與卡文迪許同行

摘要：以卡文迪許發(fā)現(xiàn)金屬與酸的反應為情境，從金屬與酸能否反應、金屬與酸反應的劇烈程度、金屬與酸反應的化學原理等三個方面進行活動設計，并從情境的設置、過程與方法的培養(yǎng)、化學觀念的建構(gòu)等方面對這一節(jié)課進行了反思.

關鍵詞：卡文迪許;金屬與酸;教學設計;初中化學

中圖分類號：G632文獻標識碼：A文章編號：1008-0333（2021）29-0089-02

2021年3月，筆者受邀為某考察團開設“金屬與酸的反應”觀摩課.如何借助這一節(jié)課，凸顯以提高學生科學素養(yǎng)為主旨的新課程理念呢？突然，卡文迪許發(fā)現(xiàn)鐵與酸反應的史實呈現(xiàn)在筆者的腦海中，是否可以用科學家在科學發(fā)現(xiàn)過程中所運用的研究方法以及遇到的一系列問題為線索，彰顯真實情境下的化學教學，鑒于此，筆者設計了“設置情境→提出問題→自主探究→小組合作→點撥提升”的活動思路（如圖1所示），讓學生在“做科學”的過程中，感悟知識的生成，體驗科學探究的樂趣，培養(yǎng)學生解決問題的能力和方法.

一、教學過程

[情境引入]今天，讓我們穿越到400多年前的英國，化學家卡文迪許在實驗室里不小心把鐵粉扔到廢棄的稀硫酸中，他發(fā)現(xiàn)鐵粉表面產(chǎn)生了許多氣泡，把鐵粉放到稀鹽酸中，也看到了相同的現(xiàn)象.他非常驚奇，于是開始了一系列的探究，下面就讓我們一起踏上卡文迪許的發(fā)現(xiàn)之旅，來認識金屬與酸的反應吧！

1.探究活動1（金屬都能與酸反應嗎）

（1）提出問題：面對這樣的現(xiàn)象，假如你是卡文迪許，你會展開怎樣的聯(lián)想？

（2）學生匯報：①其他金屬是否也能與稀鹽酸、稀硫酸發(fā)生化學反應呢？②產(chǎn)生的氣體是什么？

（3）引導思考：卡文迪許也是這么想的，你們準備怎么做呢？

（4）討論交流：①可以選擇不同種類的金屬與稀鹽酸、稀硫酸接觸;②產(chǎn)生的氣體可能是氧氣或氫氣，可用燃著的木條放在試管口檢驗.

（5）學生實驗：①取銅片、鋅片、鎂片分別于試管中，分別倒入稀鹽酸或稀硫酸;②用燃著的木條放在試管口.匯報現(xiàn)象.

（6）歸納小結(jié)：銅片不與稀鹽酸、硫酸反應，鋅與鎂都能與稀鹽酸、稀硫酸反應產(chǎn)生氫氣.

（7）點撥提升：通常把能與稀鹽酸、稀硫酸反應產(chǎn)生氫氣的金屬稱為活潑金屬，反之稱為不活潑金屬，則這三種金屬的活動性強弱為：Mg與Zn比Cu強.為了區(qū)分，通常在中間用H隔開，把能與酸反應產(chǎn)生氫氣的金屬排在H前面，不能反應的排在H后面.

設計意圖：本活動以卡文迪許的發(fā)現(xiàn)展開聯(lián)想，提出問題，讓學生設計并通過實驗，得出并非所有的金屬都能與稀鹽酸、稀硫酸發(fā)生反應產(chǎn)生氫氣，同時因勢利導，讓學生感悟到原來金屬能否與酸反應與金屬活動性有關.

2.探究活動2（金屬與酸反應的劇烈程度與什么有關）

（1）引導思考：卡文迪許在實驗中發(fā)現(xiàn)，金屬與稀鹽酸、稀硫酸反應時，反應的劇烈程度不同，那么金屬與酸反應的劇烈程度與什么有關呢？

（2）做出猜想：①與金屬和酸的種類有關;②與酸的濃度有關;③與金屬與酸的接觸面積有關;④……

（3）點撥提升：設計實驗時，要注意控制變量，如金屬的表面積、酸的種類、濃度等.

（4）制定計劃：現(xiàn)有鎂片、鋅片、鋅粒、鐵片、鐵粉、5%稀鹽酸、10%的稀鹽酸、10%稀硫酸.請選擇一種猜想進行實驗.

（5）實驗探究：學生分組實驗，交流實驗現(xiàn)象和結(jié)論.

（6）歸納小結(jié)：金屬與酸反應的劇烈程度，受金屬和酸的種類、酸的濃度、接觸面積等因素的影響.

（7）質(zhì)疑解惑：有些組的同學在實驗時發(fā)現(xiàn)鋅開始反應時比較慢，隨著反應的進行越來越快，這是為什么呢？（可能是實驗前金屬表面沒有打磨，鋅表面的氧化膜較致密）

設計意圖：本活動通過對金屬與酸反應劇烈程度的探究，感受探究活動的樂趣，并通過對實驗藥品的選擇，體驗對比的實驗設計方法——控制變量的思想，增進對科學探究的理解;再通過對實驗異常的反思，培養(yǎng)學生實事求是的精神和分析問題、解決問題的能力.

3.探究活動3（金屬與酸反應的原理是什么）

（1）設置情景：卡文迪許在進行鐵粉與稀硫酸反應后，最終發(fā)現(xiàn)溶液變成了淺綠色（實物展示），鐵與稀硫酸反應除了生氣氫氣，還生成什么呢？（提示：①化學反應前后元素守恒;②查閱資料得知，溶液中+2價的亞鐵鹽顯淺綠色）

（2）點撥提升：從粒子的角度分析鐵粉與稀硫酸反應的微觀實質(zhì)（如圖2所示），金屬與酸反應后得到的金屬化合物以離子的形式分散在水溶液中.

（3）板演分析：板演該反應的化學方程式，并從反應前后元素的置換情況，分析反應規(guī)律.

（4）學生實驗：將裝有鋅與稀硫酸反應后的溶液試管，放在冰水中降溫，觀察現(xiàn)象.

（5）解釋結(jié)論：寫出鋅與稀硫酸反應的化學方程式.

（6）交流展示：①你能從反應物和生成物所屬物質(zhì)類別的角度，說說上述反應類型有什么特點呢？②給出4個不同的化學反應，請同學從中找出與上述反應相同的反應類型.

（7）歸納小結(jié)：①由一種單質(zhì)和一種化合物生成另一種單質(zhì)和另一種化合物的反應屬于置換反應;②金屬與稀鹽酸、稀硫酸的反應屬于置換反應.

設計意圖：本活動通過微觀圖、學生實驗等，目的是讓學生全面認識金屬與酸反應的化學原理，針對鐵與酸反應生成亞鐵鹽的問題，通過觀察并對比亞鐵與鐵鹽的溶液，形成正確的變化觀;置換反應的定義讓學生自主生成，化學方程式的書寫讓學生自主評價，充分發(fā)揮了學生的主體性.

卡文迪許通過金屬與酸的反應制得了氫氣，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)一定量的某種金屬與足量的各種酸（稀鹽酸、稀硫酸等）作用，所產(chǎn)生的氫氣量總是固定的，同時他還發(fā)現(xiàn)氫氣與空氣混合后點燃會發(fā)生爆炸，可惜的是卡文迪許依然對燃素說情有獨鐘，為了維護燃素說的地位，他錯誤地認為這種氣體（氫氣）是燃素和水的化合物，最終丟掉了對氫元素的科學發(fā)現(xiàn)權(quán).

二、教學反思

1.情境邏輯主線明確，貫穿始終

新課程強調(diào)要創(chuàng)設基于真實情境的化學教學，本節(jié)課以卡文迪許偶然發(fā)現(xiàn)鐵粉與稀鹽酸、稀硫酸反應的科學史實為情境，將科學家對問題的分析和解決這樣一條邏輯主線貫穿于教學的始末，并為此設計了3個探究活動（金屬都能與酸反應嗎、金屬與酸反應的劇烈程度與什么有關、金屬與酸反應的原理是什么），下一個活動是上一個活動的邏輯需要，上一個活動是下一個活動的價值背景，3個活動間呈現(xiàn)出清晰的邏輯關系，學生按照這種嚴密的課堂活動邏輯主線，使探究活動更有深度、更有實效，同時能讓學生獲得積極的情感體驗，實現(xiàn)了情境與化學知識的有機融合.

2.實驗探究凸顯，注重過程與方法

科學探究能力中需要學生初步具備對比、控制變量的實驗設計能力，基于這樣的認識，本節(jié)課在進行比較金屬活動性強弱的教學設計時，并未囿于教材的實驗，而是進行了創(chuàng)新.先是在裝有鎂、鋅和銅這3種不同金屬的試管中，加入稀鹽酸或稀硫酸，根據(jù)是否反應比較活動性的強弱，后是提出問題“劇烈程度（或速率）與什么有關”，讓學生通過對實驗方案的設計和討論，培養(yǎng)學生在實驗探究中的證據(jù)意識和運用對比、控制變量的學科思想，事實上此時學生也已經(jīng)具備這樣的能力，通過這樣的實驗創(chuàng)新，學生對比、控制變量的實驗設計能力也就水到渠成的了.

3.知能自然生成，體現(xiàn)觀念建構(gòu)

本節(jié)課將“元素觀”、“微粒觀”、“實驗觀”和“分類觀”等化學核心觀念滲透于問題解決的探究活動中.以“分類觀”為例，活動一從能否與酸發(fā)生反應的角度對金屬進行分類，活動三在建立置換反應的概念時，在得出金屬與酸反應的化學方程式基礎上，請學生思考歸納這類反應的共同點，此時學生得出的常常是不準確的，如都有金屬參與，都生成氫氣等，再出示已學過的4個不同的化學反應，請學生比較分析哪一個反應與上述反應屬于同一類別，學生在解決問題的活動設計中，逐步學會了從單質(zhì)和化合物的角度進行歸納，完善和生成了置換反應的概念.

參考文獻：

[1]郭奕玲.盧瑟福與卡文迪許實驗室（上）[J].實驗技術與管理，1984（2）：76.

[2]朱娟蓉.豐碩的實驗室成果是創(chuàng)建世界一流大學的基石——對卡文迪許實驗室的點評，啟示及思考[J].教育教學論壇，2017（37）：1-2.

[責任編輯：季春陽]

作者簡介：曹年華（1977.2-），男，江蘇省南通人，本科，中學高級教師，從事初中化學教學研究.