關(guān)。

設(shè)計(jì)意圖：首先，通過(guò)新奇的化學(xué)實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生的注意力并引入課題;隨后，通過(guò)提問(wèn)的方式引導(dǎo)學(xué)生回顧初中化學(xué)知識(shí)，并引出Fe（OH）3膠體制備條件的苛刻性，為探究Fe（OH）3膠體的制備步驟埋下伏筆。需要注意的是，在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)中，教師可先略講采用沸水法制備膠體的原因，把它作為懸念，引發(fā)學(xué)生思考。

環(huán)節(jié)二：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自主探究

【追問(wèn)】制備Fe（OH）3膠體需要哪些必要條件？請(qǐng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

【學(xué)生A】沸水是制備Fe（OH）3膠體的必要條件。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究：第一組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二組，在蒸餾水中直接滴加5～6滴FeCl3飽和溶液。

【學(xué)生B】蒸餾水是制備Fe（OH）3膠體的必要條件。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究：第一組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二組，自來(lái)水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液。

【學(xué)生C】FeCl3飽和溶液也是制備Fe（OH）3膠體的必要條件。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究：第一組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3飽和溶液;第二組，蒸餾水煮沸后滴加5～6滴FeCl3稀溶液。

【教師總結(jié)】沸水、蒸餾水和FeCl3飽和溶液是制備Fe（OH）3膠體的三個(gè)必要條件。它的制備原理為[FeCl3+3H2O△ ]Fe（OH）3（膠體）+3HCl。加熱可以使HCl揮發(fā)從而使膠體的制備反應(yīng)得以發(fā)生;如果不加熱，就僅僅是對(duì)FeCl3溶液進(jìn)行稀釋。同時(shí)，自來(lái)水中含有較多的Cl-、Ca2+、Mg2+等離子，會(huì)使Fe（OH）3膠體變成沉淀;而蒸餾水含有的離子數(shù)目較少，不會(huì)使Fe（OH）膠體沉淀。FeCl3飽和溶液的加入是為了增大FeCl3的濃度，使化學(xué)平衡向右移動(dòng)，有利于Fe（OH）3膠體的生成。

設(shè)計(jì)意圖：為培養(yǎng)學(xué)生捕捉問(wèn)題的能力和促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)應(yīng)用控制變量法，該部分內(nèi)容被設(shè)計(jì)為探究性實(shí)驗(yàn)。除此之外，教師可通過(guò)板書展示化學(xué)方程式，提升學(xué)生書寫化學(xué)方程式的能力。值得注意的是，膠體的制備步驟涉及化學(xué)平衡、鹽類水解等復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程。在授課過(guò)程中，教師要把握“先薄后厚”的原則，即先請(qǐng)學(xué)生記住Fe（OH）3膠體制備的步驟把知識(shí)學(xué)“薄”，隨后提供有關(guān)化學(xué)平衡的資料作為課外學(xué)習(xí)再把知識(shí)學(xué)“厚”。

【提問(wèn)】膠體和溶液都有均一透明的性狀，如何區(qū)分兩者呢？

【學(xué)生回答】用紅色激光筆照射液體，如果出現(xiàn)光亮的“通路”，則是膠體;反之，則是溶液。

【追問(wèn)】濁液是否具有丁達(dá)爾現(xiàn)象？請(qǐng)利用現(xiàn)有的藥品和器材制備濁液并進(jìn)行驗(yàn)證。

【學(xué)生活動(dòng)】實(shí)驗(yàn)探究。（見(jiàn)表1）

【教師總結(jié)】濁液沒(méi)有丁達(dá)爾現(xiàn)象。丁達(dá)爾效應(yīng)與分散質(zhì)粒子的尺寸相關(guān)：當(dāng)粒子尺寸在1～100 nm時(shí)，粒子尺寸與光的波長(zhǎng)相近，粒子會(huì)對(duì)光有散射作用，因此可觀察到光的“通路”;當(dāng)粒子尺寸小于1 nm時(shí)，不能發(fā)生光的散射，因此沒(méi)有丁達(dá)爾現(xiàn)象;當(dāng)粒子尺寸大于100 nm時(shí)，由于粒子尺寸較大，光全被粒子反射了，因此也沒(méi)有丁達(dá)爾現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：除了像傳統(tǒng)教學(xué)中使用丁達(dá)爾現(xiàn)象區(qū)分膠體和溶液，本部分增加了探究“濁液的丁達(dá)爾效應(yīng)”的環(huán)節(jié)。首先，通過(guò)Fe（OH）3懸濁液的制備實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。該部分內(nèi)容還為膠體聚沉的概念和方法埋下了伏筆。隨后，詳細(xì)闡述了丁達(dá)爾效應(yīng)的微觀機(jī)理——光的散射，實(shí)現(xiàn)了宏觀辨識(shí)與微觀探析相結(jié)合。

環(huán)節(jié)三：刨根問(wèn)底，獲得新知

【追問(wèn)】產(chǎn)生濁液的原因是什么？請(qǐng)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。

【學(xué)生活動(dòng)】歸納實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果。（見(jiàn)表2）

[ 猜想原因 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論 學(xué)生A CuSO4使Fe（OH）3膠體變成沉淀。 對(duì)濁液過(guò)濾，觀察沉淀顏色;再向沉淀中加入鹽酸，觀察溶液的顏色 沉淀呈棕褐色，鹽酸溶解后的溶液為棕黃色，推測(cè)CuSO4使Fe（OH）3從膠體變成沉淀。 學(xué)生B CuSO4與Fe（OH）3發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生沉淀。 沉淀呈棕褐色，鹽酸溶解后的溶液為棕黃色，推測(cè)CuSO4沒(méi)有與Fe（OH）3發(fā)生反應(yīng)。 ]

【教師總結(jié)】CuSO4溶液可以使Fe（OH）3從膠體變成沉淀，像這樣從膠體變成沉淀的過(guò)程叫作膠體的聚沉。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果可知，加入CuSO4、加熱和攪拌都可以使Fe（OH）3從膠體變成濁液。膠體聚沉的方法主要包括加熱、攪拌和加入像CuSO4這樣的電解質(zhì)。

【追問(wèn)】三種膠體聚沉方法的微觀機(jī)理分別是什么？

【知識(shí)拓展】膠體變成濁液的實(shí)質(zhì)是分散質(zhì)粒子尺寸變大。加熱是通過(guò)增加熱運(yùn)動(dòng)，使膠體粒子碰撞在一起的機(jī)會(huì)變大，從而增大粒子尺寸;攪拌是通過(guò)增加膠體粒子的碰撞概率，從而增大粒子尺寸;大部分膠體粒子帶電，電解質(zhì)（異種電荷的離子）的加入會(huì)使膠粒聚集，從而增大粒子尺寸，最終變成濁液。

設(shè)計(jì)意圖：在該環(huán)節(jié)中，先通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究的方式引出新知識(shí)——膠體的聚沉，不僅使學(xué)生印象深刻，還培養(yǎng)了學(xué)生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。隨后，通過(guò)知識(shí)拓展的形式，從微觀的角度分析了加熱、攪拌和加入電解質(zhì)三種膠體聚沉方法的微觀機(jī)理。整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)了“證據(jù)推理與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：歸納總結(jié)，回歸應(yīng)用

【情境創(chuàng)設(shè)】膠體在實(shí)際生產(chǎn)生活中有很多應(yīng)用，例如它可作為一種凈水材料。結(jié)合本課程所學(xué)知識(shí)，分析一下膠體凈水的原理。

【學(xué)生回答】根據(jù)膠體的聚沉原理，膠體可以吸附水中的離子和不溶物，并以沉淀的形式析出，再通過(guò)過(guò)濾操作，就可以實(shí)現(xiàn)凈水的作用。膠體粒徑較小，表面積較大，吸附量也較大，綜合考慮成本和凈水能力，常用于工業(yè)和生活凈水。

【教師總結(jié)】明礬（KAl（SO4）2·12H2O）常常用于凈水，就是因?yàn)樗谒锌僧a(chǎn)生Al（OH）3膠體。除此之外，膠體還可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、廢水處理、食品工業(yè)等領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)意圖：將所學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，并使他們感受到化學(xué)的魅力和作用，這體現(xiàn)了“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)反思

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)是化學(xué)之魂，古往今來(lái)，從拉瓦錫發(fā)現(xiàn)氧氣到夏蓬迪埃和杜娜開(kāi)發(fā)的基因編輯技術(shù)，都是通過(guò)大量嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)不僅可以促進(jìn)新理論的發(fā)現(xiàn)，還可以推動(dòng)人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。然而，實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提升和科學(xué)思維的培養(yǎng)不是一蹴而就的，“不積跬步，無(wú)以至千里;不積小流，無(wú)以成江海”，因此開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從小培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)意識(shí)十分重要。

在高中階段，學(xué)生的智力迅速發(fā)展，高中課程實(shí)驗(yàn)教育必不可少，它不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)，這為學(xué)生日后的科研和學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。因此，在課時(shí)允許的條件下，應(yīng)多進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)演示、實(shí)驗(yàn)探究和課外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)等。

巧妙提問(wèn)和即時(shí)捕捉課堂生成是實(shí)驗(yàn)課程的關(guān)鍵。課堂提問(wèn)是一門藝術(shù)，好的提問(wèn)不僅可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，營(yíng)造良好的課堂氛圍，還有利于教學(xué)環(huán)節(jié)的推進(jìn)。在制備Fe（OH）3膠體的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)中，提問(wèn)一環(huán)扣一環(huán)，從“制備Fe（OH）3膠體的必要條件”到“探究濁液的丁達(dá)爾效應(yīng)”。在探究過(guò)程中，學(xué)生不僅可以獲得新的知識(shí)，還鍛煉了動(dòng)手能力和掌握了科學(xué)思維方法。即時(shí)捕捉課堂生成也是實(shí)驗(yàn)課程的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)課上往往會(huì)出現(xiàn)一些“意外”，如預(yù)料之外的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、一些意外“事故”等，把握住這些“意外”，對(duì)生成問(wèn)題進(jìn)行探討或拓展，不僅可以加深學(xué)生印象，還可以讓學(xué)生收獲新知識(shí)。在制備Fe（OH）3膠體的實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)中，“制備Fe（OH）3懸濁液”這一環(huán)節(jié)的靈感就源自實(shí)驗(yàn)課的一次“意外”：一位學(xué)生誤把CuSO4溶液倒進(jìn)Fe（OH）3膠體中，并觀察到膠體變成了懸濁液。教師即時(shí)捕捉課堂生成，進(jìn)一步講授膠體聚沉的知識(shí)，這樣不僅增大了這堂課的知識(shí)容量，還滿足了學(xué)生的好奇心并解決了疑惑。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 王晶，鄭長(zhǎng)龍.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)教科書化學(xué)（必修1）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]? 金吾倫.科學(xué)變革論：拉瓦錫化學(xué)革命探究[M].北京：科學(xué)出版社，1991.

[3]? DOUDNA J A， CHARPENTIER? E. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9[J].Science， 2014（6552）：1077.

（責(zé)任編輯 羅 艷）