基于四重表征的觀念建構(gòu)“離子反應(yīng)”教學(xué)

馬民　許宏生　李平均

“離子反應(yīng)”是中學(xué)化學(xué)的核心概念，其體現(xiàn)了“微粒觀”和“變化觀”2個學(xué)科基本觀念，也是發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”等學(xué)科核心素養(yǎng)的重要知識載體。究其內(nèi)涵，就是要學(xué)會從離子視角看酸堿鹽在水溶液中的化學(xué)反應(yīng)及其發(fā)生條件，明確宏觀現(xiàn)象的背后必然有其微觀本質(zhì)，歸納出物質(zhì)及其變化的共性和特征。所以能否從離子視角認識化學(xué)反應(yīng)是構(gòu)建“微粒觀”及“變化觀”的關(guān)鍵。“四重表征”模式對本課題的意義在于，能夠深化學(xué)生對于該概念的認識和理解，以便于學(xué)生對上述觀念的自主建構(gòu)。

一、教學(xué)主題分析

“離子反應(yīng)”選白山東科技出版社普通高中教科書化學(xué)必修第一冊第二章第二節(jié)“電解質(zhì)”，是在完成第1課時時“電解質(zhì)的定義，電離過程的認識及其電離方程式表達”教學(xué)后的第2課時新授課。該節(jié)課的內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)習(xí)完復(fù)分解反應(yīng)、電解質(zhì)溶液等知識的基礎(chǔ)上，進一步把認識視角從宏觀現(xiàn)象深入到微觀本質(zhì)，并為后續(xù)選擇性必修一“水溶液中的離子反應(yīng)與平衡”的進一步學(xué)習(xí)提供一個重要的認識視角和分析模型，最終初步建構(gòu)起“微粒觀”和“變化觀”。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點

從微觀角度分析溶液中物質(zhì)微粒的存在狀態(tài)、微粒問的相互作用及其作用結(jié)果，形成用微觀實質(zhì)解釋宏觀現(xiàn)象及從宏觀現(xiàn)象推測微觀實質(zhì)的思維路徑，逐步建立微粒觀的過程也有利于促進學(xué)生宏觀辨識與微觀探析的素養(yǎng)發(fā)展。與此同時，進一步認識“離子反應(yīng)及其發(fā)生的條件”是“變化觀念”學(xué)科素養(yǎng)的核心知識內(nèi)容，豐富對化學(xué)反應(yīng)的認識角度。

具體創(chuàng)新點主要包括3點：

1.教學(xué)環(huán)節(jié)上，采用“問題——探究——驗證”的進階式學(xué)習(xí)方式。從探究“自動充氣加油棒”的充氣原理的環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)并認識“離子反應(yīng)”及其本質(zhì)的符號表達——“離子方程式”；再到整合教材中的2個“交流·研討”活動，學(xué)生分組探究復(fù)分解型離子反應(yīng)發(fā)生的條件，學(xué)生經(jīng)歷觀察、分析、歸納、表達的思維過程；最后的驗證性實驗“醋酸鈉與稀鹽酸的反應(yīng)是否為離子反應(yīng)”，既鞏同新知，又實現(xiàn)了實驗中的思維進階。

2.教學(xué)模式上，“宏-微-符-曲”四重表征模式的運用，可以從宏觀、微觀、符號、曲線多個角度全面認識“離子反應(yīng)”，特別是拼插小球的微觀模擬實驗，讓學(xué)生親身體驗酸堿鹽的解離過程；pH傳感器實驗有利于把抽象無形變?yōu)榫唧w可視化。

3.能力提升上，挑戰(zhàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)“如何證叫醋酸鈉與稀鹽酸反應(yīng)為離子反應(yīng)”的設(shè)計，改變在實驗中注重動手但缺乏思考的現(xiàn)狀，拓展對離子反應(yīng)發(fā)生條件的認知，學(xué)生通過分析、評價、證實等高水平思維活動，實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

三、教學(xué)目標

1.通過對“自動充氣加油棒”的充氣原理的探究，發(fā)展對離子反應(yīng)本質(zhì)的認識進階。

2.通過初步探究離子反應(yīng)發(fā)生的條件，分析實驗現(xiàn)象背后的微觀本質(zhì)，發(fā)展微觀探析與科學(xué)探究素養(yǎng)水平。

3.通過“醋酸鈉與稀鹽酸的反應(yīng)是否為離子反應(yīng)”這一高水平的實驗探究活動。強化對變量控制方法的運用，加強在實驗過程的思考，培養(yǎng)探索精神，初步發(fā)展高階思維。

4.通過3個連續(xù)進階的活動，逐步建立微觀的離子視角，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建初級的“微粒觀”及“變化觀”。

四、教學(xué)實錄

1.宏微結(jié)合，符號表征

[實物導(dǎo)入]展示學(xué)生平時開運動會或者舉辦班級活動時用到的“自動充氣加油棒”。

[交流]多數(shù)學(xué)生都見過及使用過這種自動充氣加油棒，并找一位學(xué)生演示如何充氣，在加油棒的一端有一個水包，用力擠壓水包，壓破即能快速得到大量氣體，學(xué)生對里面是什么氣體感興趣。

[展示]為學(xué)生解剖加油棒，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)造，里面實際上是NaHCO3粉末和檸檬酸溶液。

[提問]根據(jù)配料組成，應(yīng)該會產(chǎn)生什么氣體？

[回答]應(yīng)該是CO2氣體。

[追問]如何檢驗?zāi)兀?/p>

[分組實驗1]（現(xiàn)場教學(xué)中考慮到實驗室藥品配備，用稀鹽酸代替檸檬酸，模擬加油棒中的反應(yīng)）學(xué)生依據(jù)初中實驗室檢驗CO2氣體的方法分組實驗。

[提問]觀察到什么現(xiàn)象？反應(yīng)的化學(xué)方程式應(yīng)該如何書寫？

[回答]試管中有大量氣體生成，該氣體能使澄清石灰水變渾濁?；瘜W(xué)方程式為：

HCl+NaHCO3=NaCl+CO2↑+H2O

[微觀模擬實驗]用白球表示氫離子，綠球表示氯離子，黑球表示碳酸根離子，黃球表示鈉離子，學(xué)生分組分析、討論，動手拼插小球，微觀模擬反應(yīng)時微粒的變化。

[提問]請一位小組代表描述下微觀模擬實驗過程，說一說每種微粒都發(fā)生了怎樣的變化？

[回答]Na+和Cl-在混合前后數(shù)目并沒有變化，HCO3-與H+結(jié)合生成了H2CO3分子，其不穩(wěn)定分解成CO2和H2O（如圖1所示）。

[導(dǎo)出概念1]像這樣在溶液中有離子參加的化學(xué)反應(yīng)，就叫做離子反應(yīng)。

[引導(dǎo)]同學(xué)們已經(jīng)描述出微觀過程，發(fā)現(xiàn)了該反應(yīng)的本質(zhì)，我們能不能把這種微觀本質(zhì)（用離子方程式的形式）表達出來？

[學(xué)生]嘗試書寫離子方程式。

[教師]檢查學(xué)生書寫結(jié)果，給出最佳答案：

H++HCO3-=CO2↑+H2O

[導(dǎo)出概念2]用實際參加離子反應(yīng)的離子符號表示該離子反應(yīng)的式子，叫做離子方程式。

[提問]離子方程式與化學(xué)方程式做比較，有什么特點？

[回答]更簡潔，更微觀本質(zhì)。

設(shè)計意圖利用真實有趣的情境，激發(fā)學(xué)生的探究興趣，并在實驗探究中學(xué)習(xí)離子反應(yīng)和離子方程式概念。

2.分組實驗，探究新知

[提問]酸堿鹽在水溶液中混合都能發(fā)生離子反應(yīng)嗎？離子之間要發(fā)生離子反應(yīng)需要滿足什么樣的條件？帶著這2個問題，請同學(xué)們完成表1所列5組實驗。

[學(xué)生總結(jié)]離子反應(yīng)發(fā)生的條件應(yīng)該為：有沉淀、氣體和水生成。

[教師引導(dǎo)]大家再從離子的種類和數(shù)目的變化情況去分析，離子反應(yīng)有哪些特點？

[回答]有些離子的數(shù)目在下降。

[追問]第2組實驗中溶液體系的Ca2+數(shù)目降低了嗎？

[講解]（因?qū)W生描述不準確，所以教師講授）我們可以認為反應(yīng)體系中，某種或某些離子的數(shù)目發(fā)生了改變，由于以上反應(yīng)體系的體積幾乎不變，所以也可以說濃度發(fā)生改變。

[教師概括]通過上節(jié)課電解質(zhì)的學(xué)習(xí)，水是一種弱電解質(zhì)，所以從宏觀角度：有難溶的物質(zhì)、有難電離的物質(zhì)、有易揮發(fā)的物質(zhì)生成，概括為“兩難一易”；從微觀角度：應(yīng)該有某種或者某些離子的濃度發(fā)生了改變。

[教師闡明]離子反應(yīng)發(fā)生的條件好像也是復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件，實際上我們初中學(xué)習(xí)的復(fù)分解反應(yīng)都屬于離子反應(yīng)，但離子反應(yīng)不僅僅只包括復(fù)分解反應(yīng)。

[過渡]上一個環(huán)節(jié)中，大家已經(jīng)了解了離子方程式可以描述離子反應(yīng)的微觀本質(zhì)，請大家把分組實驗中的4個離子反應(yīng)的本質(zhì)用離子方程式書寫出來。

[學(xué)生]書寫難度較大，學(xué)生分組討論并完成。

[教師檢查并指導(dǎo)]在第2、3兩個離子方程式的書寫有近一半學(xué)生出現(xiàn)錯誤。提出離子方程式書寫的原則——符合實際。所以需要注意的是，一是要明確反應(yīng)物和生成物在溶液中的主要存在形式，二是要注意微粒間的數(shù)量關(guān)系。

設(shè)計意圖 探究離子反應(yīng)發(fā)生條件；體驗化學(xué)學(xué)科實驗探究的典型過程：宏觀辨識——微觀探析——符號表征；進一步掌握離子反應(yīng)的本質(zhì)的符號表征。

3.曲線表征，思維進階

[資料]醋酸鈉，分子式為CH3COONa。無水乙酸鈉為無色透明結(jié)晶體，熔點為324℃。易溶于水，可用于作pH調(diào)節(jié)劑。能與稀鹽酸反應(yīng)，化學(xué)方程式為：

CH3COONa+HCl=CH3COOH+NaCl

[提問]這個反應(yīng)屬于離子反應(yīng)嗎？如何證明？提示從上一環(huán)節(jié)探究的離子反應(yīng)發(fā)生條件出發(fā)。

[學(xué)生1]生成的醋酸是易揮發(fā)的，應(yīng)該能聞到醋味。

[學(xué)生2]醋酸是弱酸，屬于難電離的弱電解質(zhì)。

[學(xué)生3]鹽酸是強酸，醋酸是弱酸，混合后的酸性會發(fā)生變化。

[追問學(xué)生3]酸性發(fā)生了什么變化？何以證明其酸性發(fā)生變化了？

[學(xué)生3]H+濃度減小了，酸性應(yīng)該降低?？梢允褂胮H試紙檢測，溶液的pH應(yīng)該變大。

[教師評價]學(xué)生1和2能從宏觀角度思考離子反應(yīng)的條件，學(xué)生3從微觀的離子視角證明H+濃度發(fā)生改變。

[過渡]以學(xué)生3的回答為基礎(chǔ)，設(shè)計驗證實驗，為了使溶液的pH變化可視化，使用pH傳感器。

[演示實驗1]向裝有50mL0.5mol/L稀鹽酸的燒杯中（配以磁力攪拌器和攪拌子）加入50mL0.5mol/L CH3COONa溶液，觀察pH曲線的變化（如圖2所示）。

[提問]pH曲線中值變大，說明H+減小，證明該反應(yīng)是離子反應(yīng)嗎？

[學(xué)生質(zhì)疑]如果2種溶液不反應(yīng)，混合后對于稀鹽酸來說，pH也會變大。所以不足以證明。

[追問]有沒有改進的方案？

[回答]可以做一個對照實驗。向裝有50mL0.5mol/L稀鹽酸的燒杯中加入50mL蒸餾水，再測一測pH的變化。

[講解]也就是說，pH變化的原因需要排除溶液混合時稀釋的影響，不能排除時，需要做一組對照實驗。

[演示實驗2]向裝有50mL 0.5mol/L稀鹽酸的燒杯中（配以磁力攪拌器和攪拌子）加入50mL蒸餾水，觀察pH曲線的變化（如圖3所示）。

[提問]通過2組對照實驗的曲線變化，證明該反應(yīng)是離子反應(yīng)嗎？

[回答]可以證明，因為通過對比，發(fā)現(xiàn)2種溶液混合后pH的增大（H+濃度減?。┎皇窍♂尩脑蛟斐傻?，必然就是發(fā)生了離子反應(yīng)。

[教師]請同學(xué)們把此離子反應(yīng)的離子方程式書寫出來，進一步練習(xí)書寫。

設(shè)計意圖驗證離子反應(yīng)的發(fā)生條件，強化證據(jù)意識；通過數(shù)字化實驗將離子濃度的變化以曲線形式呈現(xiàn)，實現(xiàn)離子反應(yīng)的微觀可視化；同時在設(shè)計對照實驗的過程中，強化變量控制意識。

[課后作業(yè)]近期，有不少市民反映燒水時產(chǎn)生的水垢太多。據(jù)了解，我們生活中使用的自來水的水源基本上是地表水。那如何除去或者減少水中鈣鎂離子的濃度呢？

請同學(xué)們課下認真設(shè)計實驗方案——《自來水中的鈣鎂離子除雜方案》。

設(shè)計意圖

簡單設(shè)計除雜方案，一是應(yīng)用實踐，二是為下節(jié)內(nèi)容離子反應(yīng)的應(yīng)用做鋪墊。

五、教學(xué)效果

該本案例設(shè)計的3個活動均圍繞著離子反應(yīng)這個核心概念和離子方程式的書寫，其中第1個以生活情境引入突出了離子反應(yīng)核心概念，使學(xué)生體會到離子反應(yīng)在實際生活中的應(yīng)用；第2個活動給學(xué)生足夠的時間和空間進行探究活動，培養(yǎng)了學(xué)生的“宏觀辨識和微觀探析”核心素養(yǎng)；第3個活動通過較高水平的數(shù)字化實驗探究提升了學(xué)生的“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的”核心素養(yǎng)，3個活動層層深入很好地達成了教學(xué)目標要求。整體教學(xué)過程采用“宏微符曲”的“四重表征”模式，讓離子反應(yīng)這個概念更微觀、更本質(zhì)，可想、可視，具體易理解。從學(xué)生的表現(xiàn)來看較好地完成了教學(xué)目標，初步體驗了自主構(gòu)建“微粒觀”及“變化觀”的過程。

基金項目：2022年亳州市教育科學(xué)規(guī)劃課題“‘三新背景下提升化學(xué)教師作業(yè)設(shè)計能力策略研究”（BZKTLX2022101）

（收稿日期：2024-01-29）