基于真实学情的“离子反应”有意义建构学习策略

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  摘  要:本节课主要是针对学生的认知薄弱点——电解质在溶液中的主要存在形式及混合后离子的行为过程、用离子符号的表征离子反应过程和守恒观展开教学,通过宏观辨识和微观探析,利用证据引导学生进行推理和符号表征,让学生很好的理解电解质尤其是水在水溶液中的存在形式、离子反应的实质、复分解型离子反应条件以及离子方程式的含义,最后通过实例训练学生分析问题的能力,佐证对离子反应条件认识的重要意义。
  关键词:电解质;离子反应;离子方程式;符号表征
  一、教学主题内容及教学现状分析
  1.教学主题内容
  (2017年版)普通高中化学课程标准(中华人民共和国教育部制定):认识酸、碱、盐等电解质在水溶液中或熔融状态下能发生电离。通过实验事实认识离子反应及其反应的条件,了解常见离子的检验方法。
  通过实验事实认识复分解型的离子反应,通过动画演示,从微观角度进一步认识电解质在水溶液中的相互作用,从离子角度分析电解质之间的反应关系,探析离子反应的本质及复分解型离子反应条件,并通过离子方程式的书写来增强“守恒观”,通过锅炉污垢的处理这个例子训练学生有效获取新知识和运用已有知识来解决问题的能力,并体会离子反应在生活中的重要意义与应用。
  2.教学现状分析
  认知基础:在第一课时,我们已经把电解质电离生成离子的反应作为陈述性知识进行过表征性学习。我们的学生已经学习了哪些物质属于电解质,如CuSO4与BaCl2都是电解质,还知道了所有电解质在溶液中都会发生电离。并认识到强酸、强碱、可溶性盐在水溶液中完全以离子的形式存在,而难溶电解质、气体、难电离电解质(水)则不是,大部分学生能书写常见强电解质的电离方程式。在前面的学习中,也知道化学反应都是可以用化学方程式来描述的,其中部分学生会写常见复分解反应的化学方程式。
  认知障碍:对强酸、强碱、可溶性盐的记忆不够深刻,有部分学生还不能辨认常见电解质的溶解性,需要反复提醒,部分学生在化学符号表征方面的能力还是比较薄弱,如部分学生离子与原子符号不分,所以除了实验演示宏观现象外,还是需要通过直观的动画演示来引导学生进一步从离子角度分析微粒间的反应,并结合符号表征来帮助学生理解复分解型的离子反应条件及本质,尤其是弱电解质如水的生成。
  二、教学思想与创新点
  有意义学习分为三种类型:表征学习、概念学习和命题学习。此外,还有发现学习,涉及知识运用、问题解决和创造三个层次。本节课依据表征——概念——命题这个学习过程组织教学。
  离子反应这部分内容覆盖面广,想通过两个课时就把知识点完全掌握牢固,似乎有点违背了认知规律,对我们E生源组的学生来说,在两个课时内我们需要做的最重要的任务是在学生现在的知识水平上培养正确的学科学习思维模式,为以后的进一步学习打下良好的基础。这节课的重点就是在形成概念的基础上进行初步的命题学习,即认识离子反应的本质与复分解型离子反应的条件,并能与以符号对常见的复分解型离子反应过程进行表征。根据学生的实际,不宜出现太多的学习素材,尤其是陌生深层次知识的素材,因为对我们的学生来说,这些就如空中楼阁,我们的教学也就失去了意义。
  在这节课中,我先对表征性学习的内容进行摸查与回顾,然后将离子反应的概念当作程序性知识来学习,运用产生式(C-A规则)思维:如BaSO4是一种白色沉淀,由实验探究得知,Na2SO4溶液与BaCl2溶液反应只能有一种情况发生:Ba2++SO42-=BaSO4↓,这就是离子之间发生的一种反应。怎么才能让学生真正感受这个概念呢?通过实验探究,让学生进行宏观辨识,即先感知白色沉淀BaSO4的产生,然后通过动画演示与推理,引导学生从微观角度分析,得知该反应的原因是:Ba2+与SO42-数目大大减小,同时直接以符号来表征离子反应的过程:Ba2++SO42-=BaSO4↓。
  接着进行推理延伸,即进入到离子反应的命题学习阶段,这一阶段应该把离子反应当作策略性知识进行发现学习。命题学习既要以概念学习为前提,也要以符号学习为基础,目的是反映事物之间的关系,是一种更加复杂的学习。根据实验现象,我们得知Na2SO4溶液与BaCl2溶液反应混合后发生了如下反应:Na2SO4+BaCl2=BaSO4↓+2NaCl,但根据微观动画模拟分析,只发生了一个离子反应:Ba2++SO42-=BaSO4↓。接下来,我让学生根据这个推理方式,根据实验事实和反应的微观过程动画,推导其它复分解型离子反应的条件,让学生根据已有概念进一步落实离子反应这个新命题的学习,例如对反应Na2CO3+2HCl=CO2↑+2NaCl+H2O,让学生尝试写出这个反应的离子方程式:CO32-+2H+=CO2↑+H2O,这样的过程设计便具有了典型的策略性知识的命题学习所具备的探究发现的意义。最后以更多的类似实例对学生进行策略性学习的系统训练。
  整节课下来,复分解型离子反应的本质、条件、离子方程式的书写一气呵成,很好的避开了人教版介绍的“写、拆、删、查”这种繁琐和唯象(只有形式而缺乏本质)的书写离子方程式的方法。在练习的选择上也是根据学生的学习情况,逐步递进,并能根据学生的作答情况进行灵活处理。这节课渗透了各种化学基本观念的培养,如微粒观、反应观、守恒观、实验观、概念观,亦培育了学生的核心素养,如宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知与实验探究,当然科学精神与社会责任也没有缺位。
  三、教学目标
  1.通过几个常见的复分解型离子反应的实验宏观现象,引导学生从微观角度分析离子间的反应,理解离子反應的本质及复分解型离子反应的条件,培养学生宏观辨识和微观探析的学科素养。
  2.通过演示与证据推理,引导学生归纳离子方程式的书写步骤,初步建立起“宏观——微观——符号”三重表征的认知模型,培养学生的“守恒观”。   3.通过锅炉污垢的处理例子,进一步帮助学生明确复分解型离子反应的条件,增强学生分析问题的能力,并使学生充分认识到离子反应在生活中的重要意义与应用。
  四、教学流程
  教学环节一:表征性学习反馈
  教学活动:学生回忆与书写:1.三大强酸和四大强碱分别是哪些物质?盐的溶解性口诀?2.NaCl、KOH、BaSO4在水溶中的主要存在形式是什么?哪些类别的化合物在水中主要以离子的形式存在? 3.指出CuSO4、BaCl2、Na2CO3、HCl、NaOH、CuCl2、H2O、BaSO4、CaCO3这几种电解质在水溶液中的主要存在微粒。
  设计意图:回顧上节课的电离概念,分析单一电解质溶液中的微粒形式,为离子反应的展开学习做充分的准备。
  教学环节二:概念性学习
  教学活动:教师演示实验:①将CuSO4溶液与BaCl2溶液混合;②将Na2CO3溶液与稀HCl混合;③将稀HCl与加了酚酞的NaOH溶液溶液混合;④将NaCl溶液和CuCl2溶液混合
  设问:描各组电解质溶液混合后的现象,得出结论:反应的条件是什么。
  播放实验①反应的微观动画过程:引导学生观察溶液混合前后离子的行为,分析哪些微粒参与了反应?反应后离子数目如何变化?反应的结果是什么?导致反应发生的条件是什么?引导学生用方程式描述离子的行为变化过程。
  设计意图:根据实验现象认识电解质溶液发生复分解反应的条件,再通过微观分析混合液离子的行为变化,引导学生用离子符号表征其反应过程,使学生初步形成离子反应的概念。
  教学环节三:命题性学习
  教学活动:学生根据实验②③④反应的微观动画过程,明确各反应的结果以及各反应的条件,并尝试用方程式描述离子的行为变化过程。由教师引导学生分析离子方程式的含义。
  设计意图:让学生根据上一环节的推理方式,推导其它复分解型离子反应的条件,并书写离子方程式,进一步落实离子反应这个新命题的学习,并形成概念符号表征。目的是让学生明确离子反应的本质和复分解型离子反应的条件,并为离子方程式含义的认识与书写做铺垫,便于学生的理解与接受。
  教学环节四:策略性学习系统训练
  教学活动:1.书写离子方程式:H2SO4与KOH溶液反应。
  2.问题:将为了节约能源和消除隐患,需要定期除锅炉水垢 (CaSO4)。
  处理方法是: (1)先加入Na2CO3溶液,使之转化为CaCO3。 (2) 再加入盐酸。
  (1)请写出碳酸钙与盐酸反应的离子方程式。
  (2)为什么不直接往锅炉硫酸钙中加入盐酸,而是将它先变为碳酸钙再加入,原因是什么?
  3.灵活处理:根据学生学习情况添加针对性的练习
  设计意图:通过进一步的书写让学生明确离子方程式和化学方程式一样,遵守质量守恒和原子守恒。明确溶液中以离子形式存在的物质具有易溶易电离的特点,除了强酸、强碱、可溶性盐,其它物质均用化学式表示。通过实例进一步明确离子方程式的书写要遵守“守恒观”。通过锅炉水垢 (CaSO4)处理方法的实例,增强学生分析问题以及解释能力,体会离子反应的条件在生活生产中的重要意义。
  五、教学实录(文章重点)
  教学环节一:表征性学习反馈
  回忆单一电解质在溶液中的主要微粒形式,为离子反应的学习做知识准备。
  【问题】三大强酸和四大强碱分别是哪些物质?请大家背诵盐的溶解性口诀。
  【学生】背诵常见的强酸和强碱、以及盐的溶解性口诀。
  【问题】NaCl、KOH、BaSO4在水溶中的主要存在形式是什么?哪些类别的化合物在水中主要以离子的形式存在?
  【学生】在水溶液中,NaCl主要存在Na+、Cl- ,KOH 主要存在K+、OH- ,BaS04主要存在BaS04。 强酸、强碱、可溶性盐在水溶液中主要以离子形式存在,而其它的所有物质均不是。
  【问题】指出CuSO4、BaCl2、Na2CO3、HCl、NaOH、CuCl2、H2O、BaSO4、CaCO3这几种电解质在水溶液中的主要存在微粒。
  【学生】填空。
  教师点评:熟悉单一电解质在溶液中的主要微粒形式。能分析常见电解质在溶液中主要存在的微粒。为离子反应的展开学习做充分的准备。
  教学环节二:概念性学习
  从微观角度探究电解质溶液反应的本质及反应条件—生成沉淀,初步形成概念符号表征
  【演示实验】下面四组物质①CuSO4溶液与BaCl2溶液;②Na2CO3溶液与稀HCl;③稀HCl与加了酚酞的NaOH溶液 ④NaCl溶液和CuCl2溶液混合后,会有什么现象?反应的条件是什么?
  【学生】①现象是产生白色沉淀;结论是有反应;②现象是产生气泡;结论是结论是有反应;③现象是溶液的红色褪去;结论是有反应;④无明显现象;无反应
  【问题】实验①为什么有反应?
  【学生】是因为产生了沉淀。
  【教师】我们来看一下它们在微观反应过程—播放实验①微观反应过程的动画演示。
  【学生】观看动画①。
  【教师】引导学生得出:反应的结果就是SO42-与Ba2+生成BaSO4 ,而参与反应的离子SO42-与Ba2+数目大大减小。
  【教师】可以用实际参加反应的离子符号描述反应的微观过程,并边讲边在黑板书写离子方程式:Ba2++SO42-=BaSO4↓。
  教师点评:根据实验现象分析电解质溶液发生复分解反应的条件:生成气体、沉淀和水。并通过动画演示认识到CuSO4溶液与BaCl2溶液反应的结果就是SO42-与Ba2+生成沉淀BaSO4 ,而参与反应的离子SO42-与Ba2+数目大大减小。并引导学生用离子符号表征其反应过程,使学生初步形成离子反应的概念。   教学环节三:命题性学习
  通过微观探析和证据推理,推导其它复分解型的条件,建构复分解型离子反应认知模型
  【学生】继续观看②③④的反应微观过程动画,然后分别写出它们反应的结果及反应后离子的数目变化情况。
  【学生1】上黑板用方程式描述实际离子参加反应的过程。
  【教师】我们把这些方程式叫做离子方程式,即用实际参与反应的离子符号表示反应的式子。
  教师点评:让学生根据实验事实和反应的微观过程动画②③④,采用类似的推理方式,推导其它复分解型离子反应的条件,进一步落实离子反应这个新命题的学习。引导学生用离子符号表征其反应过程的教学策略,为学生对离子方程式的认识与书写做了非常好的铺垫。产物水并没有像沉淀、气体那样离开溶液,但为什么还是导致了反應的发生?在前一课时的基础上,继续播放稀HCl与NaOH溶液反应的微观过程动画,所以绝大部分的学生对H+ 与OH—混合后的行为认识还是比较深刻的,也为以后弱电解质的学习打下基础。
  教学环节四:策略性学习系统训练
  应用刚建立的认知模型分析实际问题
  【学生2】书写H2SO4与KOH溶液反应的离子方程式
  【问题】为了节约能源和消除隐患,需要定期除锅炉水垢 (CaSO4)。
  处理方法是: (1)先加入Na2CO3溶液,使之转化为CaCO3。(2)再加入盐酸。请写出碳酸钙与盐酸反应的离子方程式。
  【学生3】
  【教师】请问该同学的离子方程式完全正确了吗?
  【学生】正确。
  【追问】碳酸钙属于盐还是可溶性盐?在溶液中以什么形式存在?是离子吗?
  【学生】不是离子,要写化学式。
  【教师】虽然实际参加反应的还是 H+ 和CO32-,但是由于碳酸钙在溶液中要写成化学式,所以书写离子方程式时,不能拆写成离子形式。由于反应物中含有钙元素,所以生成物还要写什么?
  【教师】为什么不直接往锅炉硫酸钙中加入盐酸,而是将它先变为碳酸钙再加入,原因是什么?
  【学生】不反应。
  【教师】对了。离子反应的条件是沉淀、气体和水,而硫酸钙和盐酸混合,没有这些物质生成。
  【问题】继续书写H2SO4与Cu(OH)2反应离子方程式
  【学生4】
  【教师】1.电解质溶液之间的反应的实质什么?结果是什么?
  2.离子反应的条件(即判断电解质溶液之间能否反应的一般方法)是什么?
  【学生】实质是离子之间的反应,结果是离子的数目大大减小。离子反应的条件是生成沉淀、气体、水。
  教师点评:进一步讲述离子方程式的书写方法。发现:几乎所有的学生都知道是H+ 与OH-反应生成了水,由于有了前面的模仿,所以这个简单的离子方程式的书写也没有什么很大的问题,溶液中其它不参与反应的离子没有出现在这个离子方程式当中。不过有小部分学生在书写时,没有注意到方程式的“守恒”问题。
  绝大部分的学生都写成了2H+ + CO32-= CO2 ↑+ H2O ,通过刚才的练习知道:我们的学生是知道碳酸钙在溶液中主要不是以离子形式存在的,但是在这里书写离子方程式时又拆写成了离子,有小部分学生的方程式还是没有配平,说明学生获取新知识和运用已有知识来解决问题的能力还是比较薄弱,需要继续加强训练与培养。在刚才的实验与动画描述中,我把重点放在了生成物,而所举的例子中,反应物也全都是用离子形式表示的,所以容易导致学生存在一定的认识误区:认为只有生成物才需要写成化学式,又忽略了难溶电解质在水溶液中主要不是以离子形式呈现的。
  通过锅炉水垢 (CaSO4)处理方法的实例,增强学生分析问题以及解释能力,深刻体会离子反应的条件在生活生产中的重要意义。然后根据学生的情况,继续补充相应的练习,不过还是有部分学生还是没有写正确,氢氧化铜还是写成了离子的形式,原因有二,第一,这部分同学没有记住:氢氧化铜难溶于水;第二:思维还是没有转变过来。
  六、教学效果与反思
  本节课的教学思路是从学生的符号表征学习的情况出发,展开进一步的概念学习与命题学习,最后以实例的反复学习训练,促进学生形成离子反应的策略性知识体系。
  学科核心素养是需要在课堂活动中逐渐培养的。本节课在依据表征——概念——命题——策略性系统训练来组织教学的过程中,渗透了各种化学基本观念的培养,如微粒观、反应观、守恒观、实验观、概念观,亦培育了学生的核心素养,如宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知与实验探究。我们前一节课已经对单一电解质溶液在水溶液的离子行为进行了微观探析,并用符号进行了表征。我们大部分学生对常见电解质在水溶液的主要存在形式的认识还是比较深刻的。可惜我们学生的基础知识储备量较少,空间想象能力以及对知识的关联与运用能力都比较薄弱,有极个别学生连离子符号的书写还是没有把握好。根据我们学生的认知水平,我们决定通过动画演示,让学生反复观看电解质在水溶液中的微观行为过程,顺利帮助学生建构电解质溶液混合前后的离子行为过程认知模型,让学生充分理解离子反应的本质及离子方程式的含义的目的,最后发现,我们大部分后学生也能用实际参与反应的离子来表示简单的复分解型离子反应的过程。虽然,在对反应物比如难溶电解质的表示形式方面还是容易出现写成离子的现象。不过,终于摆脱了往年我们无可奈何又重新采用人教版介绍的“写、拆、删、查”这种繁琐和唯象(只有形式而缺乏本质)的方法来书写离子方程式的局面,在学生书写的离子方程式中,扎推出现与离子反应无关的离子的现象没有了。不过,在离子方程式的书写方面还需要在下一课时继续巩固与提高。毕竟,想在两节课内就把离子反应这个庞大的知识体系学好,对我们学生来说真的是太难了。
  考虑到学生的学习能力,且万事开头难,所以在这节课中,每次的练习,我都只是让学生书写一个方程式,然后根据学生的学习情况,及时添加针对性的训练,如发现学生在书写碳酸钙和盐酸反应的离子方程式时,碳酸钙没有拆写成离子形式,赶紧补充书写H2SO4与Cu(OH)2反应离子方程式来达到巩固与反馈的目的。通过本节课教学发现,我们的小部分学生对难溶反应物为什么不写成离子形式的这个观点还是比较难接受的,因为在后来的练习中,这部分学生还是容易写错,所以我觉得在这里可以补充一个实验:就是碳酸钙与盐酸的反应。本节课中的离子方程式的书写涉及面还是比较窄的,反应物为单质、金属氧化物以及所有离子均参与反应的离子方程式的书写等等都还没有展开学习,需要在下一节课进行继续系统训练。
  【参考文献】
  [1] 中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准(2017年版)[S].北京:人民教育出版社,2017:15
  [2]莫雷.教育心理学[M].1版.北京:教育科学出版社,2007:54
  (作者单位: 广州市增城区高级中学,广东   广州   510000)
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