与卡文迪许同行——“金属与酸的反应”的教学设计与反思

曹年华

(江苏省如皋市实验初中 226500)

2021年3月，笔者受邀为某考察团开设“金属与酸的反应”观摩课.如何借助这一节课，凸显以提高学生科学素养为主旨的新课程理念呢？突然，卡文迪许发现铁与酸反应的史实呈现在笔者的脑海中，是否可以用科学家在科学发现过程中所运用的研究方法以及遇到的一系列问题为线索，彰显真实情境下的化学教学，鉴于此，笔者设计了“设置情境→提出问题→自主探究→小组合作→点拨提升”的活动思路(如图1所示)，让学生在“做科学”的过程中，感悟知识的生成，体验科学探究的乐趣，培养学生解决问题的能力和方法.

图1

一、教学过程

[情境引入]今天，让我们穿越到400多年前的英国，化学家卡文迪许在实验室里不小心把铁粉扔到废弃的稀硫酸中，他发现铁粉表面产生了许多气泡，把铁粉放到稀盐酸中，也看到了相同的现象.他非常惊奇，于是开始了一系列的探究，下面就让我们一起踏上卡文迪许的发现之旅，来认识金属与酸的反应吧！

1．探究活动1(金属都能与酸反应吗)

(1)提出问题：面对这样的现象，假如你是卡文迪许，你会展开怎样的联想？

(2)学生汇报：①其他金属是否也能与稀盐酸、稀硫酸发生化学反应呢？②产生的气体是什么？

(3)引导思考：卡文迪许也是这么想的，你们准备怎么做呢？

(4)讨论交流：①可以选择不同种类的金属与稀盐酸、稀硫酸接触；②产生的气体可能是氧气或氢气，可用燃着的木条放在试管口检验.

(5)学生实验：①取铜片、锌片、镁片分别于试管中，分别倒入稀盐酸或稀硫酸；②用燃着的木条放在试管口.汇报现象.

(6)归纳小结：铜片不与稀盐酸、硫酸反应，锌与镁都能与稀盐酸、稀硫酸反应产生氢气.

(7)点拨提升：通常把能与稀盐酸、稀硫酸反应产生氢气的金属称为活泼金属，反之称为不活泼金属，则这三种金属的活动性强弱为：Mg与Zn比Cu强.为了区分，通常在中间用H隔开，把能与酸反应产生氢气的金属排在H前面，不能反应的排在H后面.

设计意图：本活动以卡文迪许的发现展开联想，提出问题，让学生设计并通过实验，得出并非所有的金属都能与稀盐酸、稀硫酸发生反应产生氢气，同时因势利导，让学生感悟到原来金属能否与酸反应与金属活动性有关.

2．探究活动2(金属与酸反应的剧烈程度与什么有关)

(1)引导思考：卡文迪许在实验中发现，金属与稀盐酸、稀硫酸反应时，反应的剧烈程度不同，那么金属与酸反应的剧烈程度与什么有关呢？

(2)做出猜想：①与金属和酸的种类有关；②与酸的浓度有关；③与金属与酸的接触面积有关；④……

(3)点拨提升：设计实验时，要注意控制变量，如金属的表面积、酸的种类、浓度等.

(4)制定计划：现有镁片、锌片、锌粒、铁片、铁粉、5%稀盐酸、10%的稀盐酸、10%稀硫酸.请选择一种猜想进行实验.

(5)实验探究：学生分组实验，交流实验现象和结论.

(6)归纳小结：金属与酸反应的剧烈程度，受金属和酸的种类、酸的浓度、接触面积等因素的影响.

(7)质疑解惑：有些组的同学在实验时发现锌开始反应时比较慢，随着反应的进行越来越快，这是为什么呢？(可能是实验前金属表面没有打磨，锌表面的氧化膜较致密)

设计意图：本活动通过对金属与酸反应剧烈程度的探究，感受探究活动的乐趣，并通过对实验药品的选择，体验对比的实验设计方法——控制变量的思想，增进对科学探究的理解；再通过对实验异常的反思，培养学生实事求是的精神和分析问题、解决问题的能力.

3．探究活动3(金属与酸反应的原理是什么)

(1)设置情景：卡文迪许在进行铁粉与稀硫酸反应后，最终发现溶液变成了浅绿色(实物展示)，铁与稀硫酸反应除了生气氢气，还生成什么呢？(提示：①化学反应前后元素守恒；②查阅资料得知，溶液中+2价的亚铁盐显浅绿色)

(2)点拨提升：从粒子的角度分析铁粉与稀硫酸反应的微观实质(如图2所示)，金属与酸反应后得到的金属化合物以离子的形式分散在水溶液中.

图2

(3)板演分析：板演该反应的化学方程式，并从反应前后元素的置换情况，分析反应规律.

(4)学生实验：将装有锌与稀硫酸反应后的溶液试管，放在冰水中降温，观察现象.

(5)解释结论：写出锌与稀硫酸反应的化学方程式.

(6)交流展示：①你能从反应物和生成物所属物质类别的角度，说说上述反应类型有什么特点呢？②给出4个不同的化学反应，请同学从中找出与上述反应相同的反应类型.

(7)归纳小结：①由一种单质和一种化合物生成另一种单质和另一种化合物的反应属于置换反应；②金属与稀盐酸、稀硫酸的反应属于置换反应.

设计意图：本活动通过微观图、学生实验等，目的是让学生全面认识金属与酸反应的化学原理，针对铁与酸反应生成亚铁盐的问题，通过观察并对比亚铁与铁盐的溶液，形成正确的变化观；置换反应的定义让学生自主生成，化学方程式的书写让学生自主评价，充分发挥了学生的主体性.

卡文迪许通过金属与酸的反应制得了氢气，经研究发现一定量的某种金属与足量的各种酸(稀盐酸、稀硫酸等)作用，所产生的氢气量总是固定的，同时他还发现氢气与空气混合后点燃会发生爆炸，可惜的是卡文迪许依然对燃素说情有独钟，为了维护燃素说的地位，他错误地认为这种气体(氢气)是燃素和水的化合物，最终丢掉了对氢元素的科学发现权.

二、教学反思

1．情境逻辑主线明确，贯穿始终

新课程强调要创设基于真实情境的化学教学，本节课以卡文迪许偶然发现铁粉与稀盐酸、稀硫酸反应的科学史实为情境，将科学家对问题的分析和解决这样一条逻辑主线贯穿于教学的始末，并为此设计了3个探究活动(金属都能与酸反应吗、金属与酸反应的剧烈程度与什么有关、金属与酸反应的原理是什么)，下一个活动是上一个活动的逻辑需要，上一个活动是下一个活动的价值背景，3个活动间呈现出清晰的逻辑关系，学生按照这种严密的课堂活动逻辑主线，使探究活动更有深度、更有实效，同时能让学生获得积极的情感体验，实现了情境与化学知识的有机融合.

2．实验探究凸显，注重过程与方法

科学探究能力中需要学生初步具备对比、控制变量的实验设计能力，基于这样的认识，本节课在进行比较金属活动性强弱的教学设计时，并未囿于教材的实验，而是进行了创新.先是在装有镁、锌和铜这3种不同金属的试管中，加入稀盐酸或稀硫酸，根据是否反应比较活动性的强弱，后是提出问题“剧烈程度(或速率)与什么有关”，让学生通过对实验方案的设计和讨论，培养学生在实验探究中的证据意识和运用对比、控制变量的学科思想，事实上此时学生也已经具备这样的能力，通过这样的实验创新，学生对比、控制变量的实验设计能力也就水到渠成的了.

3．知能自然生成，体现观念建构

本节课将“元素观”、“微粒观”、“实验观”和“分类观”等化学核心观念渗透于问题解决的探究活动中.以“分类观”为例，活动一从能否与酸发生反应的角度对金属进行分类，活动三在建立置换反应的概念时，在得出金属与酸反应的化学方程式基础上，请学生思考归纳这类反应的共同点，此时学生得出的常常是不准确的，如都有金属参与，都生成氢气等，再出示已学过的4个不同的化学反应，请学生比较分析哪一个反应与上述反应属于同一类别，学生在解决问题的活动设计中，逐步学会了从单质和化合物的角度进行归纳，完善和生成了置换反应的概念.