基于學(xué)科理解的教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：以“水的硬度”為素材創(chuàng)設(shè)情境，利用三種含鈣化合物引起的水硬度探討3個(gè)任務(wù)：“沉淀廢水中的氯化鈣”“溶解碳酸鈣、硫酸鈣水垢”“模擬碳酸鈣的形成”，旨在幫助學(xué)生建立離子反應(yīng)的分析模型；理解離子反應(yīng)發(fā)生的條件及本質(zhì)和書(shū)寫(xiě)復(fù)雜情境下離子方程式的思路方法。

關(guān)鍵詞：離子反應(yīng)；離子方程式；學(xué)科理解；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2023）11-0040-05" 中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.009

一、教學(xué)主題內(nèi)容與現(xiàn)狀分析

1.教學(xué)主題內(nèi)容

（1）本課題選自蘇教版高中化學(xué)必修1專(zhuān)題3第二單元“離子反應(yīng)”，是一節(jié)新授課。在《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)修訂版）內(nèi)容要求為“通過(guò)實(shí)驗(yàn)事實(shí)認(rèn)識(shí)離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件”［1］。由于蘇教版“離子反應(yīng)”的教學(xué)內(nèi)容放在“鈉及其化合物”的章節(jié)后面，學(xué)生比較熟悉酸、堿、鹽間復(fù)分解型的反應(yīng)，因此，教學(xué)中選取學(xué)生熟悉的 CaCl2、CaSO4、CaCO3，符合高一學(xué)生對(duì)復(fù)分解型離子反應(yīng)發(fā)生條件的基本認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)離子反應(yīng)的定量、定性實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)離子反應(yīng)的共同結(jié)果：離子的濃度發(fā)生了變化。依據(jù)離子反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，歸納、提煉出離子反應(yīng)本質(zhì)：參加反應(yīng)的離子其濃度會(huì)降低，對(duì)于鹽酸制備醋酸無(wú)明顯現(xiàn)象變化，利用傳感器定量測(cè)量H+變化，使抽象的離子反應(yīng)“可視化”。

2.教學(xué)現(xiàn)狀分析

結(jié)合文獻(xiàn)研究和教學(xué)實(shí)踐，后勇軍［2］運(yùn)用電導(dǎo)率和pH傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，將抽象的離子反應(yīng)具體化；姬麗娜［3］通過(guò)不同濃度的 CaCl2溶液與 NaOH 溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，初步建立沉淀型離子反應(yīng)條件的模型，再應(yīng)用模型分析碳酸鈉溶液中通入CO2和侯氏制堿法的原理，診斷并發(fā)展學(xué)生用微觀探析預(yù)測(cè)宏觀現(xiàn)象的能力；李書(shū)霞［4］基于學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展的核心概念教學(xué)，采用了單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)發(fā)展。本節(jié)課的教學(xué)充分吸收他們的優(yōu)點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注“離子反應(yīng)”這一核心概念的正確理解，緊密?chē)@“探尋離子反應(yīng)的本質(zhì)、發(fā)展學(xué)生微粒觀”創(chuàng)設(shè)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題，加強(qiáng)課堂的互動(dòng)與對(duì)話(huà)交流，外顯學(xué)生的思維，促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的發(fā)展。

二、教學(xué)思想及創(chuàng)新點(diǎn)

修訂版課標(biāo)指出，化學(xué)學(xué)科理解是指教師對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)，它不僅僅只是對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，還包括對(duì)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解。［1］筆者理解的學(xué)科理解內(nèi)涵“要求教師對(duì)化學(xué)知識(shí)進(jìn)行本原性思考，教學(xué)中提煉出適合學(xué)生學(xué)習(xí)的本原性問(wèn)題，在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化?！痹诰唧w教學(xué)中，從生活中化學(xué)問(wèn)題（水硬度），抽提出相關(guān)的化學(xué)知識(shí)（CaCl2、 CaSO4、CaCO3的化學(xué)性質(zhì)），利用離子反應(yīng)實(shí)現(xiàn)相互間的轉(zhuǎn)化，建立離子反應(yīng)的認(rèn)識(shí)模型，歸納離子反應(yīng)的共同結(jié)果：參加反應(yīng)的離子，濃度發(fā)生變化（降低），即離子反應(yīng)的本質(zhì)。圍繞離子反應(yīng)的發(fā)生條件探討2個(gè)本源性的知識(shí)：①能否用0.001 mol·L-1 Na2SO4溶液沉淀0.001 mol·L-1 Ca2+；②CaSO4水垢的工業(yè)去除原理。利用離子反應(yīng)本源性知識(shí)解決鹽酸轉(zhuǎn)化為醋酸的本源性問(wèn)題，倒逼學(xué)生理解離子反應(yīng)的本質(zhì)，即使陌生、復(fù)雜的離子反應(yīng)，只要能夠引起離子濃度的變化，離子反應(yīng)就可能發(fā)生，從而建立離子反應(yīng)本質(zhì)的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過(guò)氯化鈣溶液與碳酸鈉溶液的反應(yīng)，建立離子反應(yīng)的思維模型。

（2）通過(guò)水垢的分析和處理，利用離子反應(yīng)解決實(shí)際問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化。使學(xué)生的思維向著主動(dòng)思考、深度學(xué)習(xí)的方向努力，同時(shí)感受化學(xué)學(xué)科的價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任。

（3）通過(guò)模擬碳酸鈣水垢的形成，引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階，對(duì)于復(fù)雜的離子反應(yīng)要依據(jù)客觀事實(shí)，并感受離子方程式的守恒思想。

四、教學(xué)流程

基于以上認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)“離子反應(yīng)”教學(xué)流程見(jiàn)表1。

五、教學(xué)實(shí)錄

環(huán)節(jié)一：沉淀CaCl2

【情境引入】生活中常會(huì)遇到這樣的現(xiàn)象：茶壺使用久了會(huì)形成水垢、洗衣服時(shí)不易起泡沫。這主要是由水的硬度引起的。形成水硬度的主要化學(xué)物質(zhì)有鈣鎂的氯化物、碳酸鹽、硫酸鹽等。牛奶加工企業(yè)排出的污水中有含量較高的氯化鈣，勢(shì)必會(huì)增大水的硬度，水的硬度太大則會(huì)引發(fā)心腦血管相關(guān)的疾病。

【教師提問(wèn)】如何除去廢水中的含量較高的CaCl2？【學(xué)生回答】加入Na2CO3沉淀CaCl2。

【教師實(shí)驗(yàn)】固體 CaCl2、固體Na2CO3混合時(shí)，卻無(wú)明顯變化的原因？（見(jiàn)圖1）

【學(xué)生回答】固體無(wú)自由移動(dòng)的離子，改用Na2CO3溶液沉淀CaCl2。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)，匯報(bào)現(xiàn)象】實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】?jī)扇芤夯旌虾螽a(chǎn)生白色沉淀。

【教師追問(wèn)】為什么Na2CO3溶液和CaCl2溶液混合后產(chǎn)生白色沉淀？

【學(xué)生回答】Na2CO3溶液中有自由移動(dòng)的Na+、CO3（2）-、CaCl2水溶液中有自由移動(dòng)的Ca2+、Cl-。當(dāng)兩溶液混合時(shí)，自由移動(dòng)的CO3（2）-與Ca2+結(jié)合成CaCO3沉淀。

【PPT】動(dòng)畫(huà)模擬CaCO3的形成過(guò)程（見(jiàn)圖3）。

【教師追問(wèn)】如何用化學(xué)符號(hào)表示形成過(guò)程呢？

【學(xué)生活動(dòng)】CO3（2）-+ Ca2+=CaCO3↓

【教師提問(wèn)】這就是今天要探討的離子方程式，那么離子方程式與化學(xué)方程式有何區(qū)別？

【學(xué)生回答】離子方程式是用實(shí)際參加反應(yīng)的離子符號(hào)來(lái)表示的式子。

【教師追問(wèn)】如何證明Cl-不參加離子反應(yīng)？

【學(xué)生回答】取10 ml 0.001 mol·L-1 Na2CO3溶液和10 ml 0.001 mol·L-1 CaCl2溶液充分反應(yīng)后的上層清液，先加硝酸酸化后再加硝酸銀，產(chǎn)生白色沉淀。

【教師設(shè)問(wèn)】當(dāng)用Cl-離子傳感器檢測(cè)Cl-離子濃度時(shí)，為什么測(cè)得c（Cl-）降低？（實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果見(jiàn)圖4）

【學(xué)生回答】加入的 Na2CO3溶液起稀釋作用，使c （Cl-）降低。

【教師追問(wèn)】如何解決這個(gè)問(wèn)題？

【學(xué)生回答】改加Na2CO3固體或做對(duì)照實(shí)驗(yàn)?！綪PT】對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

【教師設(shè)問(wèn)】能否用Na2SO4沉淀CaCl2？

【PPT】常溫下，CaSO4的溶解度0.114 g；碳酸鈣的溶解度是0.000529 g。

A組試劑：飽和Na2SO4溶液、飽和CaCl2溶液

B組試劑：0.001 mol·L-1 Na2SO4溶液和0.001 mol·L-1 CaCl2溶液。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)，匯報(bào)現(xiàn)象】見(jiàn)圖6。

【實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象】A組有白色沉淀，B組無(wú)現(xiàn)象。

【教師設(shè)問(wèn)】相同的試劑，為什么產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？

【學(xué)生回答】飽和溶液中SO4（2）-、Ca2+濃度大，能形成CaSO4沉淀，若離子濃度為0.001 mol·L-1，則無(wú)法形成沉淀。

【師生歸納】微溶物作為產(chǎn)物時(shí)，發(fā)生離子反應(yīng)的條件：溶液中某些離子濃度超過(guò)對(duì)應(yīng)物質(zhì)的溶解程度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沉淀。

環(huán)節(jié)二：去除CaCO3、CaSO4水垢

【教師設(shè)問(wèn)】廢水中的 CaCl2只會(huì)增大水的硬度，而水垢的主要化學(xué)成分是 CaCO3、CaSO4等，水垢在加熱時(shí)易形成，分析可能原因？

【學(xué)生回答】溫度升高，CaCO3和 CaSO4的溶解度下降，且加熱時(shí)隨著水分蒸發(fā)形成過(guò)飽和溶液而析出。

【PPT】CaCO3和 CaSO4的溶解度隨溫度變化曲線(xiàn)的變化（見(jiàn)圖7）。

【教師設(shè)問(wèn)】由于水垢的導(dǎo)熱性能很差，會(huì)導(dǎo)致鍋爐受熱不均而發(fā)生爆炸，如何去除CaCO3水垢呢？

【學(xué)生回答】鹽酸、醋酸（部分學(xué)生認(rèn)為硫酸也可以）

【學(xué)生活動(dòng)】CaCO3+2H+=Ca2++ CO2↑+ H2O （鹽酸）

CaCO3+2CH3COOH=2CH3COO-+ Ca2++CO2↑+ H2O （醋酸）

【教師追問(wèn)】為什么醋酸寫(xiě)成分子式的形式？

【學(xué)生回答】醋酸是弱酸，在水中不能完全電離，主要以分子的形式存在于水溶液中。

【PPT】鹽酸、醋酸電離程度比較（見(jiàn)圖8）。

【教師設(shè)問(wèn)】相同濃度的鹽酸酸性比醋酸強(qiáng)，能否把鹽酸轉(zhuǎn)化為醋酸？

【學(xué)生回答】可以用鹽酸制備醋酸，因反應(yīng)符合“強(qiáng)酸制弱酸”的化學(xué)反應(yīng)原理。

【教師追問(wèn)】鹽酸能與醋酸銨（CH3COONH4）發(fā)生反應(yīng)？

【PPT】pH=-lg c（H+），乙酸銨（CH3COONH4）溶液顯中性。

【學(xué)生討論】鹽酸與醋酸銨發(fā)生反應(yīng)無(wú)現(xiàn)象，需要定量測(cè)量鹽酸中 H+的濃度即溶液的pH值，為了避免水稀釋引起 pH 值變大的干擾，選擇添加乙酸銨（CH3COONH4）固體。（設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)圖9，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的pH變化見(jiàn)圖10）

【教師實(shí)驗(yàn)】

【教師追問(wèn)】為什么不能用硫酸去除 CaCO3水垢？

【學(xué)生回答】硫酸與 CaCO3發(fā)生反應(yīng)生成微溶性的CaSO4，而CaSO4覆蓋在CaCO3的表面會(huì)阻止反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行。

【教師設(shè)問(wèn)】水垢中的CaSO4為什么用鹽酸難以去除？

【學(xué)生回答】不符合復(fù)分解反應(yīng)的判斷依據(jù)：無(wú)沉淀、氣體、弱電解質(zhì)生成。

【PPT】工業(yè)除CaSO4水垢流程：

【學(xué)生活動(dòng)】寫(xiě)出CaSO4水垢用飽和Na2CO3溶液浸泡時(shí)的離子方程式

CaSO4+ CO3（2）-=CaCO3+SO4（2）-

【教師追問(wèn)】該復(fù)分解反應(yīng)能發(fā)生的原因？

【學(xué)生回答】CaCO3更難溶，化學(xué)反應(yīng)要向著離子濃度降低的方向進(jìn)行。

【教師設(shè)問(wèn)】CaSO4水垢是水中 Ca2+和 SO4（2）-結(jié)合形成的，那么CaCO3水垢是如何形成的？

環(huán)節(jié)三、模擬CaCO3水垢的形成

【教師展示資料】天然水中含有 Na+、Ca2+、Mg2+、 Cl-、HCO3（-）、SO4（2）-（少量）等。

【教師設(shè)問(wèn)】根據(jù)天然水的成分，分析形成 CaCO3水垢需要的微粒？

【學(xué)生回答】Ca2+和HCO3（-），但有相當(dāng)一部分學(xué)生認(rèn)

為Ca2+和HCO3（-）不能發(fā)生離子反應(yīng)。

【教師提示】請(qǐng)大家根據(jù)提供的藥品，驗(yàn)證反應(yīng)能否發(fā)生。

【學(xué)生實(shí)驗(yàn)，匯報(bào)現(xiàn)象】實(shí)驗(yàn)裝置如圖11。

【學(xué)生現(xiàn)象】先產(chǎn)生白色沉淀，隨后有氣泡生成。

【教師實(shí)驗(yàn)】二氧化碳傳感器確定氣泡的成分，實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果見(jiàn)圖12。

【學(xué)生活動(dòng)】根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，寫(xiě)出 CaCO3水垢形成的離子方程式？

Ca2++2HCO3（-）=CaCO3↓+ CO2↑+ H2O

【教師追問(wèn)】如何確定產(chǎn)物H2O？

【學(xué)生回答】原子守恒。

【師生歸納】離子方程式遵循電荷守恒，陌生的離子反應(yīng)要尊重客觀事實(shí)。

【課堂小結(jié)】板書(shū)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖13。

【教師結(jié)語(yǔ)】本節(jié)課學(xué)習(xí)了含鈣物質(zhì)引起的水硬度，探討了CaCO3、CaSO4水垢的去除方法。其實(shí)，水垢中還有 Mg（OH）2，Mg（OH）2是如何形成又該如何去除，今后會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)。

五、教學(xué)反思

本節(jié)課利用牛奶企業(yè)排出的廢水有含量較高的氯化鈣這一真實(shí)情境問(wèn)題，設(shè)置“沉淀廢水中 CaCl2”這一驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題幫助學(xué)生從微觀角度分析反應(yīng)，建立離子反應(yīng)的書(shū)寫(xiě)思路。對(duì)比濃度均為0.001 mol·L-1CO3（2）-、SO4（2）-沉淀0.001 mol·L-1 Ca2+時(shí)產(chǎn)生不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，體會(huì)離子反應(yīng)的發(fā)生可以通過(guò)濃度來(lái)調(diào)控，同時(shí)解決了SO4（2）-和Ca2+在溶液中能否大量共存問(wèn)題。

以“CaCO3、CaSO4水垢的去除方法”為問(wèn)題線(xiàn)，“CaCO3、CaSO4”的性質(zhì)為知識(shí)線(xiàn)，體會(huì)離子方程式書(shū)寫(xiě)時(shí)要用物質(zhì)的主要存在形式來(lái)表示，通過(guò)鹽酸和固體醋酸銨的反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)分解型離子反應(yīng)條件的進(jìn)階：沉淀、氣體、弱電解質(zhì)。對(duì)于無(wú)明顯現(xiàn)象的反應(yīng)，學(xué)生能自覺(jué)、主動(dòng)地設(shè)計(jì)定量的實(shí)驗(yàn)方案。

總之，利用“水硬度”這條情境線(xiàn)將化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)遷移到生活實(shí)踐中，串聯(lián)起離子反應(yīng)中一些零散的知識(shí)點(diǎn)，避免了知識(shí)的碎片化，注重“從本質(zhì)上分析微粒間的相互作用”，弱化“寫(xiě)拆刪查”等技能性的訓(xùn)練，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的發(fā)展，但可能對(duì)基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生還需要練習(xí)鞏固，因?yàn)樗麄兒茈y一下子脫離化學(xué)反應(yīng)方程式。

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