体现化学概念原理知识形成过程的实验活动设计——以“弱电解质的电离”教学为例，本文主要内容关键词为：电离论文,为例论文,弱电论文,原理论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“弱电解质的电离”是电解质溶液理论中的重点知识，也是难点知识。为了帮助学生形成对抽象理论知识的认识和理解，需要依托化学实验。为此，本文以其教学为例，在概念原理的引入、形成和理解等不同阶段设计不同的实验活动，让学生在经历层层递进的实验活动中，使认识不断深化，最终自主形成新的理论认识。
一、从“弱电解质的电离”的核心内容看教材中的实验设计
弱电解质的电离的核心内容包括：①在溶液中，电解质的电离有强弱之别。②弱电解质的电离是可逆的，存在电离平衡。③改变某些条件，弱电解质的电离平衡会发生移动。
这部分内容是化学平衡理论在电解质溶液中的具体应用，同时，也是学习盐类水解和难溶电解质溶解平衡的基础，可以进一步提升对离子反应本质的认识。
在人教版选修模块4的教材中，该内容共设置了2个实验：
[实验1]分别试验等体积、等浓度的盐酸、醋酸溶液与等量镁条的反应；并测这两种酸的pH。
[实验2]向两支分别盛有0.1mol/L醋酸和饱和硼酸溶液的试管中滴加等浓度
溶液，观察现象。
实验1分别从定性和定量的角度说明等浓度的盐酸和醋酸中氢离子浓度不同，以此揭示电解质电离程度有强弱之分，从而建立强、弱电解质的概念。其中，两种酸与镁条反应速率的差异，定性说明盐酸电离程度大于醋酸，不能说明盐酸完全电离。测定两种酸的pH，能定量说明盐酸完全电离，醋酸不完全电离。可见，实验1能说明等浓度的盐酸和醋酸中氢离子浓度不同，其中定量实验比定性实验揭示的内容更多，并丰富了比较酸强弱的方法。
实验2是根据醋酸与碳酸钠溶液混合放出二氧化碳气体，硼酸与碳酸钠溶液混合无气体放出，来说明醋酸酸性强于碳酸，硼酸酸性弱于碳酸，以此巩固“强酸制弱酸”的认识，同时揭示酸的电离常数与酸强弱的对应关系，渗透定量分析问题的思想。
分析教材设置实验的意图和不足，以便结合知识特点和学生情况进行整体实验设计，改进和补充一些实验，顺利建立概念。
二、从学生学习基础与困难看实验设计的定位
在学习“弱电解质的电离”之前，学生已有以下几点认识：①电解质和电离的概念，常见酸、碱、盐的电离。②金属与非氧化性酸反应的本质。③金属与非氧化性酸反应的剧烈程度与金属的活动性以及氢离子浓度有关，当金属相同（种类、颗粒大小相同）时，氢离子浓度大的反应剧烈，浓度小的反应缓慢。④pH表示溶液的酸碱性，pH小于7的溶液显酸性，pH越小酸性越强。⑤复分解反应中有“强酸制弱酸”的一般反应规律。⑥平衡常数能说明可逆反应进行的程度。
基于教材内容和以往的教学经验，学生可能存在的主要困难和障碍有：①强、弱电解质与常见物质的对应关系。②弱电解质电离出来的离子能结合成分子，弱电解质在溶液中存在电离平衡。③人教版教材中，水的电离和pH概念在“弱电解质的电离”之后出现，学生对pH与氢离子浓度的函数关系不清楚。
鉴于教材的内容编排、学生的知识基础及学习困难，本课实验设计的总体定位是，以问题解决递进方式逐步建立对“弱电解质的电离”的全面认识。具体包括两个方面：第一，电解质分为强电解质和弱电解质；第二，溶液中弱电解质存在电离平衡。在电离平衡中，分三层逐步建立：①弱电解质溶液中，存在弱电解质的分子和其电离出的离子。②弱电解质溶液中，弱电解质分子能不断电离成离子。③弱电解质电离出的离子能结合成分子。
三、促进学生形成和理解概念原理的教学活动设计
1.教学活动设计整体思路
基于以上分析，“弱电解质的电离”一课以实验促进概念建立为支持，围绕“盐酸和醋酸的酸性比较——盐酸和醋酸的电离不同，在溶液中，电解质有强弱之别——醋酸可以继续电离——醋酸根离子与氢离子能结合成醋酸分子——比较酸性强弱的方法”的思路展开教学。教学结构如图1所示。
上述教学活动设计力求四个凸显，即力求“以点带面、注重讲理、注重学科思想渗透和注重能力培养”。所谓“以点带面”，就是通过醋酸的电离特点认识弱电解质的电离特点，即由个别认识上升到一般认识。所谓“注重讲理”，就是力求使概念和理论的建立有实验事实依据，通过直观的化学实验，使学生从感性认识上升到理性认识，在知其然中，实现知其所以然。“注重学科思想渗透”，主要是指尽可能从定性和定量两个角度揭示事物的本质，即渗透“定性定量相结合”的思想，以及尽可能从微粒的角度审视宏观现象，即渗透“粒子观”。“注重能力培养”，就是尽可能通过学生设计实验方案、猜测实验现象和解释实验现象，以及分析数据等活动，培养学生动手能力、分析问题和解决问题能力，同时强化控制变量等科学研究的思想方法。
2.体现概念原理形成过程的关键实验活动设计
环节1 在实验设计和实施中发现问题，引入概念
[问题]如何比较盐酸和醋酸的酸性强弱？请根据所给试剂比较盐酸和醋酸的酸性？
[学生实验]（学生设计实验方案，师生共同讨论方案的可行性）：①用pH试纸测定同浓度的盐酸和醋酸的pH。②用同浓度的盐酸和醋酸分别与镁条反应。注意观察和记录实验现象，并思考以下问题：金属与酸反应的本质是什么？影响反应速率的因素有哪些？为什么要比较同浓度的盐酸和醋酸？根据实验现象能得出什么结论？
[问题]若想说明盐酸完全电离，上述实验要做怎样改进？
[演示实验]用pH计分别测定0.1mol/L的盐酸和0.1mol/L醋酸的pH。
（设计意图：用开放性的问题设问，能更好地激发学生的思维，通过一个问题的多种解决方式，体现学以致用。强调盐酸和醋酸的浓度关系，能强化控制变量的科学方法。采用两种方法测定相同溶液的pH，深刻感知pH试纸和pH计的测量精度。用pH试纸测定时，只能粗略测出溶液的pH，可得出盐酸电离程度大于醋酸的结论，不能得出盐酸是完全电离的结论。用pH计时，能较精确测出pH，结合pH的定义式和实验数据，能够说明盐酸是完全电离的，醋酸是不完全电离的，从而引出强电解质和弱电解质的概念。）
环节2 在对比和定量化实验中发现、思考问题，建立概念
[问题]等体积、等浓度的盐酸和醋酸分别与过量镁条反应，各自反应速率的变化一样吗？产生气体总量相同吗？怎样解释实验现象？
[演示实验]同体积、同浓度的盐酸和醋酸同时与过量镁反应。
实验装置如图2。
操作和现象：将注射器针管中的酸溶液同时注入试管中。开始阶段，单位时间内盐酸中产生的气体明显多于醋酸中产生的气体。一段时间后，单位时间内盐酸中产生的气体少于醋酸中产生的气体。盐酸与镁反应呈现出逐渐变慢的变化，醋酸与镁反应的剧烈程度，开始较长时间内无明显变化，之后逐渐减慢。最后两个量筒内收集到的气体体积几乎相等。
（设计意图：同时演示两种酸分别与镁条的反应，并收集气体，使两个反应的异同一目了然，增强了实验的对比度，定性实验上升到定量实验，提升了实验的价值。通过两个实验起始阶段反应速率的不同，巩固两种酸电离程度存在差异的认识。通过各自单位时间内产生气体量的变化，说明反应时盐酸中氢离子浓度逐渐减小，醋酸中氢离子浓度开始一段时间内不明显减小，进而得出盐酸是完全电离的，醋酸没有完全电离，溶液中除离子外，还存在醋酸分子，且醋酸分子可以继续电离的认识。通过最终得到等量的气体，得出随反应的进行，醋酸能不断电离，且最终完全电离。）
[问题]下列实验现象能说明什么？其中实验②的目的是什么？
[演示实验]用pH计分别测定三组溶液的pH：①0.2mol/L盐酸；②0.2mol/L盐酸与水等体积混合溶液；③0.2mol/L盐酸与0.2mol/L的醋酸钠溶液等体积混合溶液。
实验数据：实验①、②、③的pH分别为0.70、1.02、2.80。
（设计意图：从可视的角度说明盐酸与醋酸钠溶液混合后，氢离子浓度的变化不是简单的“稀释”变化，其减小的幅度大于用水稀释的幅度，从而说明氢离子和醋酸根离子能结合成醋酸分子。综合两个演示实验得出：弱电解质溶液中，弱电解质的电离是不完全的，存在弱电解质分子、组成弱电解质的离子；一定条件下，弱电解质能继续电离，直至电离完全；组成弱电解质的离子可以结合成弱电解质分子；当电离速率等于结合速率时，达到电离平衡。）
环节3 在实验探究中巩固概念，在数据分析中提升认识
[问题]如何比较硼酸、碳酸和醋酸的相对强弱？根据所给化学试剂，能设计出几套实验方案？查看三种酸的电离常数，你有什么发现？
[学生实验]（学生设计实验，师生共同讨论实验方案的可行性）完成硼酸与碳酸钠溶液反应，醋酸与碳酸钠溶液反应。并思考以下问题：利用酸和盐的反应时，最少做几个实验就能比较出三种酸的酸性强弱？化学平衡常数的含义是什么？能否理解电离常数的含义？酸和盐混合时，若无明显现象，一定没有发生反应吗？
（设计意图：以探究方式呈现，意在巩固比较酸的酸性强弱的实验方法。由于没有相同浓度的三种酸，不能采用测定溶液pH的方法，强化控制变量的实验方法。用酸与盐反应的实验方法时，必须有明显的实验现象，强化理论应与实际相联系的思想方法。通过联系电离常数，将定性认识上升到定量化认识。）
总之，基于实验建立概念和原理是常用的有效方法，进行实验设计时应明确概念原理的核心本质、演变过程、支撑事实和需要的知识基础，力求展现概念原理的形成过程，让学生通过亲历层层递进的实验，自主建构概念。