基于模型認(rèn)知的主題式復(fù)習(xí)與反思

學(xué)習(xí)主題是指圍繞某一核心知識(shí)組織起來(lái)的，有難度而系統(tǒng)，體現(xiàn)學(xué)科思想方法或深化、豐富認(rèn)識(shí)世界的方式，能夠激發(fā)學(xué)生深度參與和持續(xù)發(fā)展的教學(xué)單元。基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的需求，從學(xué)生的興趣出發(fā)，教師可以圍繞某一鮮明主題對(duì)高中化學(xué)核心知識(shí)進(jìn)行整合，倡導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與的探究式學(xué)習(xí)是新課改的一個(gè)重要目標(biāo)。如何精選主題教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行深入的開(kāi)發(fā)與轉(zhuǎn)化，創(chuàng)設(shè)真實(shí)且富有價(jià)值的教學(xué)情境，仍需不斷實(shí)踐和完善。

一、設(shè)計(jì)思想

元素化合物知識(shí)在整個(gè)中學(xué)化學(xué)體系中處于核心地位，是化學(xué)內(nèi)容重要的載體。元素化合物種類繁多，內(nèi)容冗雜抽象，而且高考題取材新穎，源于課本又高于課本，對(duì)學(xué)生整合和加工信息的能力、分析和解決問(wèn)題的能力要求很高。但是學(xué)生對(duì)元素化合物知識(shí)類比遷移能力薄弱，在面對(duì)實(shí)際復(fù)雜問(wèn)題時(shí)，學(xué)生很難自覺(jué)主動(dòng)地調(diào)用已學(xué)的核心知識(shí)和已有的活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)，從不同的認(rèn)識(shí)角度和認(rèn)識(shí)方式來(lái)解決問(wèn)題。此外，新課程的元素化合物知識(shí)教學(xué)，雖然從教學(xué)內(nèi)容來(lái)看減少了，但教學(xué)要求卻并未降低。本節(jié)課應(yīng)用金屬元素化合物的認(rèn)識(shí)模型，以發(fā)熱包真實(shí)情境為教學(xué)主題，以推測(cè)反應(yīng)原理→檢驗(yàn)鋁元素→安全性探究→從高鋁粉中回收稼為情境主線。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

基于金屬及其化合物認(rèn)識(shí)模型的 “探秘發(fā)熱包”的主題式復(fù)習(xí)教學(xué)，在真實(shí)問(wèn)題情境下，從能量的視角推測(cè)反應(yīng)原理，從物質(zhì)類別和化合價(jià)２個(gè)角度來(lái)建構(gòu)價(jià)類二維分析模型，設(shè)計(jì)復(fù)雜情境中檢驗(yàn)Al3+的流程圖并輔以實(shí)驗(yàn)證明。此外，為了保證發(fā)熱包安全的使用，學(xué)生自行設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置，建立一種通用、快捷測(cè)定食品自發(fā)熱劑產(chǎn)氫量的方法。最后，學(xué)生根據(jù)鋁及其化合物的分析模型，建構(gòu)稼及其化合物的價(jià)類二維認(rèn)知模型，預(yù)測(cè)其性質(zhì)及轉(zhuǎn)化關(guān)系，解決從高鋁煤灰中回收稼的問(wèn)題。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.通過(guò)回憶鋁及其化合物的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，建構(gòu)鋁及其化合物的價(jià)類二維思維模型，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識(shí)與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

2.通過(guò)發(fā)熱包實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析推理，學(xué)會(huì)運(yùn)用模型解釋其發(fā)熱原理，感受性質(zhì)與用途的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理與變化觀念的素養(yǎng)。

3.通過(guò)發(fā)熱包成分實(shí)驗(yàn)探究，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，學(xué)會(huì)在復(fù)雜情境下Al3+的檢驗(yàn)方法并實(shí)驗(yàn)證明，得出檢驗(yàn)混合物中物質(zhì)的一般思路，發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理與科學(xué)探究素養(yǎng)。

4.通過(guò)高鋁粉煤灰中回收鎵的工藝流程，建構(gòu)稼及其化合物的價(jià)類二維思維模型，預(yù)測(cè)其化學(xué)性質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知與變化觀念的素養(yǎng)。

四、教學(xué)實(shí)錄

[課前準(zhǔn)備]學(xué)生通過(guò)已有的知識(shí)儲(chǔ)備，畫(huà)出鋁及其重要化合物的轉(zhuǎn)化關(guān)系圖。并分成小組對(duì)該知識(shí)進(jìn)行總結(jié)和概括。

[教師]同學(xué)們對(duì)該知識(shí)掌握的不錯(cuò)，但是我們應(yīng)自覺(jué)主動(dòng)用價(jià)類二維圖分析元素化合物。采用二維圖建立類別和價(jià)態(tài)這2個(gè)認(rèn)識(shí)物質(zhì)性質(zhì)的角度，將其進(jìn)一步概括關(guān)聯(lián)，形成比較穩(wěn)定的元素化合物認(rèn)識(shí)方式。

[設(shè)計(jì)意圖]明確認(rèn)識(shí)角度，準(zhǔn)確把握認(rèn)識(shí)方式，對(duì)于提升學(xué)生化學(xué)復(fù)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生綜合化學(xué)能力具有重要的作用。

環(huán)節(jié)一：運(yùn)用模型解決真實(shí)問(wèn)題——推測(cè)發(fā)熱原理

[教師]投影展示自熱包圖片，并特別圈出自熱包主要成分為氧化鈣、鋁粒、碳酸鈉、活性炭。同學(xué)們可以推測(cè)自熱包的反應(yīng)原理嗎？有哪些物質(zhì)間會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？氣體是怎么產(chǎn)生的？

[學(xué)生1]我觀察到自熱包工作過(guò)程有大量氣泡產(chǎn)生，根據(jù)質(zhì)量守恒及氧化還原原理，該氣體應(yīng)該為氫氣，氫元素化合價(jià)改變，可能為鋁與熱水反應(yīng)生成氫氣。

[學(xué)生2]也可能金屬鋁與活性炭構(gòu)成了原電池，通過(guò)氧化還原反應(yīng)釋放能量，以此實(shí)現(xiàn)持續(xù)供熱。

[教師]那碳酸鈉有什么作用呢？

[學(xué)生3]根據(jù)物質(zhì)類別碳酸鈉屬于鹽，Ca（OH）2 + Na2CO3 = CaCO3↓+ 2NaOH。再根據(jù)鋁元素的價(jià)類二維圖，推斷2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑，該反應(yīng)也是放熱反應(yīng)，可以為食材供熱。

[教師]同學(xué)們非常棒，可以從元素價(jià)類二維模型及反應(yīng)能量的認(rèn)識(shí)角度來(lái)解釋反應(yīng)原理及現(xiàn)象。

[設(shè)計(jì)意圖]情境引入，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。激活學(xué)生頭腦中已有的相關(guān)知識(shí)，從復(fù)分解反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)角度推測(cè)反應(yīng)原理，運(yùn)用價(jià)類二維模型解決真實(shí)問(wèn)題。

環(huán)節(jié)二：運(yùn)用模型解決復(fù)雜問(wèn)題——復(fù)雜情境檢驗(yàn)Al3+

[教師]我們?nèi)绾螜z測(cè)發(fā)熱包里的Al3+？設(shè)計(jì)的依據(jù)是什么？請(qǐng)同學(xué)們小組討論，設(shè)計(jì)檢驗(yàn)Al3+實(shí)驗(yàn)流程。

[學(xué)生]以鋁及其化合物的價(jià)類二維分析模型，根據(jù)氫氧化鋁為白色沉淀，加入酸或堿白色沉淀消失的現(xiàn)象，依據(jù)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化→分離→檢驗(yàn)的基本方法和思路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程方案。

[教師]根據(jù)同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的方案，可以分為2大類：酸溶法和堿溶法。從“科學(xué)、可行、安全、綠色”等實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原則來(lái)看，哪種方案最佳？

[學(xué)生1]從理論上都可行。雜質(zhì)陽(yáng)離子Ca2+和Na+也不影響Al3+的檢驗(yàn)。

[學(xué)生2]不對(duì)，在方案一中Ca2+對(duì)實(shí)驗(yàn)會(huì)造成干擾。因?yàn)樵诎l(fā)熱包中氧化鈣的含量較多，酸化后加入堿，白色沉淀多數(shù)是氫氧化鈣，少數(shù)是氫氧化鋁，再滴加堿，很難用肉眼觀察到沉淀是否溶解。

[學(xué)生3]那我們可以嘗試設(shè)計(jì)方案三，先除去雜質(zhì)Ca2+，再檢驗(yàn)Al3+。這樣現(xiàn)象就會(huì)非常明顯了。

[學(xué)生4]也不行，氫氧化鈣微溶，完全沉淀時(shí)pH較大，很難通過(guò)調(diào)節(jié)溶液的pH，除去雜質(zhì)Ca2+，再檢驗(yàn)Al3+。因此，方案二的堿溶法不失為一種好的選擇。

[教師]同學(xué)們總結(jié)得非常到位?，F(xiàn)在請(qǐng)大家動(dòng)動(dòng)手，利用所提供的藥品及儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

儀器：鐵架臺(tái)、試管、玻璃棒、漏斗等。藥品：自熱包、2 mol/L NaOH溶液、2 mol/L HCl溶液等。

[學(xué)生]根據(jù)小組優(yōu)化的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并展示交流。

[教師]感興趣的同學(xué)在課余時(shí)間可以設(shè)計(jì)以廢棄發(fā)熱包為原料回收鋁單質(zhì)的流程，并輔以實(shí)驗(yàn)證明。

[設(shè)計(jì)意圖]組織小組討論，得出檢測(cè)發(fā)熱包中鋁元素的步驟：基于檢驗(yàn)?zāi)繕?biāo)→逆向分析→排除干擾→設(shè)計(jì)實(shí)施。

環(huán)節(jié)三：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)保證使用安全——設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易裝置

[教師]發(fā)熱包在使用過(guò)程中產(chǎn)生氫氣，會(huì)導(dǎo)致煙感報(bào)警器。這就是為什么乘坐飛機(jī)和高鐵不允許帶自熱食品的原因。那么如何使用自熱食品才是安全的呢？一袋發(fā)熱包產(chǎn)生多少氫氣？發(fā)熱包安全使用空間是多大呢？請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)文獻(xiàn)資料，進(jìn)行小組交流、討論，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)定氫氣體積。

展示文獻(xiàn)資料：稱取m g發(fā)熱劑樣品放入包裝袋底部，然后按照料液質(zhì)量比用注射器往袋中注蒸餾水，用膠帶封好針孔后封好針孔后將其置于室溫反應(yīng)，反應(yīng)放熱產(chǎn)生氣體使包裝袋膨脹，等袋內(nèi)不再有氣泡并降至室溫后，用排水法測(cè)量袋內(nèi)氣體的體積V，而后用氫氣濃度檢測(cè)儀探針檢測(cè)包裝袋中氫氣的濃度P，則發(fā)熱劑的產(chǎn)氫能力Q（單位mL/g）可按照公式Q= 計(jì)算。

[學(xué)生]小組總結(jié)匯報(bào)。我們通過(guò)文獻(xiàn)資料能夠測(cè)出氫氣的產(chǎn)量，但是存在以下幾個(gè)問(wèn)題：1.注水過(guò)程總是不可避免的有些水珠掛在包裝袋內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致水沒(méi)有完全參與反應(yīng)。2.貼膠帶很難保證袋子的密封性。尤其是反應(yīng)后產(chǎn)生氣體，包裝袋膨脹會(huì)撐開(kāi)一條縫，有漏氣的可能。3.用排水法測(cè)量水的體積時(shí)，很難把握加水的量，稍加過(guò)量就會(huì)流出來(lái)，而如果不加到快溢出，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)得的體積誤差大。我們嘗試滴加肥皂液（可以破壞水的表面張力），但我們發(fā)現(xiàn)滴加多少也是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。

[教師]同學(xué)們非常棒，善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，那我們?cè)撊绾谓鉀Q準(zhǔn)確測(cè)量氫氣體積的問(wèn)題呢？

[學(xué)生]從氫氣的性質(zhì)出發(fā)，我們想到了排水收集氫氣的方法，設(shè)計(jì)了相關(guān)裝置能方便快捷地測(cè)量體積。

[課后實(shí)驗(yàn)]根據(jù)單因素分析和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的結(jié)果，我們每次取0.5 g發(fā)熱劑進(jìn)行了料液質(zhì)量比（發(fā)熱劑質(zhì)量與水的質(zhì)量比）1∶3、1∶4、 1∶5、1∶6的系列實(shí)驗(yàn)，每個(gè)處理設(shè)定3個(gè)重復(fù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)料液質(zhì)量比為1∶5時(shí)，該品牌發(fā)熱劑產(chǎn)氫能力最強(qiáng)，用公式可計(jì)算出，產(chǎn)氫量為307.5 mL/g，已知該自熱包凈含量為30 g，氫氣在空氣中的爆炸極限為4%，則安全使用空間大小為："" 0.3075×30÷4%=230.6 L，即0.23 m3。

[設(shè)計(jì)意圖]通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)方案的實(shí)施及評(píng)價(jià)，學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，他們的創(chuàng)造性思維有了質(zhì)的飛躍。

環(huán)節(jié)四：深化用模提升復(fù)習(xí)實(shí)效——檢驗(yàn)用模效果

[教師]請(qǐng)同學(xué)們利用二維圖預(yù)測(cè)稼及其化合物的性質(zhì)，并能主動(dòng)說(shuō)明預(yù)測(cè)理由，解決從高鋁粉煤灰中回收鎵的問(wèn)題，現(xiàn)在讓我們來(lái)小試身手吧……

五、教學(xué)反思

本節(jié)課打破傳統(tǒng)復(fù)習(xí)課的模式，以生活中“發(fā)熱包”為研究對(duì)象，開(kāi)展主題式復(fù)習(xí)教學(xué)實(shí)踐。在 “探秘發(fā)熱包”教學(xué)環(huán)節(jié)中，進(jìn)行“推測(cè)發(fā)熱原理→設(shè)計(jì)檢驗(yàn)Al3+流程→實(shí)驗(yàn)探究→產(chǎn)氫量測(cè)定→改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法→拓展提升”的流程。化學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，尊重客觀事實(shí)，用事實(shí)說(shuō)話。通過(guò)一系列凸顯認(rèn)識(shí)角度對(duì)研究物質(zhì)性質(zhì)指導(dǎo)作用的教學(xué)環(huán)節(jié)，可以讓學(xué)生主動(dòng)運(yùn)用這些認(rèn)識(shí)角度解決陌生問(wèn)題。最后通過(guò)一道高考模擬題，一種從高鋁粉煤灰中回收鎵的工藝，來(lái)檢驗(yàn)學(xué)生綜合利用模型的能力。

【注：本文系廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2021年度課題“基于思維模型建構(gòu)的高三化學(xué)核心知識(shí)教學(xué)及策略研究”（2021113711）研究成果】

責(zé)任編輯 邱 麗