基于“模型认知”发展的“胶体”教学设计

李新兰

关键词：胶体;分散系;模型认知

鲁科版高中化学必修一（2017版）中将“胶体”这部分内容安排在第二章第一节“元素与物质分类”的第二课时，第一课时的主要内容是物质分类与物质性质。所以在研究胶体这一类分散系的性质时，需从物质分类角度入手，在元素组成差异以及物质性质差异对不同物质进行分类的基础上，进一步了解被分散的物质微粒大小差异对物质性质的影响。

一、教学目标设计

《普通高中化学课程标准（2017版）》对于胶体这部分知识的学习内容要求是“认识胶体是一种常见的分散系”。依据课程标准，确定本节课的教学目标如下。

（1）比较溶液、胶体、浊液三种分散系的异同，通过分散系模型的建构，从微观层面上探析三种分散系的本质区别，将胶体的渗析与过滤原理进行比较，建立胶体中微粒分散的模型。

（2）了解氢氧化铁胶体的制备方法;认识丁达尔现象并运用胶体中微粒分散模型进行解释;认识胶体的吸附、电泳和聚沉，根据新的证据修正胶体中微粒分散模型。

（3）运用胶体中微粒分散模型解释生产生活中的相关现象与应用，了解胶体知识发展的前沿与方向。

二、教学重难点

教学重点：认识三种分散系的本质区别，了解胶体的丁达尔现象，构建胶体的微观模型。

教学难点：建构、修正并运用胶体中微粒的分散模型从微观层面解释胶体的性质。

三、教学过程

本节课将模型认知作为学习胶体发展知识的重要过程，教学中设计了五个学习活动，分别对应了五个模型认识的环节，如图1所示。活动1是激活学生的相关的前概念与知识，为本节课的建模活动作好知识上的准备;活动2是对观察的现象进行分析和推理，确认并描述现象的系统组成;活动3是确认模型的重要元素，构建模型，利用图表来诠释模型的功能与意义;活动4是对模型进行检验与修正，使其适应新的现象或发现;活动5是将模型运用于熟悉与不熟悉的情境中，使其与学生已有知识与观念建立更好的联结。

1.活动1：比较三种分散系

师：向0.1mol/L FeCl3溶液中滴加0.1mol/L NaOH溶液，会出现什么现象？

生：（预测现象并完成分组实验）生成红褐色沉淀，预测的现象与实验结果一致。

师：正如大家所预测的，试管中出现红褐色浑浊，充分振荡后得到红褐色的氢氧化铁悬浊液。方程式为：FeCls+3NaOH=Fe（0H）3+3NaCl。

大家再來预测，向FeCl3溶液中加水或者将FeCl3溶液滴入水中，颜色会如何变化？作出推断的依据是什么？

生：（预测现象）颜色变浅，因为FeCl3溶液被稀释。

（分组实验）取两支试管，一支盛有5mL FeCl3浓溶液，一支盛有5mL沸水。向盛有沸水的试管中滴人5滴浓Fecl，溶液，观察现象。

（现象分析）现象与预测不一样，向有沸水的试管中滴入几滴FeCl3溶液，所得溶液的颜色为红褐色，比原来的FeCl3溶液深。

师：我们预测将FeCl3溶液滴入水中后颜色会变浅的依据是什么？

生：预测的依据是FeCl3溶液在这个过程中被稀释。

师：那么根据实际实验现象，你认为将FeCl3溶液滴入沸水后依然是发生稀释的过程吗？

生：不是，这个过程有其他的变化发生。

师：其他的变化是什么？将FeCl3溶液滴入沸水后得到的依然是FeCl3溶液吗？

生：应该生成了新的物质，这种物质的颜色要更深一些。

师：根据参加反应的物质元素守恒，再结合试管中液体的颜色，你猜想可能生成了什么物质？

生1：红褐色的物质应该是Fe（OH）3。

生2：Fe（OH），不溶于水，应该是沉淀，可是试管中没有出现沉淀。

生1：只滴了几滴Fecl3溶液，可能是因为生成的Fe（OH）3太少了吧。

师：反应物是FeCl3和水，反应的条件是加热，根据元素守恒以及红褐色，大家猜测产物是Fe（OH）3。但是我们对于所得液体中并没有沉淀产生感到困惑。看来，溶液和浊液并不能代表物质分散的全部情况，我们对于一种物质分散到另一种物质中的认识需要进一步的拓展了。

（展示三支试管，分别盛有FeCl3溶液、Fe（OH）3胶体和Fe（OH）3悬浊液）这三种混合物分别是FeCl3溶液、Fe（OH）3悬浊液，以及我们刚刚获得的另一种Fe（OH），分散于水中的混合物。它们都是由一种物质分散到水中形成的混合物，它们在外观上的差异是什么？为什么会有这样的差异？其本质差别在哪里？接下来我们就一起来分析。

评析：本节课通过实验引入课题，让学生先预测实验现象，而在实际实验时产生了“异常”现象。这样的学习过程利用了学生的认知冲突，较好地打开了学生的知识生长空间。分组实验以FeCl3溶液开始，分别得到了Fe（OH）3胶体和Fe（OH），沉淀，从而引出三种不同的分散系，并比较其外观在“清”与“浊”上的差异，分析出现差异的本质原因在于其被分散的物质的微粒大小不同。

在本节课的后续教学中学生需要发展模型建构的相关素养，教师需要认识并预估到学生在建模历程中可能遇到的学习困难，在这个学习活动中教师需要为模型构建提供相应的知识准备。课堂教学中从溶液和浊液的分散质微粒特征及其性质开始，学习过程遵循先具体而后抽象的原则，鼓励学生思考不同分散系之间的关系，这些活动都是为了协助学生接下来要进行的推理历程和建模历程，使学生建模活动历程之间的联结更具有结构性。

2.活动2：胶体的分离提纯

师：如果需要分离出Fe（OH）3悬浊液中的Fe（OH），固体，我们可以用什么样的方法？其原理是什么？

生：过滤，利用物质的溶解性差异进行分离。

师：我们也可以换一个视角来看过滤。喝茶时常常使用茶漏，可以滤去茶叶，达到分离茶水和茶叶的目的。而分离Fe（0H）3悬浊液时过滤所要用到的则是滤纸。滤纸在放大若干倍之后，也可以看到上面有一定孔径的小孔。这些特定孔径的小孔使得溶液中较小的分散质微粒可以透过，而较大的悬浊液微粒则不能透过，实现两者分离的目的。

我们在刚才的实验中制备了Fe（0H）3胶体，但是试管中所得到的混合物中并非仅有Fe（OH）3胶体，还有未反应的FeCl3溶液以及反应生成的HC1溶液。如何分离提纯出其中的Fe（OH）3胶体呢？我们知道胶体与溶液和浊液的本质差异是分散质微粒的大小。那我们现在想要分离溶液和胶体，你觉得可以用怎样的方法呢？

生：选择孔径更小的“筛子”，其孔径小于1nm，使溶液中较小的微粒可以通过，而胶体粒子不能通过。

师：这种材质最早就是由胶体化学之父ThomasGraham发现的，它是一种半透膜，利用半透膜分离提纯胶体的方法称之为渗析。

评析：溶液、胶体和浊液的本质区别在于分散质微粒的大小差异，根据这一差异可以对其进行分离。学生对于过滤操作比较熟悉，但是往往是从溶解性的差异去理解过滤的分离原理。这里引导学生换一个视角来分析熟悉的过滤方法的本质，并将其拓展迁移至分离较大颗粒物质以及分离更小颗粒物质的思维方法上，既有利于学生形成胶体中分散质颗粒大小的认识，也有利于学生将所学知识纳入自己的知识结构体系，实现知识的结构增长。

用不同孔径的筛子来进行过滤或者渗析也是一种模型。在这个过程的学习中也希望能够让学生意识到，科学家的工作目标之一就是理解自然世界是如何运作的，当物体可能体积太大、太小，现象出现太快或较复杂，模型将会是一个有用的工具来协助科学家进行预测、解释与理解自己的发现。这一学习也是为接下来的模型建构任务做相应的准备。

3.活动3：丁达尔现象

制得的胶体有哪些主要性质呢？

生：（分组实验）用激光笔照射溶液与胶体，观察现象。

师：同样为澄清透明的液体混合物，用光线照射提纯得到的胶体，在垂直于光路的方向能够观察到光亮的通路，而溶液则不会出现这样的现象。为什么会这样呢？

提供信息：光的透射、反射、散射与光的波长以及传输介质颗粒的大小有关。在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子远小于入射光波长，发生的是透射;如果粒子远大于入射光波长，则发生光的反射;如果粒子略小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒而向其四周放射的光。

生：（討论）溶液中溶质微粒太小，对于入射光线散射作用很弱，光线直接透过。当光线照射胶体时，胶体粒子对其产生了散射，每个胶体粒子就好像一个发光体，无数发光体散射就形成了一条通路。这个现象，最早是1869年由英国科学家丁达尔发现的，因此称之为丁达尔现象。

师：（播放视频）NaCI溶于水时Na+和C1-在水中分散的微观动画模拟。

生：画出溶液、胶体、浊液中分散质微粒的分散示意图。多数学生所画的示意图如图2所示。

评析：溶液、胶体和浊液三种分散系分散质微粒大小差异引起了其透光性的差异，这一部分内容的学习首先需要对胶体中分散质大小进一步建立感性认识。教师需要提供光线在遇到不同大小微粒时发生不同现象的信息，帮助学生建立宏观现象与微观结构之间的联系，让学生能够从宏观和微观结合上收集证据，能依据证据从不同视角分析问题，推出合理的结论。提供NaCl溶于水时Na+和C1-在水中分散的微观动画模拟是模型认知的模型准备活动，在此基础上要求学生画出溶液、胶体、浊液中分散质微粒的分散示意图是依据宏观现象与结果分析进行模型建构的过程。

在这节课上，学生经由观察思考胶体粒子的可能形态，并对这种形态进行检验和解释，从而建立起胶体粒子的模型。为了展示和交流自己的理解，学生学习了使用图片这样的表征方式。这个过程使用了可视化的学习方法，可视化可以使学生以可见到的形式来思考，而不是通过抽象或符号的形式。可视化能够传达无法直接看到的信息，思考复杂的关系与空间位置，更有利于学生对于抽象概念的学习。

4.活动4：电泳和聚沉

师：（演示实验）用激光笔照射静置后的泥水上层清液，从垂直于光线的方向可以观察到一条光亮的通路。其实泥水是个复杂的体系，其中有分散质颗粒较大易于沉降的悬浊液，也有颗粒较小不易于沉降的胶体。

黄河从青藏高原出发，贯穿九省人海，水流湍急之处夹裹着泥沙，到了水流平缓之处这些泥沙不断沉积。但是在它到了入海口的时候，已经非常澄清的河水会再一次发生沉积，形成泥土细腻而肥沃的黄河三角洲，也就是我们脚下生活的这片土地。开始时的泥沙沉积和入海口的沉积一样吗？

生：开始时是悬浊液中较大颗粒的沉积，人海口应该是胶体粒子的沉积。

师：胶体具有一定的稳定性，为什么在入海口不再稳定而发生沉积了呢？

（演示实验）对Fe（OH）3胶体通直流电源后，与电源负极相连之处颜色加深，与电源正极相连之处颜色变浅。如何解释实验现象？

生：胶体粒子带电，通电后向与电源负极相连的电极移动，说明胶体粒子带正电。

师：为什么胶体粒子会带电荷呢？这是因为胶体粒子的表面积比较大，具有较好的吸附性，能够吸附离子，从而带上电荷。请大家根据这个实验现象，对前面我们画出的胶体中分散质分散情况示意图进行修正和补充。

生：在胶体粒子上加上所带电荷（多数学生此时在胶体粒子上补充了正电荷，如图3所示）。

师：根据这个现象，你能解释为什么黄河在入海口前依然带有大量的胶体粒子不易沉降，而到了人海口处会沉积形成三角洲吗？

生：由于胶体粒子带电荷，彼此之间有排斥作用，难以聚集，因此胶体比较稳定。在海水中有大量的盐类物质，电离后产生带电荷的离子，这些离子破环了胶体粒子所带的电荷，使水中的胶体粒子聚集在一起发生了沉积。

师：我们的这个解释正确吗？如何验证？

生：（实验）向泥土胶体中加入Na2S04溶液，观察现象。

师：在电泳实验中我们得到的结论是Fe（0H）3胶体粒子带正电荷，那么是不是所有的胶体粒子都带正电荷呢？比如泥土胶体？如果泥土胶体也带正电荷，将Fe（OH）3胶体和泥土胶体混合，你认为会产生怎样的现象？

生：（预测）若都带正电荷，混合后相当于Fe（OH）3胶体的稀释，没有明显的现象。

（分组实验）将Fe（OH）3胶体和泥土胶体混合，观察现象。两者混合后变得浑浊，放置一段时间后有沉淀产生。

师：现象与我们的预测不一致，说明什么？

生：预测的依据是泥土胶体粒子与Fe（OH）3胶体粒子一样，都带正电荷。出现不同的现象说明预测的依据有问题，泥土胶体粒子所带的电荷与Fe（OH）3胶体粒子不一样，带负电荷。

师：同种胶体粒子的吸附性质相同，会吸附同种电荷的离子，而不同的胶体粒子吸附性质不一定相同。请大家对我们的胶体中分散质的分散模型再次进行修正。

生：修正模型。修正后的模型如图4所示。

評析：胶体的电泳和聚沉既是很好的发展学生“宏观辨识与微观探析”的良好素材，也是在“模型认知”教学中对于已经建构的模型不断进行修正的过程。在前面的学习中，学生已经依据溶液中溶质的分散模型建立了胶体中分散质的分散模型。这个模型是建立在对于分散质大小的认识基础上，学生也初步运用这一模型解释了胶体的丁达尔现象。但是在遇到新的问题时，运用这个模型无法给出解释，这就需要我们根据新的发现不断对模型进行修正，甚至建立新的模型替代原有的模型。

在这个活动中，学生经历了对模型的运用、评估和修正。教师带领学生思考：构建的模型是否能解释所有的观察现象？模型能否用来预测胶体的其他性质？胶体模型是否与其他分散系的模型建立起了相关性？本节课对于模型主要是着重于让学生认识模型的功能，至于模型与实体之间的差异，以及更加准确的胶体粒子模型，则不是本节课的重点内容，有待于学生未来进一步探究和学习。

5.活动5：运用与拓展

师：展示生活生产中胶体的应用现象：清晨树林里的光束，卤水点豆腐，混用不同色墨水引起钢笔堵塞，蒸鸡蛋羹，用FeCl3应急止血，工厂高压电除尘等。

生：分析其中体现的胶体性质和运用的基本原理。

师：从胶体的研究开始，化学形成了一个分支叫做界面化学，界面化学的研究包括乳化、固体的表面修饰、微纳米粒子的合成、界面合成和膜分离等等，是一个值得研究的化学分支。今天的作业之一就是请同学们了解何为界面化学，用300字以内的语言简单介绍界面化学的研究对象、研究方法和前沿领域。

四、教学反思

本节课利用“异常”现象激发学生开展探究学习的兴趣，运用系列学习过程推动他们的模型认知这一学科核心素养的发展。整节课的教学遵循基本的学习和认识思路，从宏观实验现象入手，在微观层面分析原因、建立和修正模型、寻求解释，再联系生活生产中的现象运用模型。在这个过程中帮助学生提炼出问题的本质，让他们拥有应对不同情境问题的能力。此外，在教学中始终沿着由宏观到微观再回到宏观的思路，带领学生经历数次宏观与微观之间的思维转化，既促进其自觉将分散系模型进行优化，并进一步调整、优化解决问题的思路，形成一定的学科思维方式，也有利于学生透过现象层层深入，充分建立从微观视角解释和探析宏观现象的化学学科素养。从宏观到微观去研究问题的思维品质的养成并非一蹴而就，在几次发散与收敛的递进层出中，教师引领学生很好地演绎了研究问题的学科方法，不断丰富学生认识与思考问题的角度与层次，引领他们在自己原有知识结构的基础上进行改造与重组。

关注“模型认知”的教学强调学生在课堂上的主动学习，学生在建模过程中可以认识科学模型的本质，修正原有的心智模式，进而达到概念改变和知识学习的目的。本节课学生经历了从溶液和浊液开始的概念重建与改变，概念的重建与改变需要学生经历心智模式的重新建构，而模型认知在这个过程起到了非常重要的作用。依据实验事实建立模型，将使学生重新组织他们原有的心智模式，当学生透过建模历程发现实验事实与自己原有心智模式不一致，他们将需要去修正与重建模型。换言之，学生通过模型的构建、运用与修正促进自己完成概念的改变，并且这种概念改变是基于事实与证据。因此，教学过程中应努力培养学生对于模型的认识与建模知识和能力，当然要实施这样的教学，教师也需要拥有良好的建模知识与相关的教学策略。