在學(xué)科觀念的建構(gòu)中發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)

馬長燕 蘇捷

［摘 要］文章以“離子反應(yīng)”的教學(xué)為例， 通過聯(lián)系生活實際創(chuàng)設(shè)情境，設(shè)置驅(qū)動性問題，以知識為載體，借助數(shù)字化實驗探究復(fù)分解反應(yīng)的本質(zhì)，從實驗現(xiàn)象和圖表數(shù)據(jù)分析入手，采用“宏觀—微觀—符號”三重表征等方法，運用動畫模擬等手段幫助學(xué)生自主建構(gòu)概念，發(fā)展學(xué)生的微粒觀、實驗觀、變化觀、化學(xué)價值觀等化學(xué)學(xué)科基本觀念，實現(xiàn)情境、知識和素養(yǎng)的高度融合。

［關(guān)鍵詞］學(xué)科觀念；核心素養(yǎng)；離子反應(yīng)

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）05-0076-04

化學(xué)學(xué)科觀念是人們基于已有知識和認(rèn)知水平，對化學(xué)科學(xué)知識和學(xué)習(xí)過程的不斷概括和總結(jié)，進(jìn)而形成的總觀性認(rèn)識，為我們提供了認(rèn)識物質(zhì)的化學(xué)視角和思路方法。化學(xué)學(xué)科觀念的建構(gòu)以具體化學(xué)知識作為載體，通過學(xué)習(xí)不斷積累和提煉知識，深入思考核心概念，進(jìn)而形成解決化學(xué)問題的基本思路和方法，這些思路和方法具有可遷移性。以化學(xué)學(xué)科基本觀念（元素觀、變化觀、微粒觀、實驗觀、分類觀、化學(xué)價值觀等）為指導(dǎo)方向，選擇能促進(jìn)學(xué)生形成學(xué)科觀念的具體知識內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)，以幫助學(xué)生建構(gòu)化學(xué)學(xué)科觀念，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

“離子反應(yīng)”是人教版高中化學(xué)必修第一冊第一章第二節(jié)的內(nèi)容。本文結(jié)合學(xué)科觀念建構(gòu)教學(xué)的基本理論，設(shè)計探究實驗，基于實驗現(xiàn)象對離子反應(yīng)進(jìn)行分析和推理，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度解釋宏觀現(xiàn)象，認(rèn)識電解質(zhì)在溶液中的反應(yīng)本質(zhì)，建構(gòu)離子反應(yīng)概念，逐步形成研究水溶液體系的思維方法，同時形成化學(xué)學(xué)科觀念，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)思路

“離子反應(yīng)”這節(jié)課的教學(xué)思路如下：首先，通過創(chuàng)設(shè)真實的問題情境——硫酸廢水的處理，以及設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)，讓學(xué)生帶著明確的問題和任務(wù)去探索；通過試劑的選擇和小組實驗探究，讓學(xué)生在探索中體驗物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；通過分析實驗現(xiàn)象及其微觀本質(zhì)，讓學(xué)生學(xué)會從微觀視角來思考化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，形成認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的新視角；通過構(gòu)建和應(yīng)用離子反應(yīng)的概念模型，引導(dǎo)學(xué)生了解中和反應(yīng)的實質(zhì)，深度理解微粒觀及離子方程式的意義。然后，設(shè)置驅(qū)動性問題，讓學(xué)生自主探究碳酸鈉、碳酸鈣與鹽酸的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)實驗現(xiàn)象的不同，分析實際參與反應(yīng)的微觀粒子，從宏觀到微觀、從現(xiàn)象到本質(zhì)，通過主動建構(gòu)內(nèi)在表征，建立從離子角度認(rèn)識物質(zhì)的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的思路和方法，形成動態(tài)的、可遷移的觀念性認(rèn)知；分析酸、堿、鹽在水溶液中發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)的微觀實質(zhì)，從知識的本源性和結(jié)構(gòu)化角度，歸納總結(jié)此類離子反應(yīng)發(fā)生的條件。最后，回歸生活，通過硬水的凈化處理，利用離子反應(yīng)解決實際問題，落實學(xué)生“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。

基于以上教學(xué)思路，結(jié)合課標(biāo)要求和學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平，確立了本節(jié)課所滲透的化學(xué)學(xué)科基本觀念有微粒觀、實驗觀、變化觀、化學(xué)價值觀。結(jié)合教學(xué)內(nèi)容分析和學(xué)生特征分析，提出了“離子反應(yīng)”教學(xué)內(nèi)容與化學(xué)學(xué)科觀念建構(gòu)的聯(lián)系，具體如圖1所示。

二、教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：情境引出概念

師：硫酸是一種重要的化工原料，用途十分廣泛，但工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的酸性廢水會造成環(huán)境污染，如腐蝕管道、鋼軌，導(dǎo)致水質(zhì)惡化等。如何處理硫酸工業(yè)廢水，使其減少對環(huán)境的污染呢？

評析：創(chuàng)設(shè)情境，提出問題，引入新課；通過創(chuàng)設(shè)硫酸工業(yè)廢水處理的真實情境，幫助學(xué)生初步建立化學(xué)價值觀。

【學(xué)習(xí)任務(wù)1】實驗設(shè)計：選擇試劑，處理硫酸工業(yè)廢水。

生1：硫酸能電離出H+、SO[2-4]，可用Ba（OH）2中和。

生2：用NaOH中和。

生3：用Ca（OH）2中和。

生4：用KOH中和。

【小組討論】這四種堿中，哪一種最好？生成物是否容易去除？請大家分組討論。

小組1：Ca（OH）2與H2SO4反應(yīng)生成的CaSO4微溶于水，形成沉淀，可以過濾去除，而NaOH、KOH與H2SO4反應(yīng)生成的Na2SO4、K2SO4可溶于水，不容易去除。從這方面考慮，應(yīng)選用Ca（OH）2。

小組2：Ba（OH）2與H2SO4反應(yīng)生成沉淀BaSO4和H2O，應(yīng)選用Ba（OH）2。

師：Ca（OH）2或Ba（OH）2都可以除去H2SO4。實驗室提供了Ba（OH）2溶液，請大家完成Ba（OH）2與H2SO4反應(yīng)的實驗。

【小組實驗】往試管中加入稀硫酸，再加入氫氧化鋇溶液。

【小組匯報】溶液中有白色沉淀產(chǎn)生，說明Ba2+和SO[2-4]發(fā)生反應(yīng)生成了BaSO4。

【小組討論】溶液中的其他離子是否也能發(fā)生反應(yīng)？怎樣通過實驗來證明？

生5：H+與OH-也能反應(yīng)。可以使用pH試紙監(jiān)測溶液pH值的變化來驗證H+與OH-是否發(fā)生了反應(yīng)。

【小組實驗】測定硫酸溶液的pH值，往硫酸中加入氫氧化鋇溶液，再測定反應(yīng)后溶液的pH值。

【小組匯報】滴加氫氧化鋇溶液時，硫酸溶液的pH值升高，沉淀完全時，pH值為7，說明Ba2+和SO[2-4]反應(yīng)的同時，H+與OH-也發(fā)生了反應(yīng)。

【學(xué)習(xí)任務(wù)2】填寫表1。

【動畫模擬】觀看動畫模擬H2SO4與BaCl2的反應(yīng)，思考反應(yīng)的實質(zhì)是什么。

生6：H+和Cl-沒有發(fā)生反應(yīng)，Ba2+和SO[2-4]結(jié)合生成了BaSO4。

師：H2SO4與BaCl2的反應(yīng)實質(zhì)上是Ba2+和SO[2-4]之間的反應(yīng)，這樣的反應(yīng)屬于離子反應(yīng)，可用[Ba2++SO2-4=BaSO4↓]來表示，這樣的式子叫作離子方程式。

評析：本環(huán)節(jié)以小組實驗展示宏觀的實驗現(xiàn)象，從微觀角度分析溶液中微粒的變化，再以動畫模擬展示H2SO4與BaCl2的反應(yīng)，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識到BaCl2溶液中存在自由移動的Ba2+和Cl-，H2SO4溶液中存在自由移動的H+和SO[2-4]，二者混合后生成BaSO4固體，脫離溶液體系，初步建立宏觀反應(yīng)與微觀粒子變化之間的關(guān)系。在分析離子反應(yīng)本質(zhì)的過程中，引導(dǎo)學(xué)生初步形成實驗觀、變化觀、微粒觀，構(gòu)建離子反應(yīng)模型，培養(yǎng)“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)二：符號表征概念

【學(xué)習(xí)任務(wù)3】書寫H2SO4與Ba（OH）2反應(yīng)的離子方程式。

生1：[Ba2++SO2-4=BaSO4↓]，[H++OH-=H2O]。

生2：[Ba2++SO2-4+H++OH-=BaSO4↓+H2O]。

生3：[Ba2++SO2-4+2H++2OH-=BaSO4↓+2H2O ]。

師：以上離子方程式哪個更能準(zhǔn)確地表達(dá)真實的反應(yīng)過程呢？Ba2+、SO[2-4]與H+、OH-，反應(yīng)的物質(zhì)的量的關(guān)系可以由溶液導(dǎo)電性實驗和pH值的變化外顯。

評析：學(xué)生在書寫B(tài)a（OH）2與H2SO4反應(yīng)的離子方程式時，對于氫離子和氫氧根離子的化學(xué)計量數(shù)有疑問。此時提出挑戰(zhàn)性問題，可引發(fā)學(xué)生深入探究，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。通過引發(fā)認(rèn)知沖突，讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計實驗、實驗驗證，再根據(jù)物質(zhì)的組成和反應(yīng)規(guī)律來解釋說明，自主構(gòu)建科學(xué)探究的一般過程。

【實驗探究】使用電導(dǎo)率儀監(jiān)測溶液電導(dǎo)率的變化，同時使用pH傳感器監(jiān)測溶液pH值的變化。

【圖片展示】往硫酸溶液中加入氫氧化鋇溶液，溶液的電導(dǎo)率和pH值的監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。

【結(jié)果分析】當(dāng)導(dǎo)電率達(dá)到最低值時，溶液呈中性，說明Ba2+與SO[2-4]完全反應(yīng)的同時，溶液中的H+與OH-也恰好完全反應(yīng)。

師：根據(jù)物質(zhì)的組成以及電解質(zhì)在溶液中的存在形式，哪個離子方程式更合理呢？

生3：根據(jù)物質(zhì)的組成可知，[H2SO4=2H++SO2-4]，[Ba（OH）2=Ba2++2OH-]，所以離子方程式應(yīng)為：[Ba2++SO2-4+2H++2OH-=BaSO4↓+2H2O]。

評析：本環(huán)節(jié)使用電導(dǎo)率儀和pH傳感器同時監(jiān)測溶液電導(dǎo)率和pH值的變化，收集、展示實驗數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)Ba2+與SO[2-4] 、H+與OH- 同時抵達(dá)反應(yīng)的終點，再根據(jù)物質(zhì)的組成進(jìn)行推理，確定定量關(guān)系，準(zhǔn)確地寫出能體現(xiàn)反應(yīng)內(nèi)涵的離子方程式。通過實驗的宏觀現(xiàn)象分析物質(zhì)的微觀變化，建立從宏觀到微觀認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的思路，凸顯學(xué)科思維方式，并用化學(xué)符號進(jìn)行表征，幫助學(xué)生形成變化觀、微粒觀、實驗觀，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。

【小組討論】在使用效果相同的前提下，大家可以從成本來考慮。據(jù)化學(xué)試劑網(wǎng)站查到的價格，Ba（OH）2是120 元/千克，Ca（OH）2是40 元/千克。用哪種試劑處理硫酸工業(yè)廢水會更合適呢？

小組1：從成本上考慮，Ca（OH）2會更合適。

小組2：Ca（OH）2本身是微溶的，就算加多了也可以通過過濾去除。

師：工業(yè)上選用氧化鈣來處理硫酸工業(yè)廢水。

評析：通過提出問題，引導(dǎo)學(xué)生從兩個方面展開討論。一方面是除雜實驗的可操作性，通過評價不同的方案，優(yōu)選出最佳除雜試劑；另一方面是關(guān)于經(jīng)濟成本的比較，使教學(xué)貼近社會、貼近生活，培養(yǎng)學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)三：探討深化概念

【提問】NaHSO4溶液和NaOH溶液混合后能發(fā)生離子反應(yīng)嗎？

生1：NaHSO4電離出的H+可以與NaOH電離出的OH-結(jié)合，生成H2O。

師：NaHSO4屬于酸式鹽，酸式鹽可以和堿發(fā)生反應(yīng)。

評析：通過鹽和堿的反應(yīng)，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，回歸離子反應(yīng)的實質(zhì)，促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)化。

【學(xué)習(xí)任務(wù)4】完成表2，并進(jìn)行討論。

生2：這四個化學(xué)方程式都可以用[H++OH-=H2O]來表示。

師：離子方程式不僅可以表示某個具體的化學(xué)反應(yīng)，還可以表示同一類型的化學(xué)反應(yīng)。復(fù)分解型離子反應(yīng)發(fā)生的條件是什么？

生3：有沉淀、氣體或水生成。

【提問】CH3COONa溶液與HCl溶液混合，能否發(fā)生反應(yīng)？

生4：混合后，CH3COO-與H+結(jié)合生成難電離的CH3COOH。

師：離子反應(yīng)的共同點是向著離子種類或數(shù)目減少的方向進(jìn)行。因此，復(fù)分解型離子反應(yīng)發(fā)生的條件為有沉淀、氣體或難電離的物質(zhì)生成。

評析：引導(dǎo)學(xué)生從離子反應(yīng)的角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)，基于微粒觀分析離子重組條件，進(jìn)而解釋同類物質(zhì)的不同性質(zhì)變化的規(guī)律，幫助學(xué)生形成變化觀，并讓學(xué)生根據(jù)一系列化學(xué)方程式，歸納總結(jié)出復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件，促進(jìn)知識的結(jié)構(gòu)化。

【學(xué)習(xí)任務(wù)5】碳酸鈉和鹽酸反應(yīng)、碳酸鈣和鹽酸反應(yīng)，這兩個反應(yīng)的離子方程式是否一樣呢？

【實驗探究】分別往碳酸鈉溶液和碳酸鈣固體中加稀鹽酸，觀察現(xiàn)象。（如圖3）

師：可以觀察到的實驗現(xiàn)象是什么？說明了什么問題？

生5：加入稀鹽酸后，碳酸鈉溶液中的各個部位均產(chǎn)生氣泡，碳酸鈣只有固體表面產(chǎn)生氣泡，說明碳酸鈉發(fā)生了電離，碳酸根離子游離在溶液中，而碳酸鈣固體難溶于水，以分子的形式與氫離子反應(yīng)。

【學(xué)習(xí)任務(wù)6】請書寫這兩個反應(yīng)的離子方程式。

師：書寫離子方程式的一般思路與方法是什么？

生7：找出溶液中實際參加反應(yīng)的微粒，判斷產(chǎn)物，直接書寫。

【課堂小結(jié)】先判斷水溶液中反應(yīng)物的存在形式，找出實際參加反應(yīng)的微粒，再進(jìn)一步分析比例關(guān)系，書寫離子方程式，最后檢查原子守恒和電荷守恒。

評析：創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生自主探究，使學(xué)生意識到實驗現(xiàn)象不同是因為發(fā)生離子反應(yīng)的微粒不同，所以離子方程式的書寫要考慮物質(zhì)的溶解性，要與電解質(zhì)在溶液中的存在形式關(guān)聯(lián)起來，使學(xué)生學(xué)會從反應(yīng)的本質(zhì)出發(fā)考慮離子方程式的書寫，培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀和變化觀。

環(huán)節(jié)四：應(yīng)用升華知識

【拓展應(yīng)用】離子反應(yīng)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

師：如果飲用水的硬度過高，長期飲用會影響人體健康，同時水中含量過高的Ca2+、Mg2+ 會造成鍋爐結(jié)垢，也會降低洗滌衣物時肥皂的使用效果。如何在不引入新雜質(zhì)的情況下除去這些離子，使水得到凈化？請嘗試運用所學(xué)離子反應(yīng)處理飲用水中的Ca2+、SO[2-4]、Mg2+，并設(shè)計實驗方案。

【學(xué)生活動】用流程圖的形式設(shè)計實驗方案和表示實驗過程。（如圖4）

評析：創(chuàng)設(shè)硬水凈化的情境，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用離子反應(yīng)模型和分離提純相關(guān)知識，分析雜質(zhì)離子，選擇除雜試劑和確定除雜試劑的添加順序、試劑的用量，考慮過濾的時機，確保實驗合理有效，進(jìn)而解決生活中的實際問題，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，同時引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會，凸顯化學(xué)認(rèn)識世界、改造世界的價值，體會化學(xué)對人類美好生活所做出的貢獻(xiàn)。

三、教學(xué)反思

本節(jié)課從處理硫酸工業(yè)廢水的真實情境出發(fā)，巧妙設(shè)計問題，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過實驗探究，基于宏觀現(xiàn)象分析物質(zhì)變化，從微觀角度分析反應(yīng)實質(zhì)，并結(jié)合物質(zhì)組成和反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行推理，明確溶液中電解質(zhì)的存在形式、參加反應(yīng)的微粒以及比例關(guān)系，幫助學(xué)生深入理解離子反應(yīng)的本質(zhì)，掌握正確書寫離子方程式的方法，有效構(gòu)建微粒觀、變化觀、實驗觀；通過利用離子反應(yīng)解決生活中的問題，凸顯化學(xué)學(xué)科的社會價值，落實學(xué)生化學(xué)價值觀和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性，收到了較滿意的教學(xué)效果。

綜上，通過實驗探究、收集證據(jù)、分析推理、符號表征，學(xué)生深刻理解了相關(guān)知識，并在分析、解決問題的過程中升華知識，逐漸形成化學(xué)學(xué)科基本觀念。教師在教學(xué)中從知識的本源性和結(jié)構(gòu)化角度出發(fā)，引領(lǐng)學(xué)生深入思考，從本質(zhì)上認(rèn)識和理解相關(guān)知識，并應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 白薇.基于化學(xué)核心觀念自主建構(gòu)的元素化合物的教學(xué)實踐研究［D］.延吉：延邊大學(xué)，2021.

（責(zé)任編輯 羅 艷）