基于四重表征的观念建构“离子反应”教学

“离子反应”是中学化学的核心概念，其体现了“微粒观”和“变化观”2个学科基本观念，也是发展学生“宏观辨识与微观探析”等学科核心素养的重要知识载体。究其内涵，就是要学会从离子视角看酸碱盐在水溶液中的化学反应及其发生条件，明确宏观现象的背后必然有其微观本质，归纳出物质及其变化的共性和特征。所以能否从离子视角认识化学反应是构建“微粒观”及“变化观”的关键。“四重表征”模式对本课题的意义在于，能够深化学生对于该概念的认识和理解，以便于学生对上述观念的自主建构。一、教学主题分析“离子反应”选白山东科技出版社普通高中教科书化学必修第一册第二章第二节“电解质”，是在完成第1课时时“电解质的定义，电离过程的认识及其电离方程式表达”教学后的第2课时新授课。该节课的内容是在学生学习完复分解反应、电解质溶液等知识的基础上，进一步把认识视角从宏观现象深入到微观本质，并为后续选择性必修一“水溶液中的离子反应与平衡”的进一步学习提供一个重要的认识视角和分析模型，最终初步建构起“微粒观”和“变化观”。二、教学思想与创新点从微观角度分析溶液中物质微粒的存在状态、微粒问的相互作用及其作用结果，形成用微观实质解释宏观现象及从宏观现象推测微观实质的思维路径，逐步建立微粒观的过程也有利于促进学生宏观辨识与微观探析的素养发展。与此同时，进一步认识“离子反应及其发生的条件”是“变化观念”学科素养的核心知识内容，丰富对化学反应的认识角度。具体创新点主要包括3点：1.教学环节上，采用“问题——探究——验证”的进阶式学习方式。从探究“自动充气加油棒”的充气原理的环节，发现并认识“离子反应”及其本质的符号表达——“离子方程式”；再到整合教材中的2个“交流·研讨”活动，学生分组探究复分解型离子反应发生的条件，学生经历观察、分析、归纳、表达的思维过程；最后的验证性实验“醋酸钠与稀盐酸的反应是否为离子反应”，既巩同新知，又实现了实验中的思维进阶。2.教学模式上，“宏-微-符-曲”四重表征模式的运用，可以从宏观、微观、符号、曲线多个角度全面认识“离子反应”，特别是拼插小球的微观模拟实验，让学生亲身体验酸碱盐的解离过程；pH传感器实验有利于把抽象无形变为具体可视化。3.能力提升上，挑战性学习任务“如何证叫醋酸钠与稀盐酸反应为离子反应”的设计，改变在实验中注重动手但缺乏思考的现状，拓展对离子反应发生条件的认知，学生通过分析、评价、证实等高水平思维活动，实现深度学习。三、教学目标1.通过对“自动充气加油棒”的充气原理的探究，发展对离子反应本质的认识进阶。2.通过初步探究离子反应发生的条件，分析实验现象背后的微观本质，发展微观探析与科学探究素养水平。3.通过“醋酸钠与稀盐酸的反应是否为离子反应”这一高水平的实验探究活动。强化对变量控制方法的运用，加强在实验过程的思考，培养探索精神，初步发展高阶思维。4.通过3个连续进阶的活动，逐步建立微观的离子视角，在此基础上构建初级的“微粒观”及“变化观”。四、教学实录1.宏微结合，符号表征[实物导入]展示学生平时开运动会或者举办班级活动时用到的“自动充气加油棒”。[交流]多数学生都见过及使用过这种自动充气加油棒，并找一位学生演示如何充气，在加油棒的一端有一个水包，用力挤压水包，压破即能快速得到大量气体，学生对里面是什么气体感兴趣。[展示]为学生解剖加油棒，发现内部构造，里面实际上是NaHCO3粉末和柠檬酸溶液。[提问]根据配料组成，应该会产生什么气体？[回答]应该是CO2气体。[追问]如何检验呢？[分组实验1]（现场教学中考虑到实验室药品配备，用稀盐酸代替柠檬酸，模拟加油棒中的反应）学生依据初中实验室检验CO2气体的方法分组实验。[提问]观察到什么现象？反应的化学方程式应该如何书写？[回答]试管中有大量气体生成，该气体能使澄清石灰水变浑浊。化学方程式为：HCl+NaHCO3=NaCl+CO2↑+H2O[微观模拟实验]用白球表示氢离子，绿球表示氯离子，黑球表示碳酸根离子，黄球表示钠离子，学生分组分析、讨论，动手拼插小球，微观模拟反应时微粒的变化。[提问]请一位小组代表描述下微观模拟实验过程，说一说每种微粒都发生了怎样的变化？[回答]Na+和Cl-在混合前后数目并没有变化，HCO3-与H+结合生成了H2CO3分子，其不稳定分解成CO2和H2O（如图1所示）。[导出概念1]像这样在溶液中有离子参加的化学反应，就叫做离子反应。[引导]同学们已经描述出微观过程，发现了该反应的本质，我们能不能把这种微观本质（用离子方程式的形式）表达出来？[学生]尝试书写离子方程式。[教师]检查学生书写结果，给出最佳答案：H++HCO3-=CO2↑+H2O[导出概念2]用实际参加离子反应的离子符号表示该离子反应的式子，叫做离子方程式。[提问]离子方程式与化学方程式做比较，有什么特点？[回答]更简洁，更微观本质。设计意图利用真实有趣的情境，激发学生的探究兴趣，并在实验探究中学习离子反应和离子方程式概念。2.分组实验，探究新知[提问]酸碱盐在水溶液中混合都能发生离子反应吗？离子之间要发生离子反应需要满足什么样的条件？带着这2个问题，请同学们完成表1所列5组实验。[学生总结]离子反应发生的条件应该为：有沉淀、气体和水生成。[教师引导]大家再从离子的种类和数目的变化情况去分析，离子反应有哪些特点？[回答]有些离子的数目在下降。[追问]第2组实验中溶液体系的Ca2+数目降低了吗？[讲解]（因学生描述不准确，所以教师讲授）我们可以认为反应体系中，某种或某些离子的数目发生了改变，由于以上反应体系的体积几乎不变，所以也可以说浓度发生改变。[教师概括]通过上节课电解质的学习，水是一种弱电解质，所以从宏观角度：有难溶的物质、有难电离的物质、有易挥发的物质生成，概括为“两难一易”；从微观角度：应该有某种或者某些离子的浓度发生了改变。[教师阐明]离子反应发生的条件好像也是复分解反应发生的条件，实际上我们初中学习的复分解反应都属于离子反应，但离子反应不仅仅只包括复分解反应。[过渡]上一个环节中，大家已经了解了离子方程式可以描述离子反应的微观本质，请大家把分组实验中的4个离子反应的本质用离子方程式书写出来。[学生]书写难度较大，学生分组讨论并完成。[教师检查并指导]在第2、3两个离子方程式的书写有近一半学生出现错误。提出离子方程式书写的原则——符合实际。所以需要注意的是，一是要明确反应物和生成物在溶液中的主要存在形式，二是要注意微粒间的数量关系。设计意图探究离子反应发生条件；体验化学学科实验探究的典型过程：宏观辨识——微观探析——符号表征；进一步掌握离子反应的本质的符号表征。3.曲线表征，思维进阶[资料]醋酸钠，分子式为CH3COONa。无水乙酸钠为无色透明结晶体，熔点为324℃。易溶于水，可用于作pH调节剂。能与稀盐酸反应，化学方程式为：CH3COONa+HCl=CH3COOH+NaCl[提问]这个反应属于离子反应吗？如何证明？提示从上一环节探究的离子反应发生条件出发。[学生1]生成的醋酸是易挥发的，应该能闻到醋味。[学生2]醋酸是弱酸，属于难电离的弱电解质。[学生3]盐酸是强酸，醋酸是弱酸，混合后的酸性会发生变化。[追问学生3]酸性发生了什么变化？何以证明其酸性发生变化了？[学生3]H+浓度减小了，酸性应该降低。可以使用pH试纸检测，溶液的pH应该变大。[教师评价]学生1和2能从宏观角度思考离子反应的条件，学生3从微观的离子视角证明H+浓度发生改变。[过渡]以学生3的回答为基础，设计验证实验，为了使溶液的pH变化可视化，使用pH传感器。[演示实验1]向装有50mL0.5mol/L稀盐酸的烧杯中（配以磁力搅拌器和搅拌子）加入50mL0.5mol/LCH3COONa溶液，观察pH曲线的变化（如图2所示）。[提问]pH曲线中值变大，说明H+减小，证明该反应是离子反应吗？[学生质疑]如果2种溶液不反应，混合后对于稀盐酸来说，pH也会变大。所以不足以证明。[追问]有没有改进的方案？[回答]可以做一个对照实验。向装有50mL0.5mol/L稀盐酸的烧杯中加入50mL蒸馏水，再测一测pH的变化。[讲解]也就是说，pH变化的原因需要排除溶液混合时稀释的影响，不能排除时，需要做一组对照实验。[演示实验2]向装有50mL0.5mol/L稀盐酸的烧杯中（配以磁力搅拌器和搅拌子）加入50mL蒸馏水，观察pH曲线的变化（如图3所示）。[提问]通过2组对照实验的曲线变化，证明该反应是离子反应吗？[回答]可以证明，因为通过对比，发现2种溶液混合后pH的增大（H+浓度减小）不是稀释的原因造成的，必然就是发生了离子反应。[教师]请同学们把此离子反应的离子方程式书写出来，进一步练习书写。设计意图验证离子反应的发生条件，强化证据意识；通过数字化实验将离子浓度的变化以曲线形式呈现，实现离子反应的微观可视化；同时在设计对照实验的过程中，强化变量控制意识。[课后作业]近期，有不少市民反映烧水时产生的水垢太多。据了解，我们生活中使用的自来水的水源基本上是地表水。那如何除去或者减少水中钙镁离子的浓度呢？请同学们课下认真设计实验方案——《自来水中的钙镁离子除杂方案》。设计意图简单设计除杂方案，一是应用实践，二是为下节内容离子反应的应用做铺垫。五、教学效果该本案例设计的3个活动均围绕着离子反应这个核心概念和离子方程式的书写，其中第1个以生活情境引入突出了离子反应核心概念，使学生体会到离子反应在实际生活中的应