培养学生化学认识思路的探究性教学*——以初中化学“探究柠檬酸的性质和组成”为例

刘 瑶 李德前

（1.徐州市第三十四中学 江苏 徐州 221000；2.徐州市西苑中学 江苏 徐州 221000；3.徐州市李德前化学名师工作室 江苏 徐州 221000）

学习是知识和思维相互融合的过程。《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出，要结合学生已有的生活经验，选择促进学生核心素养发展的化学学习内容，学习内容中既包括核心知识，又包括思维方法、探究实践和情感态度价值观等。［1］因此，教师在教学中应注重发展学生的科学思维，让学生形成从化学视角认识物质的思路，实现化学知识的结构化和素养化。

化学认识思路是指对物质及其变化的特征及规律进行认识的程序、路径或框架。［2］《义务教育化学课程标准（2022年版）》中提出了一些化学认识思路，如在“科学探究与化学实验”学习主题中，通过具体的实验活动初步形成化学实验探究的一般思路和方法；在“物质的性质与应用”学习主题中，形成从物质类别研究物质性质的一般思路和方法；在“物质的组成与结构”学习主题中，学会利用物质的性质和化学反应探究物质组成的基本思路和方法等。化学认识思路解决的是“怎么想”的问题，学生形成了认识思路，就掌握了问题解决的程序，有助于深入理解知识并实现知识的“高通路”迁移。探究性教学是帮助学生建构化学认识思路的有效途径。

一、探究内容的选取

探究性教学是指在教师的指导下，学生围绕某一问题，通过自主学习、合作讨论的方式进行查阅资料、设计方案、实验验证等学习活动来探寻答案、解决实际问题的一种教学形式。选择有探究价值的问题，将与问题有关的知识进行整合，形成符合九年级学生认知水平的探究内容，能让学生在探究性学习中增强思考能力、分析能力，并获得较好的情感体验。探究问题可以源自教材的深入挖掘，也可以取自生活的经验常识。

本文选取柠檬酸为探究对象，以柠檬酸的性质和组成为探究内容，原因有三个方面：一是柠檬酸广泛存在于柠檬、菠萝、樱桃、柑橘等水果中，很多饮料用柠檬酸作酸味剂，学生对柠檬酸不陌生，但不知道柠檬酸是怎样的一种物质，知道盐酸、硫酸、硝酸等液态酸，缺乏像柠檬酸这样的固体酸的认识；二是柠檬酸在生活中有着诸多用途，如作罐头的pH调整剂、除垢剂、除锈剂、改良碱性土壤等，性质决定用途，用途反映性质，让学生根据用途反推柠檬酸的化学性质，发现其与稀盐酸、稀硫酸的化学性质相似，寻找微观本质原因；三是柠檬酸是一种有机化合物，燃烧法分析有机物组成是经过1781～1916年众多化学家的不断探索和改进逐渐发展成熟起来的，［3］通过探究柠檬酸的组成元素可以引导学生像化学家那样去思考问题，培养科学思维。因此，探究柠檬酸的性质和组成可以帮助学生建构化学认识思路。

二、认识思路的建构

在现行沪教版（全国版）九年级化学课本中，从物质类别的视角初步预测物质性质的实验有常见金属的化学性质、稀盐酸和稀硫酸的化学性质、氢氧化钠和氢氧化钙的化学性质等；利用物质性质和化学反应探究物质组成的实验有燃烧葡萄糖和面粉证明其含有碳元素、电解水证明水由氢元素和氧元素组成等。新课学习时，这些实验探究可以帮助学生初步建构化学认识思路，但是堆砌大量知识容易，培养思维方式较难，教师应该创设真实问题情境，让学生通过解决生活实际问题来进一步巩固、强化这些认识思路。探究柠檬酸的性质和组成教学流程及认识思路如图1所示。

图1 “探究柠檬酸的性质和组成”教学流程及认识思路

三、探究实施过程

【课前准备】学生通过总结生活经验、网络查询资料等方式获取有关柠檬酸的信息。

【分享交流】以小组为单位，分享收集到的柠檬酸资料。

【信息提取】提取学生分享的信息中与本节课探究有关的部分，缺少的信息教师进行补充。汇总如下：

①柠檬酸是一种有机酸，在生活中的用途有作饮料的酸味剂、作罐头的pH调节剂、除铁锈、除水垢、改良碱性土壤、作洗衣机泡腾片崩解剂等。

②柠檬酸具有可燃性，完全燃烧会生成二氧化碳和水。

1.探究柠檬酸的性质

【教师】研究物质的性质一般从物理性质入手。观察试剂瓶中的柠檬酸，同学们能知道哪些物理性质？无水柠檬酸在常温下溶解度是145.1 g，其溶解性如何？

【学生1】白色颗粒状固体（实为无色晶体，但由于颗粒较小看上去是白色）、无气味、易溶于水。

【教师】请同学们根据柠檬酸的用途和已学过的稀盐酸、稀硫酸的化学性质进行猜想，柠檬酸的化学性质可能有哪些？

【学生2】柠檬酸的水溶液应该显酸性，估计它能与活泼金属、某些金属氧化物、碳酸盐、碱等物质反应。

【教师】请同学们先独立思考设计探究柠檬酸化学性质的实验方案，然后以小组为单位进行交流，方案中要包含用到的试剂和预期的实验现象、结论。

【学生】独立思考，在实验报告上写下具体的方案；小组交流，分享方案，将不当之处完善。

【教师】同学们的方案中验证柠檬酸水溶液显酸性都选择紫色石蕊试液，为什么不用酚酞试液呢？

【学生3】酚酞试液在中性溶液和酸性溶液中都是无色的。

【教师】在与碱反应的方案中，同学们有的选择氢氧化钠溶液、澄清石灰水，还有的选择难溶性的碱，如氢氧化铜、氢氧化铁等。碱溶液与柠檬酸溶液混合时可能会没有明显的现象，如何判断两者是否反应？

【学生4】先向碱溶液中滴加酚酞试液，溶液变红，再滴加柠檬酸溶液，若溶液的红色褪去，说明碱性物质消失了，即酸与碱发生了化学反应。

【教师】同学们用老师提供的五指实验装置（如图2所示）进行实验，该装置形似人的五指，大试管中盛放液体，带孔小试管由一根细导线系着，其中盛放固体，通过细导线提、放小试管控制固液分离和接触。同学们每完成一个小实验，带孔塑料板上就会多出一支试管，直至实验全部完成，“手”的形状就出现了。

图2 五指实验装置

【学生】观察五指实验装置，了解该装置的优点是控制反应的发生和停止。以小组为单位，从提供的实验药品中选择所需要的进行实验，实验过程中遇到问题及时分析原因、寻找解决办法。在做柠檬酸溶液和金属反应的实验时，用镁和铁都有气泡产生，学生推测该气体是氢气，将燃着的木条放在试管口，镁产生的气体能被点燃，并发出轻微的爆鸣声，但铁产生的气体没有被点燃，学生认为由于反应速率比较慢，气体又扩散得快，试管口没有聚集大量的氢气，所以无法点燃；在做柠檬酸溶液和碳酸盐反应的实验时，各组检验生成的气体用了不同的方法，有的用内壁沾有澄清石灰水的小烧杯罩住试管口，有的用装有澄清石灰水的注射器抽取试管中的气体，有的用玻璃棒蘸取澄清石灰水伸入试管中。

【教师】同学们通过实验发现，柠檬酸有着与稀盐酸、稀硫酸相似的化学性质，你能解释其中的原因吗？

【学生5】因为它们的水溶液中都含有大量的氢离子。

【教师】学习知识是为了解决问题。请同学们结合生活经验和本课所学思考以下问题：

①雪碧中含有柠檬酸，而柠檬酸能和金属反应，为什么还能用铝质易拉罐盛装雪碧？

②用柠檬酸除锈、除垢时应注意什么？

③洗衣机泡腾片的崩解剂为柠檬酸和碳酸氢钠，为何放入水中之后产生大量气泡，遇水之前几乎没有反应？

【学生】先独立思考，再小组交流。

①首先想到铝表面有致密的氧化膜，但又想到金属氧化物也能与柠檬酸反应，于是猜测易拉罐内壁可能有耐酸的涂层。

②除锈、除垢时柠檬酸量不宜过多，否则会腐蚀内部的金属，注意不能滴到大理石台面上。

③柠檬酸和碳酸氢钠溶于水后解离出自由移动的离子，所以会快速反应产生大量气泡。

2.探究柠檬酸的组成

【教师】柠檬酸是酸，也是有机化合物。有机物一般都具有可燃性，历史上许多化学家运用燃烧法分析有机物的组成。柠檬酸完全燃烧生成二氧化碳和水，同学们能推测出柠檬酸中含有哪些元素吗？

【学生1】一定含有碳元素和氢元素，可能含有氧元素，因为生成物中的氧元素可能来自氧气。

【教师】如何验证柠檬酸中含有碳元素和氢元素？

【学生2】点燃柠檬酸，在火焰上方罩一干冷小烧杯，有水雾生成，说明有氢元素；罩一内壁沾有澄清石灰水的小烧杯，石灰水变浑浊，说明有碳元素。

【教师】用内壁沾有澄清石灰水的烧杯检验二氧化碳，现象不太明显，可以将集气瓶罩在火焰上方（如图3所示），待柠檬酸燃烧完毕，迅速将集气瓶正放，再向其中倒入适量澄清石灰水。

图3 用集气瓶收集柠檬酸燃烧产生的气体

【学生】动手操作，通过实验得出柠檬酸中含有氢元素和碳元素。

【教师】如何验证柠檬酸中是否含有氧元素？请同学们组内交流。

【学生3】汇报实验思路：称取一定质量的少量柠檬酸在氧气中燃烧，用浓硫酸吸收生成的水，用氢氧化钠溶液吸收生成的二氧化碳，测出水和二氧化碳的质量，再求出碳元素和氢元素的质量，将二者质量之和与柠檬酸的质量比较，若碳元素和氢元素的质量之和小于柠檬酸的质量，则说明含有氧元素。

【教师】展示学生设计的实验装置图（如图4 所示）。该装置是否有不妥之处？

图4 用燃烧法测定柠檬酸组成的初步方案

【学生4】柠檬酸可能会不完全燃烧产生一氧化碳，一氧化碳不能被氢氧化钠溶液吸收，导致测定的碳元素质量偏小，可以在柠檬酸右边放足量氧化铜。

【学生5】氢氧化钠溶液可能会吸收外界空气中的二氧化碳，应在C装置后面增加一个防止外界二氧化碳进入C装置的保护装置。

【学生6】还要防止水蒸气在进入浓硫酸之前液化。

【教师】展示如图5所示装置，电炉加热可以维持玻璃管内高温，防止水蒸气在玻璃管内液化，导管也要尽可能短。称取一定质量的少量柠檬酸放在A 装置中燃烧，实验结束后，B 装置增重m1g，C 装置增重m2g，请分析数据，通过计算判断柠檬酸中是否含有氧元素。

图5 用燃烧法测定柠檬酸组成的实验装置

【学生7】B装置增加的是生成水的质量，m1g水中氢元素的质量是g；C装置增重的是生成二氧化碳的质量，m2g二氧化碳中碳元素的质量是。若氢元素和碳元素的质量之和小于柠檬酸的质量，则柠檬酸中含有氧元素。

3.拓展延伸

【教师】上图实验装置是在理想状态下进行的，付诸实践会面临很多问题，如在密封装置中燃烧的安全问题、测量结果的误差问题等。但利用有机物的可燃性将其转化为容易测定的二氧化碳和水，是研究有机物组成的重要思路，1781～1916年化学家们运用这种研究思路不断改进和完善测定有机物组成的方法，其中比较著名的就是德国化学家李比希在1831年发明的有机物燃烧分析实验装置（如图6所示）。将玻璃管一段拉细密封，把有机物和氧化铜的混合物放在玻璃管中，置于燃烧架上加热，高温下有机物被氧化铜氧化生成二氧化碳和水，水被熔融氯化钙吸收，二氧化碳被五球仪中的氢氧化钾溶液吸收。［3］

图6 李比希有机物燃烧分析实验装置

【学生】观察图片，了解李比希的实验方法。

【教师】随着科学技术的发展，出现了元素分析仪，其工作原理是让样品高温氧化，检测生成物。这与传统分析方法的思路是一致的，但元素分析仪检测结果更快、更准确，还能测出柠檬酸中碳、氢、氧元素的原子个数比。

【学生】了解当代先进的元素分析技术源于化学历史长河中经典的转化法，体会认识思路的重要性。

【教师】根据刚才的数据，若碳、氢、氧元素的质量比为72∶8∶112，原子个数比为6∶8∶7。已知柠檬酸的相对分子质量为192，你能写出它的分子式吗？

【学生】C6H8O7。

【教师】每个柠檬酸分子在水中能电离产生3个氢离子，请写出柠檬酸和氢氧化钠反应的化学方程式，已知柠檬酸钠化学式为C6H5O7Na3。

【学生】每个氢离子和一个氢氧根离子结合生成一个水分子，即C6H8O7+3NaOH=C6H5O7Na3+3H2O。

【布置作业】紫甘蓝柠檬汁是一款颜值担当、营养美味的果蔬饮品。同学们可以上网查阅详细制作步骤试着做一下，并思考一个问题：紫甘蓝汁本是紫色，为何加入柠檬后汁液变成红色？

四、教学反思

1.于真实情境解决问题，发展认识思路的迁移能力。

学生在进行探究活动时，大脑并不是空白的，新课学习阶段通过实验对研究物质性质和组成的思路有了初步认识，通过习题对研究有机物组成的方法有了一定了解，但从回答问题和设计方案可以看出有的学生思路清晰，有的却找不到方向，无法将头脑中零散的知识整合起来解决问题。

通过对柠檬酸的性质探究，让学生学会从物理性质入手，然后根据柠檬酸的物质类别和用途预测化学性质，建立宏观（实验现象）—微观（本质原因）—符号（化学方程式）三者之间的联系。通过对柠檬酸的组成探究，让学生学会从定性分析入手，验证含有碳元素和氢元素，再利用定量分析验证含有氧元素，培养定性与定量相结合的意识。基于真实情境分析、解决问题，可以帮助学生梳理、强化先前形成的认识思路，发展其认识思路的迁移能力。［4］

2.于细节之处改进实验，培养严谨创新的科学精神。

五指实验装置的带孔塑料板是基于试管架改进的，试管架的底部有凹槽，中部有隔板，会影响观察实验现象，将试管挂在带孔塑料板上，整支试管内的实验情况清晰可见；五支试管呈手的形状，可以帮助学生掌握初中化学中酸的五条化学性质，促进学生对知识的整合；若是固体和液体的反应，将固体放在带孔小试管内，控制反应的发生与停止，可以节约药品。

在燃烧柠檬酸检验有二氧化碳生成时，用内壁沾有澄清石灰水的烧杯现象不太明显，且学生会质疑石灰水变浑浊的原因（因为氢氧化钙的溶解度随温度的升高而减小，使得石灰水受热也会变浑浊）。烧杯容器口太大，不利于捕获更多的气体，用集气瓶或试管捕获生成的气体再倒入澄清石灰水进行检验，现象十分明显。测定柠檬酸中是否含有氧元素的实验方案，学生能叙述出大概思路，但容易忽略影响数据精确性的小问题。有的问题是化学家们在实验时也会重点思考的，比如怎样使有机物完全燃烧、如何使水蒸气不在被吸收之前液化等。教师引导学生逐步完善方案，渗透数据精确在定量分析中的重要性。

实验改进是为了更好地服务教学，在细节处仔细考量更能促进实验目的的达成。相信本节课在细节之处作改进的实验，一定能在潜移默化中培养学生严谨治学、勇于创新的科学精神。