導(dǎo)向深度學(xué)習(xí)的化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

楊歡　貝偉浩　藍(lán)仁敏

【摘要】本文以教學(xué)碳酸氫鈉自偶電離為例，論述導(dǎo)向深度學(xué)習(xí)的化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的方法，通過分析教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀，找尋教學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)，合理定位評價(jià)目標(biāo)，根據(jù)真實(shí)學(xué)情整合學(xué)科知識，從而解決學(xué)生提出的問題，驅(qū)動(dòng)學(xué)生開展深度學(xué)習(xí)。

【關(guān)鍵詞】深度學(xué)習(xí) 實(shí)驗(yàn)課堂 碳酸氫鈉 自偶電離 高中化學(xué)教學(xué)

【中圖分類號】G63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）26-0120-05

深度學(xué)習(xí)是促進(jìn)學(xué)生能力發(fā)展、提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要方式和可靠路徑。胡久華教授等人在《指向“深度學(xué)習(xí)”的化學(xué)教學(xué)實(shí)踐改進(jìn)》一文中指出，化學(xué)學(xué)科的深度學(xué)習(xí)需要在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運(yùn)用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的思維方式，解決綜合復(fù)雜問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識，建立運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。筆者以教學(xué)碳酸氫鈉自偶電離為例，論述通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的途徑。

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)主題內(nèi)容

碳酸氫鈉自偶電離一課是人教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章《水溶液中的離子反應(yīng)與平衡》的單元復(fù)習(xí)課。學(xué)生在學(xué)完《溶液中的離子平衡》一章后，對溶液中的三大平衡有了初步的認(rèn)識，但利用相關(guān)知識分析和解決實(shí)際問題的能力仍有待加強(qiáng)。

碳酸氫鈉是人教版高中化學(xué)必修第一冊第二章《海水中的重要元素——鈉和氯》第一節(jié)“鈉及其化合物”中的教學(xué)內(nèi)容。教材只簡單介紹了碳酸氫鈉與酸反應(yīng)、受熱分解這兩個(gè)化學(xué)性質(zhì)，并未涉及碳酸氫根在溶液中的電離水解等知識。而利用碳酸氫鹽沉淀金屬離子是工業(yè)生產(chǎn)中的常用方法，顯然學(xué)生僅掌握課本上講述的碳酸氫鈉的性質(zhì)無法深入理解這一反應(yīng)的原理。

本節(jié)課通過整合水溶液中的離子平衡與碳酸氫鹽知識，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)用平衡原理研究物質(zhì)性質(zhì)的方法，同時(shí)深入理解碳酸氫鹽的化學(xué)性質(zhì)。

（二）研究現(xiàn)狀

用碳酸氫鹽沉淀金屬離子是工業(yè)生產(chǎn)常用的方法，如利用碳酸氫銨沉錳、沉鈰等，這一方法也是高考考查熱點(diǎn)。但碳酸氫鹽可以與金屬離子反應(yīng)這一知識在教材中并未出現(xiàn)。在目前的教學(xué)中，大多教師遇到此類試題往往會就題論題，導(dǎo)致學(xué)生對反應(yīng)原理的理解流于表面，不能舉一反三。有教師設(shè)計(jì)了相關(guān)教學(xué)嘗試解決這一問題，如利用碳酸氫鈉與氯化鈣發(fā)生反應(yīng)，檢驗(yàn)沉淀和上層清液的成分書寫反應(yīng)方程式，但并沒有對反應(yīng)原理進(jìn)行深入解釋；有教師通過探究碳酸氫鈉與氯化鈣反應(yīng)生成的沉淀，并通過計(jì)算分析生成相應(yīng)產(chǎn)物的可能性，理論上可行但實(shí)際上計(jì)算對學(xué)生而言難度較大，并且采用這種方式對反應(yīng)原理也缺乏深入解釋。此外，在生物光合作用實(shí)驗(yàn)中，會利用碳酸氫鈉溶液作為二氧化碳的緩沖劑，教師和學(xué)生都對這一原理表示不解。由于反應(yīng)釋放和吸收二氧化碳的量較少，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難直觀觀察到二氧化碳釋放和吸收的過程。為分析二氧化碳緩沖溶液的緩沖原理，有教師設(shè)計(jì)了數(shù)字化解析實(shí)驗(yàn)，借助這一實(shí)驗(yàn)，可以將碳酸氫鈉吸收和釋放二氧化碳的過程具象化。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)探究的載體。貝偉浩老師曾提出由“探究點(diǎn)”“品質(zhì)點(diǎn)”“異常點(diǎn)”“生成點(diǎn)”構(gòu)成的化學(xué)課堂“四要素設(shè)計(jì)模式”。從這一模型出發(fā)，以碳酸氫鈉與氯化鈣的反應(yīng)會產(chǎn)生不同現(xiàn)象這一與學(xué)生預(yù)期不符的異常點(diǎn)為引子引入課程，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。尋找生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的化學(xué)知識，并將其作為條件變換的探究點(diǎn)，抽象出化學(xué)學(xué)科本原性的典型實(shí)驗(yàn)問題并據(jù)此設(shè)計(jì)課程，能夠促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。基于此，筆者構(gòu)建了導(dǎo)向深度學(xué)習(xí)的化合物性質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)模型（如圖1所示）。

三、教學(xué)目標(biāo)

通過解讀課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求，結(jié)合學(xué)情，筆者制訂如下教學(xué)目標(biāo)。

（一）利用平衡移動(dòng)的知識，分析碳酸氫鈉與氯化鈣的反應(yīng)，以及碳酸氫鈉溶液作為二氧化碳緩沖劑的反應(yīng)原理，用方程式表示反應(yīng)過程，培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（二）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究碳酸氫鈉與氯化鈣反應(yīng)的產(chǎn)物，證實(shí)碳酸氫鈉溶液能夠吸收或釋放二氧化碳?xì)怏w，并能作為二氧化碳緩沖劑使用，從而培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

（三）根據(jù)反應(yīng)原理，建構(gòu)水溶液中碳酸氫鈉自偶電離的反應(yīng)模型，培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

四、評價(jià)目標(biāo)

通過解讀課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求，結(jié)合學(xué)情，筆者制訂了如下評價(jià)目標(biāo)。

（一）通過觀察學(xué)生分析與解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的情況，診斷并發(fā)展學(xué)生宏微結(jié)合、證據(jù)推理、變化平衡的認(rèn)知能力。

（二）通過觀察學(xué)生討論、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的課堂表現(xiàn)，診斷并發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的能力。

（三）通過對實(shí)驗(yàn)及平衡原理的歸納總結(jié)，推導(dǎo)出碳酸氫根自偶電離的模型，診斷并發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理的能力。

五、教學(xué)流程

筆者共設(shè)計(jì)了四個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，具體內(nèi)容如表1所示。

六、教學(xué)實(shí)錄

（一）實(shí)驗(yàn)引入

師：可以利用氯化鈣溶液鑒別碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液嗎？為什么？

生1：可以。因?yàn)槁然}與碳酸鈉可以反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，而氯化鈣與碳酸氫鈉不反應(yīng)，所以可以利用是否產(chǎn)生白色沉淀來區(qū)分碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液。

師：真的是這樣嗎？請利用桌面上老師所給藥品與器材進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)。分別向氯化鈣溶液中滴入碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液，然后匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，并匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。）

學(xué)生小組1：我們向氯化鈣溶液中滴加碳酸鈉溶液，發(fā)現(xiàn)生成了白色沉淀。

學(xué)生小組2：我們向氯化鈣溶液中滴加碳酸氫鈉溶液，無明顯現(xiàn)象。

學(xué)生小組3：我們的結(jié)果跟上一個(gè)小組不一樣。向氯化鈣溶液中滴加碳酸氫鈉溶液后，也有白色沉淀生成。

學(xué)生小組4：我們的結(jié)果跟前面兩個(gè)小組都不一樣。向氯化鈣溶液中滴加碳酸氫鈉溶液后，除了有白色沉淀生成，還有氣體生成。

（a）學(xué)生小組2? ? （b）學(xué)生小組3? ? （c）學(xué)生小組4

師：同樣是碳酸氫鈉溶液與氯化鈣溶液反應(yīng)，為什么三個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象各不相同？

（學(xué)生對比之后發(fā)現(xiàn)，四個(gè)小組中有三個(gè)小組所用的溶液濃度不同。四個(gè)小組所用藥品信息如表2所示。）

師：為什么溶液濃度不同，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會有區(qū)別？

由此引入第二環(huán)節(jié)的內(nèi)容。

（二）理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

師：請根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用平衡移動(dòng)原理，分析產(chǎn)生沉淀和氣體的原因。

生1：碳酸氫根在水溶液中會電離生成氫離子與碳酸根，碳酸根與鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣，觀察到生成白色沉淀；氫離子與另一個(gè)碳酸氫根結(jié)合，生成碳酸，碳酸進(jìn)一步分解生成二氧化碳和水，觀察到有氣體生成。沉淀和氣體的生成又能促使碳酸氫根的電離平衡正移，反應(yīng)從而持續(xù)進(jìn)行。

師：為什么碳酸氫鈉溶液濃度不同時(shí)會生成不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象呢？

生2：反應(yīng)物的濃度較小時(shí)，電離產(chǎn)生的碳酸根與鈣離子的離子濃度的乘積小于Ksp，所以觀察不到沉淀。氫離子與碳酸氫根結(jié)合生成碳酸，碳酸再分解生成二氧化碳和水，只有當(dāng)溶液中的二氧化碳達(dá)到飽和之后，才會有二氧化碳?xì)怏w從溶液中逸出，所以只有反應(yīng)物溶液濃度大的時(shí)候才能觀察到有氣體生成。

師：你能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)生成的氣體確實(shí)是二氧化碳嗎？

［學(xué)生活動(dòng)：設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)2（如圖3所示），用澄清石灰水檢驗(yàn)生成的氣體，卻發(fā)現(xiàn)澄清石灰水沒有變渾濁。學(xué)生分析原因并改進(jìn)實(shí)驗(yàn)。］

生3：澄清石灰水沒有變渾濁的原因可能是參與反應(yīng)的溶液濃度不夠大，生成的二氧化碳較少未進(jìn)入澄清石灰水?？梢試L試增大反應(yīng)溶液的濃度，產(chǎn)生更多的二氧化碳。

（學(xué)生活動(dòng)：改用飽和碳酸氫鈉溶液和飽和氯化鈣溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)3，能夠明顯觀察到澄清石灰水變渾濁，從而證明產(chǎn)生的氣體是二氧化碳，且實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象不同是受反應(yīng)物濃度影響。）

師：請根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，書寫實(shí)驗(yàn)3的離子反應(yīng)方程式。

（學(xué)生活動(dòng)：書寫方程式2HCO+Ca?HO+CO↑+CaCO↓）

師：這一反應(yīng)過程，可以看作是碳酸氫根結(jié)合了另一個(gè)碳酸氫根電離產(chǎn)生的氫離子，鈣離子的加入促進(jìn)了這一平衡的正移。在沒有鈣離子存在時(shí)，這一反應(yīng)也能發(fā)生嗎？

（三）分析碳酸氫鈉作為二氧化碳緩沖劑的原理并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

師：在生物學(xué)的光合作用實(shí)驗(yàn)中（如圖4所示），常用碳酸氫鈉溶液作為二氧化碳的緩沖劑。請分析碳酸氫鈉溶液吸收或釋放二氧化碳的反應(yīng)原理，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

生4：推測原理跟碳酸氫鈉和氯化鈣的反應(yīng)類似，即碳酸氫根電離出的氫離子與另一個(gè)碳酸氫根結(jié)合，生成碳酸，碳酸再分解得到二氧化碳，即2HCO?HO+CO↑+CO。

生5：按照以上分析，碳酸氫鈉溶液吸收二氧化碳可通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。一個(gè)實(shí)驗(yàn)是將二氧化碳通入碳酸氫鈉溶液中，觀察碳酸氫鈉是否能夠吸收二氧化碳?xì)怏w，同時(shí)測量溶液的pH值是否降低；另一個(gè)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)碳酸氫鈉溶液是否能釋放CO2氣體，同時(shí)測定溶液的pH值是否升高。

師：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，可以方便地測量氣體含量和溶液pH值的細(xì)微變化。

（教師向?qū)W生介紹二氧化碳傳感器和pH傳感器，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)4，如圖5所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明學(xué)生的推測正確。）

師：（小結(jié)）碳酸氫鈉溶液中，存在碳酸氫根電離出的氫離子與另一個(gè)碳酸氫根結(jié)合，生成二氧化碳、水和碳酸根的過程。這一過程就是碳酸氫根自偶電離的過程，廣泛存在于碳酸氫鹽溶液中，該反應(yīng)的K約為10-4，反應(yīng)程度并不算小。向碳酸氫鈉溶液中加入氯化鈣溶液，生成碳酸鈣沉淀，降低了碳酸氫根的濃度，使自偶電離平衡正移。其他外界條件的改變也會使平衡移動(dòng)。

師：加熱碳酸氫鈉溶液會發(fā)生什么反應(yīng)？為什么？

生6：會生成二氧化碳和碳酸鈉。加熱促使二氧化碳揮發(fā)，使自偶電離平衡正移。

（四）分析工業(yè)生產(chǎn)原理

師：請分析工業(yè)流程中（如圖7所示）相應(yīng)步驟的反應(yīng)原理，寫出離子方程式。

（學(xué)生活動(dòng)：書寫相關(guān)步驟的離子方程式。）

學(xué)生基本都能正確寫出沉錳的離子方程式：Mn+2HCO=MnCO↓+CO↑+HO以及碳化反應(yīng)的方程式：Mn+HCO+NH·HO=MnCO↓+NH+HO，學(xué)生都能分析出發(fā)生了碳酸根與錳離子結(jié)合生成碳酸錳沉淀，以及氨水會與碳酸發(fā)生中和反應(yīng)，但不太確定碳酸錳之外的另一產(chǎn)物；沉鈷反應(yīng)的方程式為2CO+4HCO=CO（OH）CO↓+3CO↑+HO，學(xué)生都能分析出有碳酸鈷和二氧化碳生成，但是由于對堿式碳酸鹽的形成原理不夠明確，方程式的書寫正確率不高。

七、教學(xué)效果與反思

溶液中的離子平衡問題復(fù)雜且抽象，學(xué)生不能很好地利用平衡移動(dòng)原理分析溶液中離子平衡問題。教師可以根據(jù)這一真實(shí)學(xué)情，整合學(xué)科知識，結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)與反應(yīng)原理，解決學(xué)生的問題。

實(shí)際教學(xué)關(guān)注真實(shí)問題的解決，選取的兩個(gè)情境都是學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)真實(shí)遇到的，并且還與其他學(xué)科關(guān)聯(lián)，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

教師通過設(shè)計(jì)巧妙的實(shí)驗(yàn)，將抽象的原理具象化，能夠幫助學(xué)生自主建立自偶電離模型，而不是讓學(xué)生被動(dòng)地接受教師傳遞的信息。在本節(jié)課之前，學(xué)生不認(rèn)為碳酸氫鈉能夠與氯化鈣反應(yīng)生成沉淀，導(dǎo)致不能很好地分析碳酸氫鹽沉淀金屬離子的問題；本節(jié)課后，學(xué)生能敏銳地識別可以利用碳酸氫根自偶電離模型解決的問題，說明他們較好地內(nèi)化了相關(guān)內(nèi)容。

此外，在有外加條件干擾時(shí)，學(xué)生書寫方程式容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，說明他們利用平衡移動(dòng)的知識解決實(shí)際問題的能力仍有待加強(qiáng)。教師后續(xù)可以通過引導(dǎo)學(xué)生解決更多的真實(shí)問題，從而提升他們解決實(shí)際問題的能力。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編 劉小瑗）