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        導(dǎo)向深度學(xué)習的化合物性質(zhì)實驗教學(xué)

        2022-11-16 14:54:27楊歡貝偉浩藍仁敏
        廣西教育·B版 2022年9期
        關(guān)鍵詞:深度學(xué)習

        楊歡 貝偉浩 藍仁敏

        【摘要】本文以教學(xué)碳酸氫鈉自偶電離為例,論述導(dǎo)向深度學(xué)習的化合物性質(zhì)實驗教學(xué)設(shè)計的方法,通過分析教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀,找尋教學(xué)創(chuàng)新點,合理定位評價目標,根據(jù)真實學(xué)情整合學(xué)科知識,從而解決學(xué)生提出的問題,驅(qū)動學(xué)生開展深度學(xué)習。

        【關(guān)鍵詞】深度學(xué)習 實驗課堂 碳酸氫鈉 自偶電離 高中化學(xué)教學(xué)

        【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

        【文章編號】0450-9889(2022)26-0120-05

        深度學(xué)習是促進學(xué)生能力發(fā)展、提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要方式和可靠路徑。胡久華教授等人在《指向“深度學(xué)習”的化學(xué)教學(xué)實踐改進》一文中指出,化學(xué)學(xué)科的深度學(xué)習需要在教師引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習主題,開展以化學(xué)實驗為主的多種探究活動,從宏微結(jié)合、變化守恒的視角,運用證據(jù)推理與模型認知的思維方式,解決綜合復(fù)雜問題,獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識,建立運用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力,促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。筆者以教學(xué)碳酸氫鈉自偶電離為例,論述通過化學(xué)實驗促進學(xué)生深度學(xué)習的途徑。

        一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

        (一)教學(xué)主題內(nèi)容

        碳酸氫鈉自偶電離一課是人教版高中化學(xué)選擇性必修1《化學(xué)反應(yīng)原理》第三章《水溶液中的離子反應(yīng)與平衡》的單元復(fù)習課。學(xué)生在學(xué)完《溶液中的離子平衡》一章后,對溶液中的三大平衡有了初步的認識,但利用相關(guān)知識分析和解決實際問題的能力仍有待加強。

        碳酸氫鈉是人教版高中化學(xué)必修第一冊第二章《海水中的重要元素——鈉和氯》第一節(jié)“鈉及其化合物”中的教學(xué)內(nèi)容。教材只簡單介紹了碳酸氫鈉與酸反應(yīng)、受熱分解這兩個化學(xué)性質(zhì),并未涉及碳酸氫根在溶液中的電離水解等知識。而利用碳酸氫鹽沉淀金屬離子是工業(yè)生產(chǎn)中的常用方法,顯然學(xué)生僅掌握課本上講述的碳酸氫鈉的性質(zhì)無法深入理解這一反應(yīng)的原理。

        本節(jié)課通過整合水溶液中的離子平衡與碳酸氫鹽知識,幫助學(xué)生學(xué)習用平衡原理研究物質(zhì)性質(zhì)的方法,同時深入理解碳酸氫鹽的化學(xué)性質(zhì)。

        (二)研究現(xiàn)狀

        用碳酸氫鹽沉淀金屬離子是工業(yè)生產(chǎn)常用的方法,如利用碳酸氫銨沉錳、沉鈰等,這一方法也是高考考查熱點。但碳酸氫鹽可以與金屬離子反應(yīng)這一知識在教材中并未出現(xiàn)。在目前的教學(xué)中,大多教師遇到此類試題往往會就題論題,導(dǎo)致學(xué)生對反應(yīng)原理的理解流于表面,不能舉一反三。有教師設(shè)計了相關(guān)教學(xué)嘗試解決這一問題,如利用碳酸氫鈉與氯化鈣發(fā)生反應(yīng),檢驗沉淀和上層清液的成分書寫反應(yīng)方程式,但并沒有對反應(yīng)原理進行深入解釋;有教師通過探究碳酸氫鈉與氯化鈣反應(yīng)生成的沉淀,并通過計算分析生成相應(yīng)產(chǎn)物的可能性,理論上可行但實際上計算對學(xué)生而言難度較大,并且采用這種方式對反應(yīng)原理也缺乏深入解釋。此外,在生物光合作用實驗中,會利用碳酸氫鈉溶液作為二氧化碳的緩沖劑,教師和學(xué)生都對這一原理表示不解。由于反應(yīng)釋放和吸收二氧化碳的量較少,傳統(tǒng)實驗很難直觀觀察到二氧化碳釋放和吸收的過程。為分析二氧化碳緩沖溶液的緩沖原理,有教師設(shè)計了數(shù)字化解析實驗,借助這一實驗,可以將碳酸氫鈉吸收和釋放二氧化碳的過程具象化。

        二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點

        化學(xué)實驗是化學(xué)探究的載體。貝偉浩老師曾提出由“探究點”“品質(zhì)點”“異常點”“生成點”構(gòu)成的化學(xué)課堂“四要素設(shè)計模式”。從這一模型出發(fā),以碳酸氫鈉與氯化鈣的反應(yīng)會產(chǎn)生不同現(xiàn)象這一與學(xué)生預(yù)期不符的異常點為引子引入課程,能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。尋找生物學(xué)實驗中的化學(xué)知識,并將其作為條件變換的探究點,抽象出化學(xué)學(xué)科本原性的典型實驗問題并據(jù)此設(shè)計課程,能夠促進學(xué)生深度學(xué)習?;诖?,筆者構(gòu)建了導(dǎo)向深度學(xué)習的化合物性質(zhì)實驗教學(xué)設(shè)計模型(如圖1所示)。

        三、教學(xué)目標

        通過解讀課程標準的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求,結(jié)合學(xué)情,筆者制訂如下教學(xué)目標。

        (一)利用平衡移動的知識,分析碳酸氫鈉與氯化鈣的反應(yīng),以及碳酸氫鈉溶液作為二氧化碳緩沖劑的反應(yīng)原理,用方程式表示反應(yīng)過程,培養(yǎng)“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

        (二)設(shè)計實驗,探究碳酸氫鈉與氯化鈣反應(yīng)的產(chǎn)物,證實碳酸氫鈉溶液能夠吸收或釋放二氧化碳氣體,并能作為二氧化碳緩沖劑使用,從而培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

        (三)根據(jù)反應(yīng)原理,建構(gòu)水溶液中碳酸氫鈉自偶電離的反應(yīng)模型,培養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認知”的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

        四、評價目標

        通過解讀課程標準的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求,結(jié)合學(xué)情,筆者制訂了如下評價目標。

        (一)通過觀察學(xué)生分析與解釋實驗現(xiàn)象的情況,診斷并發(fā)展學(xué)生宏微結(jié)合、證據(jù)推理、變化平衡的認知能力。

        (二)通過觀察學(xué)生討論、設(shè)計實驗的課堂表現(xiàn),診斷并發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的能力。

        (三)通過對實驗及平衡原理的歸納總結(jié),推導(dǎo)出碳酸氫根自偶電離的模型,診斷并發(fā)展學(xué)生證據(jù)推理的能力。

        五、教學(xué)流程

        筆者共設(shè)計了四個教學(xué)環(huán)節(jié),具體內(nèi)容如表1所示。

        六、教學(xué)實錄

        (一)實驗引入

        師:可以利用氯化鈣溶液鑒別碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液嗎?為什么?

        生1:可以。因為氯化鈣與碳酸鈉可以反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀,而氯化鈣與碳酸氫鈉不反應(yīng),所以可以利用是否產(chǎn)生白色沉淀來區(qū)分碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液。

        師:真的是這樣嗎?請利用桌面上老師所給藥品與器材進行分組實驗。分別向氯化鈣溶液中滴入碳酸鈉與碳酸氫鈉溶液,然后匯報實驗結(jié)果。

        (學(xué)生活動:學(xué)生分組實驗,并匯報實驗結(jié)果。)

        學(xué)生小組1:我們向氯化鈣溶液中滴加碳酸鈉溶液,發(fā)現(xiàn)生成了白色沉淀。

        學(xué)生小組2:我們向氯化鈣溶液中滴加碳酸氫鈉溶液,無明顯現(xiàn)象。

        學(xué)生小組3:我們的結(jié)果跟上一個小組不一樣。向氯化鈣溶液中滴加碳酸氫鈉溶液后,也有白色沉淀生成。

        學(xué)生小組4:我們的結(jié)果跟前面兩個小組都不一樣。向氯化鈣溶液中滴加碳酸氫鈉溶液后,除了有白色沉淀生成,還有氣體生成。

        (a)學(xué)生小組2? ? (b)學(xué)生小組3? ? (c)學(xué)生小組4

        師:同樣是碳酸氫鈉溶液與氯化鈣溶液反應(yīng),為什么三個小組的實驗現(xiàn)象各不相同?

        (學(xué)生對比之后發(fā)現(xiàn),四個小組中有三個小組所用的溶液濃度不同。四個小組所用藥品信息如表2所示。)

        師:為什么溶液濃度不同,實驗現(xiàn)象會有區(qū)別?

        由此引入第二環(huán)節(jié)的內(nèi)容。

        (二)理論分析與實驗驗證

        師:請根據(jù)實驗結(jié)果,利用平衡移動原理,分析產(chǎn)生沉淀和氣體的原因。

        生1:碳酸氫根在水溶液中會電離生成氫離子與碳酸根,碳酸根與鈣離子結(jié)合生成碳酸鈣,觀察到生成白色沉淀;氫離子與另一個碳酸氫根結(jié)合,生成碳酸,碳酸進一步分解生成二氧化碳和水,觀察到有氣體生成。沉淀和氣體的生成又能促使碳酸氫根的電離平衡正移,反應(yīng)從而持續(xù)進行。

        師:為什么碳酸氫鈉溶液濃度不同時會生成不同的實驗現(xiàn)象呢?

        生2:反應(yīng)物的濃度較小時,電離產(chǎn)生的碳酸根與鈣離子的離子濃度的乘積小于Ksp,所以觀察不到沉淀。氫離子與碳酸氫根結(jié)合生成碳酸,碳酸再分解生成二氧化碳和水,只有當溶液中的二氧化碳達到飽和之后,才會有二氧化碳氣體從溶液中逸出,所以只有反應(yīng)物溶液濃度大的時候才能觀察到有氣體生成。

        師:你能設(shè)計實驗檢驗生成的氣體確實是二氧化碳嗎?

        [學(xué)生活動:設(shè)計出實驗2(如圖3所示),用澄清石灰水檢驗生成的氣體,卻發(fā)現(xiàn)澄清石灰水沒有變渾濁。學(xué)生分析原因并改進實驗。]

        生3:澄清石灰水沒有變渾濁的原因可能是參與反應(yīng)的溶液濃度不夠大,生成的二氧化碳較少未進入澄清石灰水??梢試L試增大反應(yīng)溶液的濃度,產(chǎn)生更多的二氧化碳。

        (學(xué)生活動:改用飽和碳酸氫鈉溶液和飽和氯化鈣溶液進行實驗3,能夠明顯觀察到澄清石灰水變渾濁,從而證明產(chǎn)生的氣體是二氧化碳,且實現(xiàn)現(xiàn)象不同是受反應(yīng)物濃度影響。)

        師:請根據(jù)以上實驗現(xiàn)象,書寫實驗3的離子反應(yīng)方程式。

        (學(xué)生活動:書寫方程式2HCO+Ca?HO+CO↑+CaCO↓)

        師:這一反應(yīng)過程,可以看作是碳酸氫根結(jié)合了另一個碳酸氫根電離產(chǎn)生的氫離子,鈣離子的加入促進了這一平衡的正移。在沒有鈣離子存在時,這一反應(yīng)也能發(fā)生嗎?

        (三)分析碳酸氫鈉作為二氧化碳緩沖劑的原理并實驗驗證

        師:在生物學(xué)的光合作用實驗中(如圖4所示),常用碳酸氫鈉溶液作為二氧化碳的緩沖劑。請分析碳酸氫鈉溶液吸收或釋放二氧化碳的反應(yīng)原理,并設(shè)計實驗驗證。

        生4:推測原理跟碳酸氫鈉和氯化鈣的反應(yīng)類似,即碳酸氫根電離出的氫離子與另一個碳酸氫根結(jié)合,生成碳酸,碳酸再分解得到二氧化碳,即2HCO?HO+CO↑+CO。

        生5:按照以上分析,碳酸氫鈉溶液吸收二氧化碳可通過兩個實驗驗證。一個實驗是將二氧化碳通入碳酸氫鈉溶液中,觀察碳酸氫鈉是否能夠吸收二氧化碳氣體,同時測量溶液的pH值是否降低;另一個實驗是檢驗碳酸氫鈉溶液是否能釋放CO2氣體,同時測定溶液的pH值是否升高。

        師:利用數(shù)字化實驗儀器,可以方便地測量氣體含量和溶液pH值的細微變化。

        (教師向?qū)W生介紹二氧化碳傳感器和pH傳感器,設(shè)計實驗4,如圖5所示,實驗結(jié)果如圖6所示。實驗結(jié)果證明學(xué)生的推測正確。)

        師:(小結(jié))碳酸氫鈉溶液中,存在碳酸氫根電離出的氫離子與另一個碳酸氫根結(jié)合,生成二氧化碳、水和碳酸根的過程。這一過程就是碳酸氫根自偶電離的過程,廣泛存在于碳酸氫鹽溶液中,該反應(yīng)的K約為10-4,反應(yīng)程度并不算小。向碳酸氫鈉溶液中加入氯化鈣溶液,生成碳酸鈣沉淀,降低了碳酸氫根的濃度,使自偶電離平衡正移。其他外界條件的改變也會使平衡移動。

        師:加熱碳酸氫鈉溶液會發(fā)生什么反應(yīng)?為什么?

        生6:會生成二氧化碳和碳酸鈉。加熱促使二氧化碳揮發(fā),使自偶電離平衡正移。

        (四)分析工業(yè)生產(chǎn)原理

        師:請分析工業(yè)流程中(如圖7所示)相應(yīng)步驟的反應(yīng)原理,寫出離子方程式。

        (學(xué)生活動:書寫相關(guān)步驟的離子方程式。)

        學(xué)生基本都能正確寫出沉錳的離子方程式:Mn+2HCO=MnCO↓+CO↑+HO以及碳化反應(yīng)的方程式:Mn+HCO+NH·HO=MnCO↓+NH+HO,學(xué)生都能分析出發(fā)生了碳酸根與錳離子結(jié)合生成碳酸錳沉淀,以及氨水會與碳酸發(fā)生中和反應(yīng),但不太確定碳酸錳之外的另一產(chǎn)物;沉鈷反應(yīng)的方程式為2CO+4HCO=CO(OH)CO↓+3CO↑+HO,學(xué)生都能分析出有碳酸鈷和二氧化碳生成,但是由于對堿式碳酸鹽的形成原理不夠明確,方程式的書寫正確率不高。

        七、教學(xué)效果與反思

        溶液中的離子平衡問題復(fù)雜且抽象,學(xué)生不能很好地利用平衡移動原理分析溶液中離子平衡問題。教師可以根據(jù)這一真實學(xué)情,整合學(xué)科知識,結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)與反應(yīng)原理,解決學(xué)生的問題。

        實際教學(xué)關(guān)注真實問題的解決,選取的兩個情境都是學(xué)生在學(xué)習時真實遇到的,并且還與其他學(xué)科關(guān)聯(lián),能夠很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。

        教師通過設(shè)計巧妙的實驗,將抽象的原理具象化,能夠幫助學(xué)生自主建立自偶電離模型,而不是讓學(xué)生被動地接受教師傳遞的信息。在本節(jié)課之前,學(xué)生不認為碳酸氫鈉能夠與氯化鈣反應(yīng)生成沉淀,導(dǎo)致不能很好地分析碳酸氫鹽沉淀金屬離子的問題;本節(jié)課后,學(xué)生能敏銳地識別可以利用碳酸氫根自偶電離模型解決的問題,說明他們較好地內(nèi)化了相關(guān)內(nèi)容。

        此外,在有外加條件干擾時,學(xué)生書寫方程式容易出現(xiàn)錯誤,說明他們利用平衡移動的知識解決實際問題的能力仍有待加強。教師后續(xù)可以通過引導(dǎo)學(xué)生解決更多的真實問題,從而提升他們解決實際問題的能力。

        參考文獻

        [1]胡久華,羅濱,陳穎.指向“深度學(xué)習”的化學(xué)教學(xué)實踐改進[J].課程·教材·教法,2017(3).

        [2]郝緯.探究化工流程題中碳酸氫鹽作沉淀劑的反應(yīng)原理[J].高中數(shù)理化,2020(2).

        [3]朱壯麗,邳宏偉,姜序敏,等.二氧化碳緩沖溶液緩沖原理的數(shù)字化解析實驗[J].化學(xué)教育(中英文),2020(15).

        [4]貝偉浩,藍仁敏,張金恒.化學(xué)實驗教學(xué)“四要素設(shè)計模式”研究[J].廣西教育,2021(1).

        (責編 劉小瑗)

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