基于“四重表征”模式 培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)
——以“探究鹽酸與碳酸鈉、碳酸氫鈉反應(yīng)”的教學(xué)為例

李健榮

（東莞松山湖未來學(xué)校 廣東東莞 523112）

一、問題的提出

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020年修訂）》提出，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”5個(gè)方面。［1］如何理解化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵和概念？如何在課堂教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)？這些都是化學(xué)教育工作者面臨的重要問題。課堂教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的主要途徑，教師需要選擇合理的教學(xué)內(nèi)容，挖掘教學(xué)內(nèi)容中蘊(yùn)含的學(xué)科核心價(jià)值，采用合適的教學(xué)模式和教學(xué)策略，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的目的。

碳酸鈉、碳酸氫鈉是鈉的重要化合物，也是高中學(xué)習(xí)元素化合物的重要內(nèi)容。人教版教材的內(nèi)容中，就二者的外觀、溶于水的熱量變化、熱穩(wěn)定性及溶液堿性進(jìn)行了探究，對(duì)兩者和稀鹽酸的反應(yīng)僅要求寫出反應(yīng)的離子方程式。但教材對(duì)如何組織“碳酸鈉、碳酸氫鈉與稀鹽酸的反應(yīng)探究”并未提出建議。在實(shí)際的教學(xué)中，教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，一般是向等物質(zhì)的量的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液中加入等濃度等體積的稀鹽酸，然后根據(jù)氣泡產(chǎn)生的快慢進(jìn)行粗糙的對(duì)比，再?gòu)奈⒂^角度解釋反應(yīng)快慢的原因。筆者認(rèn)為，該教學(xué)過程缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C據(jù)支撐。

本文挖掘“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)”背后所蘊(yùn)含的化學(xué)學(xué)科核心價(jià)值，以“四重表征”教學(xué)模式為基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境，通過3個(gè)“遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)”，逐步使學(xué)生理解碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的機(jī)理，從而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、教學(xué)設(shè)計(jì)

1.教學(xué)思想

錢揚(yáng)義主編的《化學(xué)概念與化學(xué)“學(xué)科關(guān)鍵詞”的學(xué)習(xí)與認(rèn)知》一書中，對(duì)化學(xué)“四重表征”教學(xué)模式進(jìn)行了具體的介紹，即宏觀表征、微觀表征、符號(hào)表征和曲線表征。［2］在定性和定量的實(shí)驗(yàn)探究過程中，都會(huì)涉及到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄等宏觀表征，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等微觀表征，書寫化學(xué)方程式等符號(hào)表征，在連續(xù)性的定量測(cè)量實(shí)驗(yàn)中會(huì)生成與反應(yīng)過程相匹配的曲線圖像等曲線表征。因此，科學(xué)探究的過程與“四重表征”有著緊密的聯(lián)系。［3］

“探究鹽酸與碳酸鈉、碳酸氫鈉反應(yīng)”一課以“四重表征”教學(xué)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)（見圖1）。通過碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)并使氣球膨脹的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的速率較慢（宏觀表征）；引導(dǎo)學(xué)生從微觀的角度猜測(cè)碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的機(jī)理（微觀表征）；用pH傳感器繪出反應(yīng)過程中溶液的pH變化曲線，驗(yàn)證微觀猜想（曲線表征）；促使學(xué)生建立微粒觀，從而寫出碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的離子方程式（符號(hào)表征）。

圖1 本節(jié)課中“四重表征”的教學(xué)思想

2.“四重表征”教學(xué)模式與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的聯(lián)系

培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)是化學(xué)教學(xué)的重要目標(biāo)，宏觀辨識(shí)與微觀探析是“四重表征”中的兩個(gè)表征方式，曲線表征能將宏觀現(xiàn)象與微觀本質(zhì)通過曲線的形式抽象地表示。變化的曲線有利于學(xué)生理解化學(xué)變化的動(dòng)態(tài)過程，培養(yǎng)學(xué)生的變化觀念與平衡思想。數(shù)字化技術(shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軐鹘y(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中無法直接觀察到的現(xiàn)象和變化，通過反應(yīng)曲線呈現(xiàn)出來，使其變得可視化，為實(shí)驗(yàn)證據(jù)的收集提供了新的途徑，有利于培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的素養(yǎng)?！八闹乇碚鳌苯虒W(xué)模式促使學(xué)生從多個(gè)維度認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的性質(zhì)、特征及其相互轉(zhuǎn)換，能建立起有效的化學(xué)學(xué)科認(rèn)知模型。因此，“四重表征”教學(xué)模式為在課堂中培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了有效途徑。

本節(jié)課的“四重表征”與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)系見圖2。

圖2 本節(jié)課的“四重表征”與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)聯(lián)

3.教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)如表1所示。

表1 基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)確定的教學(xué)目標(biāo)

三、教學(xué)過程

1.新課導(dǎo)入——自制泡沫滅火器，模擬滅火過程

【引入】發(fā)生火災(zāi)時(shí)，我們常會(huì)用泡沫滅火器進(jìn)行滅火。同學(xué)是否思考過泡沫滅火器的工作原理是什么？

【教師】展示泡沫滅火器的說明書，請(qǐng)學(xué)生結(jié)合說明書提供的信息分析泡沫滅火器的工作原理。

【學(xué)生】閱讀說明書后知道，泡沫滅火器中有兩個(gè)容器，分別盛放碳酸氫鈉溶液和酸性液體。當(dāng)使用泡沫滅火器時(shí)，將滅火器倒轉(zhuǎn)使兩種液體充分混合產(chǎn)生二氧化碳，從而滅火。

【趣味實(shí)驗(yàn)】向裝有100 mL 飽和碳酸氫鈉溶液和5 mL洗滌劑的塑料瓶（塑料瓶的瓶口連接一根橡膠導(dǎo)管）中放置一支裝有20 mL 6 mol/L 鹽酸溶液的試管。倒轉(zhuǎn)塑料瓶并將橡膠導(dǎo)管對(duì)準(zhǔn)火焰根部，觀察到火焰熄滅（見圖3）。

圖3 用自制泡沫滅火器模擬滅火過程

2.實(shí)驗(yàn)初探——碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液與鹽酸的定量實(shí)驗(yàn)

【提問】NaHCO3和Na2CO3都能與酸反應(yīng)放出CO2。為什么泡沫滅火器使用的是NaHCO3而不是Na2CO3？

【學(xué)生】提出猜想：碳酸氫鈉與酸反應(yīng)的速率可能更快。因?yàn)榉懦鐾润w積的二氧化碳，碳酸氫鈉消耗的鹽酸要比碳酸鈉消耗的鹽酸的量少。

【追問】如何驗(yàn)證同學(xué)們的猜想？

【學(xué)生活動(dòng)】用“實(shí)驗(yàn)裝置拼圖”，設(shè)計(jì)碳酸氫鈉、碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)實(shí)驗(yàn)的方案。各小組展示設(shè)計(jì)方案，由其他小組成員進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，最終選出最優(yōu)方案（見圖4）。

圖4 使用自主研發(fā)的“實(shí)驗(yàn)裝置拼圖”設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

【定量實(shí)驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示。在滴定管夾兩側(cè)夾兩根硬質(zhì)玻璃管，用帶有針筒的橡膠塞塞緊玻璃管的下端。向兩硬質(zhì)玻璃管中分別倒入10 mL 0.1 mol/L 碳酸鈉溶液和10 mL 0.1mol/L 碳酸氫鈉溶液，用氣球套緊玻璃管的上端。用針管向兩支硬質(zhì)玻璃管中注入10 mL 0.1mol/L 鹽酸溶液，觀察到裝有碳酸鈉溶液玻璃管的上方的氣球無明顯變化，而裝有碳酸氫鈉溶液玻璃管上方的氣球迅速變大。隨后將針筒中剩余的10 mL 0.1 mol/L 鹽酸溶液全部注入到玻璃管中，觀察到兩只氣球都膨脹變大。

圖5 碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)

【教師】根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，同學(xué)們可以得出什么結(jié)論？

【學(xué)生】套在裝有碳酸氫鈉溶液玻璃管上方的氣球先膨脹變大，所以碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應(yīng)的速率更快。

3.實(shí)驗(yàn)再探——驗(yàn)證碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的微觀機(jī)理

【提問】在碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)中，為什么第一次注入10 mL鹽酸時(shí)盛碳酸鈉溶液的玻璃管中沒有氣體產(chǎn)生？第二次注入剩余的10 mL鹽酸時(shí)卻有氣體產(chǎn)生？

【學(xué)生】提出猜想：從化學(xué)方程式中可以觀察到，NaHCO3與鹽酸反應(yīng)只需要一個(gè)H+，而Na2CO3與鹽酸反應(yīng)需要兩個(gè)H+，所以Na2CO3獲取第一個(gè)H+變成NaHCO3，然后NaHCO3再獲取一個(gè)H+變成H2CO3，最終放出CO2。在剛剛的定量實(shí)驗(yàn)中，鹽酸是分兩次注入到硬質(zhì)玻璃管中的，也從側(cè)面說明Na2CO3與鹽酸反應(yīng)放出CO2時(shí)分兩步進(jìn)行。

【提問】同學(xué)們提出Na2CO3與鹽酸反應(yīng)可能是分兩步進(jìn)行的，我們?nèi)绾悟?yàn)證這個(gè)猜想？

【數(shù)字化實(shí)驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。用0.1 mol/L鹽酸滴定25 mL 0.1 mol/L 碳酸鈉溶液，測(cè)量溶液中的pH 變化，并通過電腦記錄并顯示滴定過程中溶液的pH 隨時(shí)間變化的曲線（見圖6、圖7、圖8）。觀察到曲線中有兩個(gè)突變點(diǎn)，說明Na2CO3與鹽酸反應(yīng)是分步進(jìn)行的。其中第一個(gè)突變點(diǎn)的pH值為8.20，與0.05 mol/L NaHCO3溶液的pH（8.39）基本相同，這就證明Na2CO3與鹽酸反應(yīng)時(shí)先轉(zhuǎn)變?yōu)镹aHCO3，再轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓?，最終放出CO2。

圖6 用鹽酸滴定碳酸鈉溶液并測(cè)定溶液pH的實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 用pH計(jì)測(cè)量0.05 mol/L碳酸氫鈉溶液的pH

圖8 用鹽酸滴定碳酸鈉溶液時(shí)pH變化曲線

【教師】根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同學(xué)們可以得出什么結(jié)論？

4.聯(lián)系生活——碳酸鈉、碳酸氫鈉在生產(chǎn)、生活中的價(jià)值

【總結(jié)】本節(jié)課我們一起研究了碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。通過定量實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，我們理解了與H+反應(yīng)的微觀機(jī)理。更為重要的是，我們初步建立了探究物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)及其相互轉(zhuǎn)換的思維模式。

【教師】碳酸鈉、碳酸氫鈉在生產(chǎn)、生活中有重要的應(yīng)用。例如：我們經(jīng)常服用的維生素C泡騰片是利用碳酸氫鈉與有機(jī)酸的反應(yīng)實(shí)現(xiàn)藥片的自動(dòng)崩解。純堿是一種重要的化工原材料，在19世紀(jì)中期，歐美各國(guó)將純堿的制造方法壟斷起來，中國(guó)工業(yè)所需要的純堿完全依賴進(jìn)口。為了打破歐美各國(guó)的壟斷局面，我國(guó)著名的化工開拓者侯德榜先生經(jīng)過上千次的嘗試終于探索出制堿的新工藝，降低了成本，這種制堿法被命名為“侯氏制堿法”。

四、教學(xué)評(píng)價(jià)與成效分析

1.問題研究方法

教學(xué)完成后，采用學(xué)生問卷調(diào)查法，從教學(xué)目標(biāo)和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的方面調(diào)查學(xué)生對(duì)本節(jié)課的反饋與評(píng)價(jià)，從而獲得定量的數(shù)據(jù)。定量數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0進(jìn)行分析。

本次調(diào)查選取了東莞市某高中127名學(xué)生作為測(cè)試對(duì)象，測(cè)試對(duì)象的綜合成績(jī)和化學(xué)單科成績(jī)較好。

本次調(diào)查問卷采用李克特5 點(diǎn)量表計(jì)分法，共有24題，選項(xiàng)包括十分同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分值分別計(jì)為5、4、3、2、1 分。發(fā)放了127 張問卷，回收問卷127張，回收率為100%。

2.調(diào)查結(jié)果與分析

該問卷的Alpha 為0.821，信度較好，問卷的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)具有較高的可靠性（見表2）。

由表2 的問卷調(diào)查反饋可知，學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)落實(shí)情況較好，平均分均在4.5以上。

表2 問卷統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析

第8、9題的得分均在4.5以上，說明在課堂中使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)得到學(xué)生的認(rèn)同，有助于學(xué)生認(rèn)知化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理和本質(zhì)，為學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)提供了新的途徑，對(duì)于培養(yǎng)“證據(jù)推理”的核心素養(yǎng)起到很好的促進(jìn)作用。第5、6 題的平均得分為4.659，說明學(xué)生對(duì)于通過動(dòng)態(tài)曲線分析化學(xué)反應(yīng)十分感興趣。同時(shí)，動(dòng)態(tài)曲線可以直觀地呈現(xiàn)過程，有利于學(xué)生動(dòng)態(tài)地分析化學(xué)變化，促使“變化觀念”的建立。根據(jù)上述問卷數(shù)據(jù)的分析，說明“四重表征”中的曲線表征對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)具有更大的價(jià)值。

為保證問卷數(shù)據(jù)的有效性和科學(xué)性，問卷的第4、7、13、20、21題為反向題，平均得分都在1.7以下，其中第4 題的平均得分為1.658，分值相對(duì)其他反向題較高。造成該現(xiàn)象的主要原因是本節(jié)課知識(shí)性層面的內(nèi)容學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中已經(jīng)掌握（離子方程式的書寫和碳酸鈉、碳酸氫鈉的部分性質(zhì)），學(xué)生在課堂中收獲的知識(shí)性內(nèi)容并不多，從而造成第4題（反向題）得分相對(duì)偏高的情況。第22 題的得分為4.771，得分較高，說明學(xué)生在知識(shí)層面雖然收獲較少，但認(rèn)為本節(jié)課驗(yàn)證猜想的方法十分嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)生的科學(xué)探究的思維得到了一定的提升。

五、教學(xué)反思

根據(jù)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，“四重表征”教學(xué)模式對(duì)培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有較好的效果，為培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)提供了有效途徑。

結(jié)合本節(jié)課的教學(xué)思想、教學(xué)模式、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)效果，在課堂上落實(shí)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)需要做好以下3個(gè)方面：

1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的問題情境

真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，為培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。因此，教師在教學(xué)中應(yīng)重視創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的情境。本節(jié)課用泡沫滅火器創(chuàng)設(shè)情境，層層設(shè)問深挖“為什么滅火器使用的是碳酸氫鈉而不是碳酸鈉？”充分發(fā)揮真實(shí)情境的價(jià)值。

2.制訂科學(xué)的教學(xué)目標(biāo)

學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展是持續(xù)進(jìn)步的過程，合理的教學(xué)目標(biāo)是在課堂教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)的保障，同時(shí)也是對(duì)教學(xué)效果評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)。在制定教學(xué)目標(biāo)時(shí)，應(yīng)當(dāng)著重分析化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵與教學(xué)內(nèi)容、學(xué)情的聯(lián)系，將學(xué)科核心素養(yǎng)的要求轉(zhuǎn)變?yōu)榻虒W(xué)目標(biāo)，從而將素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)到教學(xué)活動(dòng)中。

3.發(fā)揮化學(xué)實(shí)驗(yàn)的獨(dú)特價(jià)值

在本節(jié)課中，如何幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)碳酸鈉與鹽酸反應(yīng)的機(jī)理？如何使學(xué)生“看到”溶液中離子是如何反應(yīng)的？數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有著不可替代的作用。本節(jié)課通過三個(gè)遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)：“模擬滅火器”“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應(yīng)的定量實(shí)驗(yàn)”和“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)測(cè)定溶液的pH 變化”，增進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解，使化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)、科學(xué)探究能力的形成與化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展有機(jī)地結(jié)合。