以結(jié)構(gòu)化促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)研究
——以“常見酸的化學(xué)性質(zhì)”為例

王小文 陳 凱

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

（一）教學(xué)主題

“常見酸的化學(xué)性質(zhì)”選自滬教版九年級《化學(xué)》下冊第七章第二節(jié)，內(nèi)容包括酸與活潑性金屬、金屬氧化物以及鹽的化學(xué)變化，酸與酸堿指示劑作用內(nèi)容位于第七章第一節(jié)，酸堿中和內(nèi)容則置于后續(xù)章節(jié)中。這樣的編排有利于知識建構(gòu)，對于循序漸進(jìn)的教學(xué)具有重要意義。但是在實(shí)際教學(xué)過程中，解決綜合型生活議題往往需要應(yīng)用酸的各類性質(zhì)，同時需要三重表征、論證推理來實(shí)現(xiàn)思維升華、觀念建構(gòu)，這樣實(shí)際拓展的教學(xué)對于資優(yōu)生的培養(yǎng)具有重要意義。

（二）教學(xué)現(xiàn)狀

首先，培養(yǎng)資優(yōu)生的初中化學(xué)教學(xué)研究成果主要集中于初高中銜接的課題，如溶液[1-2]、蠟燭燃燒[3]。其次，通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，在教學(xué)中將酸的通性的微觀本質(zhì)分析與實(shí)驗探究過程割裂[4-5]，并不能真正實(shí)現(xiàn)宏觀辨識與微觀探析的融合，導(dǎo)致學(xué)生無法針對一類物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)形成廣泛聯(lián)系、有序鏈接的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知體系，所以在紙筆測驗中面對實(shí)際問題解決時感到困難。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 版）》提出基于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，加強(qiáng)課程內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，突出課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化。內(nèi)容結(jié)構(gòu)化主要有以下三種形式：基于知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化、基于認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化和基于核心觀念的結(jié)構(gòu)化[6]。

（一）基于知識關(guān)聯(lián)的教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化

學(xué)生在已有的學(xué)習(xí)經(jīng)歷中對酸的化學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識比較瑣碎，所以將酸的化學(xué)性質(zhì)整合在真實(shí)情境中，外顯宏微符相結(jié)合的思維方式，滲透物質(zhì)的組成決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途的認(rèn)識思路，促進(jìn)知識結(jié)構(gòu)化。知識關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化需要基于已有知識儲備進(jìn)行建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)事實(shí)性知識的結(jié)構(gòu)化建構(gòu)，如圖1所示。

圖1 內(nèi)容結(jié)構(gòu)化建構(gòu)

（二）基于認(rèn)識思路的教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化

認(rèn)識思路的結(jié)構(gòu)化是從學(xué)科本質(zhì)和規(guī)律對物質(zhì)及其變化的認(rèn)識過程的一種概括，如物質(zhì)“結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、應(yīng)用”的關(guān)系[7]。以常見酸的化學(xué)性質(zhì)為例，需要挖掘具體知識背后的本質(zhì)及規(guī)律，凝練出初中化學(xué)認(rèn)識一類物質(zhì)的一般思路，如圖2所示。

圖2 認(rèn)識化合物的一般思路

在認(rèn)識具體物質(zhì)過程中融入從科學(xué)風(fēng)險視角的分析，明確應(yīng)對風(fēng)險議題的決策手段，也是兼顧知識與科學(xué)態(tài)度的一種認(rèn)識思路。

（三）基于核心觀念的結(jié)構(gòu)化

學(xué)科觀念建構(gòu)的教學(xué)有利于學(xué)生洞悉化學(xué)學(xué)科的本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律，在此基礎(chǔ)上能夠更好地將原來孤立零散的知識聯(lián)系起來，形成有意義的整體。觀念是深藏在知識背后的一種思想，觀念建構(gòu)不能一蹴而就[8]，而需要潛移默化、廣泛聯(lián)系、層層推進(jìn)。通過對酸的各種性質(zhì)、反應(yīng)類型和產(chǎn)物類別的分析，促進(jìn)變化觀的建構(gòu)；以繪制微粒分布圖的方式加深對微粒觀的理解。這些新知建構(gòu)均要應(yīng)用學(xué)生較熟悉的微粒、元素、化學(xué)方程式、質(zhì)量守恒定律等先修知識。學(xué)生在已有知識與問題解決之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)觀念結(jié)構(gòu)化[8]。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.在實(shí)驗探究中了解酸的化學(xué)性質(zhì)，從微觀視角分析酸的通性的本質(zhì)原因，逐步建構(gòu)以酸為中心議題的結(jié)構(gòu)化知識體系。

2.能運(yùn)用研究物質(zhì)性質(zhì)的一般思路與方法，從物質(zhì)類別視角，初步預(yù)測常見酸的性質(zhì)，設(shè)計實(shí)驗方案，分析、推理、解釋有關(guān)實(shí)驗現(xiàn)象。

3.在與酸有關(guān)的科學(xué)風(fēng)險問題分析過程中形成基于風(fēng)險進(jìn)行決策的科學(xué)思路，提升風(fēng)險決策能力，樹立合理使用日化用品和解決生活問題的科學(xué)態(tài)度。

四、教學(xué)流程

本節(jié)課教學(xué)流程如圖3所示。

圖3 教學(xué)流程圖

五、教學(xué)實(shí)錄

（一）宏微結(jié)合，理解除垢劑的酸性

[師]家中水垢、銹跡等給人帶來煩惱，今天就讓我們一起探究除去這些污垢的方法，讓家變得更干凈衛(wèi)生。

[展示]除垢劑標(biāo)簽，如圖4所示。

圖4 除垢劑的標(biāo)簽

[師]從除銹劑標(biāo)簽可知其呈酸性。如何設(shè)計簡單方案來檢驗這瓶“水垢清潔劑”的酸堿性？

[演示實(shí)驗]將紫色石蕊試劑滴入無色除垢劑中。

[師]商場里賣的除垢劑一般呈藍(lán)色，需要用吸附法除色或采用pH 計來避免原有顏色對現(xiàn)象觀察產(chǎn)生影響。

[師]紫色石蕊變紅與酸溶液中哪一種離子有關(guān)？請說出理由。

[生]從溶質(zhì)的元素組成看，都有氫元素，所以推測紫色石蕊變紅與H+有關(guān)。

[師]現(xiàn)提供兩個硫酸分子、兩個氯化氫分子，請同學(xué)們分別繪制出稀鹽酸和稀硫酸中離子分布圖。繪圖時注意溶液中陰陽離子電荷總數(shù)相同。

[學(xué)生繪圖]微粒分布示意圖如圖5所示。

圖5 學(xué)生繪制酸分子產(chǎn)生的離子示意圖

[師]溶質(zhì)是分子，溶解之后產(chǎn)生了離子，是不是與溶液中水分子作用有關(guān)呢？完善酸溶液中微粒分布圖。

[學(xué)生繪圖]鹽酸和硫酸中的微粒分布示意圖，如圖6所示。

圖6 學(xué)生繪制的酸溶液中微粒分布示意圖

教師點(diǎn)評：在真實(shí)的除垢情境中，通過導(dǎo)電性測定實(shí)驗、微粒分布示意圖繪制等活動培養(yǎng)宏微結(jié)合思維，以此幫助理解酸溶液的化學(xué)性質(zhì)與H+有關(guān)，為后面進(jìn)一步理解酸的通性的本質(zhì)奠定基礎(chǔ)。

（二）標(biāo)簽解讀，認(rèn)識除垢劑的使用禁忌

[師]使用任何日化用品前，都需要仔細(xì)研讀標(biāo)簽上的注意事項，明確化學(xué)品的使用禁忌。請仔細(xì)觀察除銹劑和水垢清潔劑的標(biāo)簽，你有哪些發(fā)現(xiàn)？金屬和酸反應(yīng)的劇烈程度可能受哪些外界因素影響？利用控制變量法，設(shè)計實(shí)驗驗證酸的濃度對反應(yīng)劇烈程度的影響。

[學(xué)生實(shí)驗]利用如圖7所示裝置進(jìn)行分組實(shí)驗，觀察現(xiàn)象。

[師]反應(yīng)物的濃度會影響反應(yīng)劇烈程度，適當(dāng)?shù)靥岣啕}酸的濃度可以提高不銹鋼表面的光潔度，但是濃度過高則會降低除銹的效果[9]。鹽酸濃度高，揮發(fā)性強(qiáng)，這會為除垢帶來一定的風(fēng)險。

[師]由金屬離子和酸根離子組成的物質(zhì)是鹽。在實(shí)驗室中，利用活潑金屬與酸反應(yīng)生成鹽和氫氣的性質(zhì)來制取氫氣。宏觀現(xiàn)象源于微觀本質(zhì)，以鐵和稀硫酸反應(yīng)為例，結(jié)合所給資料，分析反應(yīng)中哪些微粒將發(fā)生改變？請設(shè)計實(shí)驗方案并驗證。

[資料]10%硫酸溶液的pH 約為0，10%硫酸亞鐵溶液的pH 約為3.7。SO42-與Ba2+結(jié)合會產(chǎn)生不溶于水和酸的白色沉淀BaSO4。

[學(xué)生分析]根據(jù)溶液顏色的改變，判斷鐵單質(zhì)變成了Fe2+，并猜測酸溶液中改變的是H+。驗證方法為：將鐵加入到少量的硫酸溶液中，測反應(yīng)前后溶液的酸堿性變化。

[學(xué)生實(shí)驗]用pH 計測量反應(yīng)前后溶液的pH 值。向反應(yīng)后溶液中滴加氯化鋇溶液，觀察實(shí)驗現(xiàn)象，分析得出結(jié)論。

[師]由宏觀現(xiàn)象可知，酸能與活潑金屬反應(yīng)。從微觀視角看，酸溶液中改變的是H+?；谝陨戏治?，繪制出該反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖。

[學(xué)生繪圖]學(xué)生繪制的反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖，如圖8所示。

圖8 學(xué)生繪制的硫酸與鐵反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖

教師點(diǎn)評：解讀除垢劑標(biāo)簽，既可以滲透科學(xué)風(fēng)險意識，還能夠揭示酸與活潑金屬反應(yīng)的性質(zhì)，以此設(shè)計實(shí)驗來探究濃度對反應(yīng)速率的影響，初步了解調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的方法。通過實(shí)驗探究、分析推理進(jìn)一步確定酸溶液具有共同化學(xué)性質(zhì)的原因。在方程式書寫、物質(zhì)類別判斷和微觀探析中逐步構(gòu)建結(jié)構(gòu)化認(rèn)知。

（三）除垢實(shí)踐，除垢劑功能探究

[師]鐵銹（主要成分是氧化鐵）質(zhì)地疏松，易吸收水分和空氣，導(dǎo)致鐵生銹越來越嚴(yán)重，所以要及時去除。除垢劑需要具備什么性質(zhì)呢？

[學(xué)生討論]（1）除垢劑能和氧化鐵反應(yīng)且不產(chǎn)生新的難溶性沉淀。（2）加入的除垢劑要足量。（3）除垢劑和氧化鐵反應(yīng)的產(chǎn)物不能污染環(huán)境。

[師]使用除銹劑時存在潛在的危險，我們需要有防范意識。利用金屬氧化物和酸反應(yīng)生成鹽和水的性質(zhì)除去銹垢。以硫酸和氧化鐵反應(yīng)為例，繪制出該反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖。

[學(xué)生繪圖]學(xué)生繪制反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖，如圖9所示。

圖9 學(xué)生個案繪制的硫酸與氧化鐵反應(yīng)前后微粒分布示意圖

[師]在第二章學(xué)習(xí)硬水軟化時，我們知道水中可溶性鈣鎂化合物是導(dǎo)致水硬度變化的主要物質(zhì)，而煮沸軟化法恰是將這些鈣鎂化合物轉(zhuǎn)變?yōu)殡y溶物質(zhì)。結(jié)合已學(xué)知識，難溶性含鈣化合物最有可能是什么？如何證明這一猜想？

[學(xué)生猜測]碳酸鈣，用鹽酸與之反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體能使澄清石灰水變渾濁。

[師]以碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)為例，結(jié)合所給資料，你認(rèn)為酸溶液中改變的是哪一種離子？如何證明？如何檢驗氯離子是否改變？畫出反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖，分析變化異同。

[資料]硝酸銀可用于檢驗鹽酸或在溶液中能產(chǎn)生Cl-的化合物，生成AgCl 白色沉淀。

[學(xué)生繪圖]學(xué)生繪制的CaCO3與鹽酸反應(yīng)前后溶液中的微粒分布示意圖，如圖10所示。

圖10 學(xué)生個案繪制的反應(yīng)前后溶液中微粒分布示意圖

教師點(diǎn)評：將酸與某一種物質(zhì)的反應(yīng)拓展到一類物質(zhì)的反應(yīng)。

（四）銜接后續(xù)，探究酸堿中和的除垢功能

[師]水垢的另一種主要成分是氫氧化鎂，運(yùn)用除垢的一般思路，氫氧化鎂也應(yīng)該和酸反應(yīng)。

[演示實(shí)驗]氫氧化鎂分別和稀鹽酸、稀硫酸反應(yīng)。

[學(xué)生觀察]白色固體消失了。

[師]鹽酸、硫酸都能溶解水垢，也是氫離子發(fā)揮了作用。

教師點(diǎn)評：水垢成分復(fù)雜，酸能與金屬、鹽、堿等發(fā)生反應(yīng)，將研究物質(zhì)性質(zhì)的思路與方法進(jìn)行遷移，為后續(xù)探究中和反應(yīng)做鋪墊。

（五）總結(jié)升華，拓展除垢劑成分的生活視野

[師]物質(zhì)的組成決定性質(zhì)。由于酸溶液中都含有氫離子，所以表現(xiàn)出相似的化學(xué)性質(zhì)。但是陰離子不同，不同酸的性質(zhì)也有差異性。請從物質(zhì)類別角度總結(jié)鹽酸、硫酸等酸性物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)上的通性，并預(yù)測醋酸的化學(xué)性質(zhì)與用途。

[生]總結(jié)酸的通性，并預(yù)測醋酸也具有酸的通性，可用于除去水垢。

[師]實(shí)踐證明用醋酸除垢的時間較長，你們認(rèn)為是何緣故？

[生]生活中使用的醋酸濃度低、酸性弱。

生活中常見的酸溶液的pH 值，如圖11所示。

圖11 生活中常見酸溶液的pH

[師]酸性強(qiáng)弱與酸的濃度有一定的關(guān)系。酸的濃度對物質(zhì)的性質(zhì)和用途有重要影響，如胃液中的鹽酸，合適的濃度可以促進(jìn)食物消化，但是濃度過大，身體也會不舒服。生活中一般用檸檬酸作為水垢的清洗劑，檸檬酸做除垢劑的優(yōu)點(diǎn)有哪些？

[學(xué)生討論]檸檬酸酸性較強(qiáng)，除垢速度快；食品級，無害環(huán)保；呈現(xiàn)固態(tài)，便于儲存和運(yùn)輸?shù)取?/p>

[師]酸的化學(xué)性質(zhì)在一定程度上體現(xiàn)了酸的腐蝕性，但是對人類而言并非只有壞處。生活中要能從化學(xué)視角辯證地認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)，要有防范風(fēng)險意識以及規(guī)避風(fēng)險能力。

教師點(diǎn)評：觀念顯性化有助于加深對知識的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知。聯(lián)系生活實(shí)際并不只是“知道”，還在于實(shí)踐和比較。

六、教學(xué)反思

學(xué)生在課后交流時提及最大收獲就是可以類比酸化學(xué)性質(zhì)的研究思路與方法認(rèn)識其他類物質(zhì)。一方面，從不同途徑體驗化學(xué)變化的證據(jù)，認(rèn)識調(diào)控化學(xué)反應(yīng)快慢的方法；另一方面，從宏微結(jié)合視角認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)背后的本質(zhì)，在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和用途聯(lián)系的整體架構(gòu)中觸類旁通，解決實(shí)際問題。

學(xué)生拓展了認(rèn)識知識的視角。（1）教科書外知識的適當(dāng)補(bǔ)充，并沒有增加學(xué)生的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，反而有利于對概念的深入理解；（2）課堂上做的實(shí)驗都短小精練，非常適合獨(dú)立操作；（3）科學(xué)風(fēng)險視角的融入，在知識學(xué)習(xí)之外，增加了對社會和生活的思考。教師在教學(xué)過程中感受到了加強(qiáng)科學(xué)風(fēng)險教育的意義，在本節(jié)課中學(xué)生不僅要面對常規(guī)化學(xué)實(shí)驗藥品的危險性和操作不當(dāng)可能帶來的風(fēng)險，還要關(guān)注日化用品、化工生產(chǎn)中的安全隱患[10]，在潛移默化中超越知識，逐步構(gòu)建發(fā)現(xiàn)風(fēng)險、認(rèn)識風(fēng)險、分析風(fēng)險、理解風(fēng)險以及規(guī)避潛在風(fēng)險的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識體系[11]。此外，本課多處拓展的信息、數(shù)據(jù)、知識旨在帶領(lǐng)學(xué)生感受科學(xué)知識的不確定性和復(fù)雜性，這有助于補(bǔ)充完善學(xué)科知識結(jié)構(gòu)，對資優(yōu)生發(fā)展意義重大。但是本節(jié)課課堂內(nèi)容容量大，需要學(xué)生對資料進(jìn)行分析理解，部分學(xué)生有跟不上的現(xiàn)象，需要在后續(xù)教學(xué)中反思改進(jìn)。