基于實際問題解決的認知模型建構與應用

劉綺思 李春紅

摘要：分析了復分解反應教學中存在的問題：“首因效應”會導致復分解反應原理的認知困境；學生缺乏在真情境中策略性解決問題的思路。以NaCl為載體創(chuàng)設真實問題情境，完成“從粗鹽中獲得純凈NaCl”和“尋找生成NaCl的反應”兩個學習任務。在解決認知沖突過程中建構并應用復分解反應除雜模型，理解復分解反應的微觀實質；根據(jù)元素守恒思想，利用基本反應類型的特征找到生成NaCl的反應物；總結解決酸、堿、鹽類問題的思路，提高在綜合體系中問題解決的能力。

關鍵詞：復分解反應；模型認知；問題解決

文章編號：1008-0546（2023）09-0008-06

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2023.09.002

一、教學主題內容及教學現(xiàn)狀分析

節(jié)課之前學生已經學習了人教版化學九年級下冊[1]第十單元“常見的酸和堿”“酸和堿的中和反應”、第十一單元“生活中常見的鹽”。學生已經認識了常見的酸、堿、鹽的組成、主要性質和用途，建構了復分解反應的認知模型，如圖1所示，完善了對物質分類及化學基本反應類型的認識。本節(jié)課是完成上述教學之后開設的一節(jié)復習課，主要教學內容包括：（1）依據(jù)物質組成對物質進行分類，知道從物質組成角度認識物質的性質——酸、堿、鹽之間可以發(fā)生復分解反應。（2）理解復分解反應的宏觀特征和微觀實質，宏觀特征包括反應過程中化合價是否變化、元素重組的方式等；微觀實質為溶液中自由移動的陰陽離子碰撞結合，使某些離子數(shù)目減少，反應發(fā)生。（3）從元素守恒角度認識化學反應，依據(jù)化學基本反應類型的特征，預測與分析物質轉化的反應物。

通過訪談、調查問卷兩種方式檢測學生有關已學知識的掌握情況，有兩點值得關注：（1）關于NaCl溶液、NaOH溶液、Na2CO3溶液都能導電的原因分析：認同溶液中有自由移動的帶電粒子的同學有55.12%，但很少有同學能表達出來。（2）關于Fe+CuSO4=FeSO4+Cu反應的實質是“鐵原子和溶液中銅離子發(fā)生反應”：認同或完全認同的同學有29.12%。

已有的教學設計中主要存在兩種教學思路認識復分解反應：（1）強化宏觀物質角度——學生通過實驗探究判斷反應是否發(fā)生，根據(jù)明顯的實驗現(xiàn)象分析歸納此類反應的特點，得到復分解反應的定義及發(fā)生條件。[2，3]（2）強化微觀離子角度——學生分析中和反應中微觀離子的變化，通過實驗獲取宏觀物質轉化的事實，應用微粒觀抽提出“特征離子對”，得到復分解反應的定義及微觀實質。[4-6]此外，由于化學為中考選考科目，考試難度和前幾年相比有所下降；學生重視程度不夠，教師不易控制教學難易度，“難度增加型”和“要求不明型”都易導致學生學無章法，思緒混亂。[7]

基于上述分析，教學中存在的問題有：（1）學生對于酸、堿、鹽在水溶液中的存在形式，微粒之間如何作用，如何發(fā)生化學反應存在認知障礙；（2）學生不了解復分解反應的微觀實質，“首兇效應”[8]會導致復分解反應原理的認知困境，給高中的離子反應教學留下隱患；（3）學生即便可以從微觀角度認識復分解反應，但各教學環(huán)節(jié)較為割裂，缺乏在真實情境中策略性解決問題思路，應用知識能力較弱。因此，為了解決以上問題，建議：（1）精心設計教學問題，引發(fā)學生認知沖突，在建構并應用認知模型的過程中加強從微粒角度理解復分解反應，幫助學生站在反應規(guī)律的高度再認識酸、堿、鹽三類物質；（2）以學生熟悉的物質和生活經驗為出發(fā)點，創(chuàng)設復分解反應的有效教學情境，提高學生應用知識解決問題的能力，幫助學生建立解決一類問題的思路。

二、教學思想與創(chuàng)新點

1．精心設計，引發(fā)認知沖突，建構認知模型

化學學科核心素養(yǎng)中，重視“模型認知”將有利于學生形成化學學科特有的學科觀念和思想方法，針對初中學生的特點，教學中需特別關注理論聯(lián)系實際，基于教學內容和學生既有認知，精心設計情境問題，讓學生形成認知沖突。[9]本節(jié)課將學生的認知沖突有效融人建構及應用模型的過程中：（1）在選擇除雜試劑時，學生習慣從宏觀物質角度人手，找到NaOH、Ba（OH）2、BaC12等除雜試劑，學生認為NaOH只和MgC12發(fā)生反應，忽略了和MgSO4的反應。教師通過“燒杯畫圖法”引導學生從微觀離子角度分析物質組成，將學生的思維難點外顯，讓學生發(fā)現(xiàn)NaOH除去的是溶液中所有的Mg2+，逐步建構出復分解反應的除雜模型，呈現(xiàn)出解決問題的思維路徑，如圖2所示。（2）在實驗驗證過程中，學生發(fā)現(xiàn)用Ba（OH）2溶液的確可以除去粗鹽水中所有的Mg2+和SO2-，但此時是否得到純凈的NaCI？教師通過演示實驗，向上層清液中滴加酚酞溶液后變紅，讓學生產生直接的認知沖突，引出除雜試劑過量問題。幫助學生意識到在實際生產中過量問題是普遍存在的，它的好處是可以保證雜質被完全去除，但是也會帶來新的過量問題。學生應用已有認知模型（見圖2）解決問題，鞏固所學內容，在解決認知沖突的過程中理解復分解反應的微觀實質。因此，將“認知沖突”和“模型認知”有效結合，可以凸顯學生思維的進階過程，提升學生運用知識解決問題的能力。

2．創(chuàng)設情境，解決真實問題，實現(xiàn)概念應用

以“物質組成結構決定性質”這一大概念為統(tǒng)領，物質的化學性質是通過化學反應來體現(xiàn)的，而物質的性質與反應是由其元素組成和內部結構所決定的，不從組成和結構角度認識物質性質與反應，就難以形成對物質性質與反應的深入理解。[10]酸、堿、鹽類化合物在溶液中以自由移動的陰陽離子形式存在，這些自由移動的離子有哪些行為特征？通過解決“從粗鹽中獲得純凈NaCI”的問題，學生從復分解反應的角度認識到陰陽離子在水溶液中的行為是“雙交換”且交換是有條件的：陰陽離子相互結合生成水、氣體或者沉淀，使溶液中離子數(shù)目減少，反應發(fā)生。因此，利用復分解反應的微觀實質可以幫助學生找到除雜試劑，去除粗鹽中的可溶性雜質。

在“物質組成結構決定性質”這一大概念下，可以抽提出次級大概念：物質由元素組成，依據(jù)物質的元素組成可以將物質分類，同類物質具有相似的性質，在一定條件下含有同一元素的各類物質可以相互轉化。[10]通過解決“尋找生成NaCI的反應”的問題，學生根據(jù)“化學反應前后元素種類不變”的思想，體會四種基本反應類型的特征。復分解反應的特征文中已陳述；化合反應的特征：從組成簡單的物質轉化成組成復雜的物質；分解反應的特征：從組成復雜的物質轉化成組成簡單的物質；置換反應的特征：有條件的“單交換”，活動性強的金屬置換出活動性弱的金屬。因此，利用基本反應類型的特征可以幫助學生更快地找到生成NaCI的反應物?？偨Y解決酸、堿、鹽類問題的思路，如圖3所示。

三、教學設計

1．教學目標

（1）通過完成“從粗鹽中獲得純凈NaCl”的任務，建構并應用復分解反應除雜模型，深入理解復分解反應的宏觀特征與微觀實質。

（2）通過完成“尋找生成NaCl的反應”的任務，從元素守恒角度認識化學反應，進一步體會復分解反應及其他三種基本反應類型的特征。

（3）總結得出解決酸、堿、鹽類問題的思路，在真情境、真問題中提升對綜合體系中知識理解和問題解決的能力，為高中學習離子反應奠定基礎。

2．教學流程

四、教學片段

1．從粗鹽中獲得純凈NaCI

【展示資料】NaCI的用途、來源（海水曬鹽）及海水中鹽類成分含量統(tǒng)計表，如表2所示，[11]部分酸、堿、鹽的溶解性表，如表3所示。[1]

【學習任務】以粗鹽中含量較多的NaCl、MgC12和MgSO4為例，如何從過濾后的粗鹽水中獲得純凈的NaCl？寫出相關反應的化學方程式，畫出流程圖。

【學生方案1】大部分同學先加NaOH溶液再加Ba（OH）2溶液，如圖4所示。

【學生方案 2】小部分同學先加 BaCl2溶液再加NaOH溶液，如圖5所示。

【學生方案3】個別同學先加NaOH溶液再加BaCl2溶液。

MgCl2 + 2NaOH=Mg（OH）2↓+ 2NaCl；

MgSO4 + BaCl2=BaSO4↓+ MgCl2

【教師提問】以學生方案1為例：這兩個反應屬于哪種基本反應類型？反應是如何發(fā)生的？

【學生回答】復分解反應。這些物質在溶液中以離子形式存在，離子在溶液中進行“雙交換”，生成沉淀和另外一種物質。

【教師追問】既然這些物質在溶液中以離子形式存在，裝有粗鹽水的燒杯里有什么離子？雜質離子是誰？

【學生回答】燒杯里有Na+、Cl-、Mg2+、SO24-，雜質離子是Mg2+和SO24-。

【教師質疑】查閱溶解性表發(fā)現(xiàn)（見表 3），OH-可以和Mg2+結合生成Mg（OH）2沉淀，但是，OH-除去的只是MgCl2中的Mg2+嗎？

【學生回答】OH-除去的是溶液中所有的Mg2+，包括MgCl2的Mg2+和MgSO4的Mg2+。

【教師小結】雖然要除去的是MgCl2和MgSO4兩種宏觀物質，但從微觀角度分析，實際上要除去的是Mg2+和SO2-4 兩種雜質離子，根據(jù)復分解反應中離子的行為特征可以快速找到解決方案，例如：要除去Mg2+，與它相對應的離子是OH-；要除去SO2-4 ，與它相對應的離子是Ba2+。

【教師提問】找到OH-和Ba2+就可以了嗎？能直接向溶液中加離子嗎？

【學生回答】不能加離子，要加宏觀的物質。

【教師追問】選擇哪種含有OH-的物質？為什么？

【學生回答】NaOH。因為 OH-是一種陰離子，要想組成物質，需要找一種陽離子；這種陽離子最好不是雜質離子，所以選擇 Na +，構成 NaOH 這種宏觀物質。同理，含有Ba2+的物質就是BaCl2。

【學生補充】用Ba（OH）2可以同時除去Mg2+和SO2-4（見圖2）。

【學生實驗】實驗目的：利用Ba（OH）2溶液除去混合液中的Mg2+和SO2-4 。

實驗步驟：向裝有 5 mL 10%的 NaCl、MgCl2、Mg？SO4混合溶液的西林瓶中加入一滴管Ba（OH）2飽和溶液，觀察現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：產生白色沉淀。

【教師提問】如何驗證Mg2+和SO2-4 已去除干凈？

【學生回答】繼續(xù)滴加Ba（OH）2溶液，觀察是否有白色沉淀生成，如果沒有，說明雜質離子已去除干凈。

【演示實驗】實驗目的：證明Mg2+和SO2-一已去除干凈。

【實驗步驟】沉降后取上層清液，繼續(xù)滴加Ba（OH）2飽和溶液，觀察現(xiàn)象。

【實驗現(xiàn)象】不產生白色沉淀。

【師生歸納】建構復分解反應的除雜模型（見圖2）：從微觀角度分析物質組成，酸、堿、鹽類化合物在溶液中以陰陽離子形式存在；聚焦物質的性質，根據(jù)復分解反應中離子的行為特征，找到能形成水或氣體或沉淀的離子對進行雜質離子的去除；根據(jù)除雜試劑不引入新雜質的原則從微觀離子轉化成宏觀物質，找到除雜試劑，也就是載體物質。

【演示實驗】實驗目的：引出Ba（OH）2過量問題

【實驗步驟】沉降后取上層清液，滴加兩滴酚酞溶液，觀察現(xiàn)象。

【實驗現(xiàn)象】溶液變紅。

【教師提問】滴加酚酞溶液后，為什么會變紅？

【學生回答】溶液變紅說明溶液顯堿性，Ba（OH）2過量了。

【學習任務】應用復分解反應除雜模型解決Ba（OH）2過量問題。

【小組討論匯報】加H2CO3；加H2SO4；加MgSO4。兇為從微觀角度分析，要除去的雜質離子是Ba2+和OH一，查閱溶解性表發(fā)現(xiàn)（見表3），與Ba2+相對應的離子是CO3一和SO4一，與OH一相對應的離子是H+和Mg2+；陰陽離子結合構成宏觀物質。

【教師質疑】SO2一和Mg2+是之前要除去的雜質離子，不優(yōu)先選擇它們；H2CO3不穩(wěn)定、易分解。怎么辦？

【學生回答】可以選擇兩種除雜試劑：Na2CO3和HCl（見圖6）。

【課后思考】（1）加入Na2CO3和HCI后發(fā)生哪些化學反應，寫出化學反應方程式；（2）為了得到純凈的NaCI，還需要考慮哪些問題，解決方案是什么？

2．尋找生成NaCI的反應

【教師提問】利用復分解反應的特征尋找生成NaCI的化學反應。

【學生回答】如圖7所示。

【師生歸納】復分解反應的特征——“雙交換”：一部分交換用于形成NaCl，滿足元素守恒；另一部分交換滿足復分解反應發(fā)生的條件，生成水、氣體或者沉淀。

【學習任務】根據(jù)所給物質：Na、C12、HCI、NaCIO3，利用其他三種基本反應類型的特征尋找生成NaCl的反應。

【小組討論匯報】如圖8所示。

【師生歸納】根據(jù)元素守恒思想，明確了反應物中要含有鈉元素和氯元素。根據(jù)反應類型的特點，聚焦其他三種基本反應類型：岡為NaClO3中既含有鈉元素也含有氯元素，它的組成和NaCl的組成相比更復雜，所以，從組成復雜的物質轉化成組成簡單的物質，可以考慮分解反應；Na、Cl2和NaCl相比，它們的組成更簡單，因此，從組成簡單的物質變成組成復雜的物質，可以考慮化合反應；置換反應的特點是“單交換”，這個交換也是有條件的，活動性強的金屬置換出活動性弱的金屬。最后尋找到合適的反應物來生成NaCl。

3．總結提升

【總結提升】總結解決酸、堿、鹽類問題的思路（見圖3），板書設計見圖9。

五、教學反思

本節(jié)課所在的教學班級共36人，4人為一組，分成9組進行教學。本節(jié)課圍繞NaCl這種物質，將物質組成與分類、元素守恒、復分解反應及其他三種基本反應類型等相關知識融合于真實情境問題的解決過程中。在“從粗鹽中獲得純凈NaCl"的教學環(huán)節(jié)中，2組學生能畫出正確的除雜流程圖（見圖5），5組學生在用NaOH溶液除雜的過程中考慮不周全（見圖4），不清楚NaOH和MgC12 、MgS04兩種物質都會發(fā)生復分解反應，因此，在教師引導下，學生能從微觀角度分析物質組成，理解復分解反應的微觀實質，建構復分解反應除雜模型；在解決除雜試劑Ba（OH）2溶液過量的問題中，8組學生能利用已建構的除雜模型找到合理的除雜試劑（見圖6），應用復分解反應相關知識解決問題的能力得以提升。在“尋找生成NaCI的反應”的教學環(huán)節(jié)中，絕大多數(shù)學生能應用元素守恒思想，知道反應物中一定含有Na元素和CI元素；6組學生能在白板上呈現(xiàn)出正確的化學方程式，但只有少部分學生能流利地表達出生成NaCI的化學反應的原因，大部分學生需要在教師引導下總結基本反應類型的特征，學生應用化學語言表達的能力有待提高。在今后的教學中，教師要做好示范作用，用標準的化學語言教學，強化學生的記憶與理解；教師要多給學生表達的機會，多給學生糾錯的機會，以學生為主體的課堂才能更好地傳授知識。

參考文獻

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