在学科观念的建构中发展学生的核心素养

马长燕 苏捷

［摘 要］文章以“离子反应”的教学为例， 通过联系生活实际创设情境，设置驱动性问题，以知识为载体，借助数字化实验探究复分解反应的本质，从实验现象和图表数据分析入手，采用“宏观—微观—符号”三重表征等方法，运用动画模拟等手段帮助学生自主建构概念，发展学生的微粒观、实验观、变化观、化学价值观等化学学科基本观念，实现情境、知识和素养的高度融合。

［关键词］学科观念；核心素养；离子反应

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）05-0076-04

化学学科观念是人们基于已有知识和认知水平，对化学科学知识和学习过程的不断概括和总结，进而形成的总观性认识，为我们提供了认识物质的化学视角和思路方法。化学学科观念的建构以具体化学知识作为载体，通过学习不断积累和提炼知识，深入思考核心概念，进而形成解决化学问题的基本思路和方法，这些思路和方法具有可迁移性。以化学学科基本观念（元素观、变化观、微粒观、实验观、分类观、化学价值观等）为指导方向，选择能促进学生形成学科观念的具体知识内容进行教学，以帮助学生建构化学学科观念，发展化学学科核心素养。

“离子反应”是人教版高中化学必修第一册第一章第二节的内容。本文结合学科观念建构教学的基本理论，设计探究实验，基于实验现象对离子反应进行分析和推理，引导学生从微观角度解释宏观现象，认识电解质在溶液中的反应本质，建构离子反应概念，逐步形成研究水溶液体系的思维方法，同时形成化学学科观念，发展化学学科核心素养。

一、教学思路

“离子反应”这节课的教学思路如下：首先，通过创设真实的问题情境——硫酸废水的处理，以及设计学习任务，让学生带着明确的问题和任务去探索；通过试剂的选择和小组实验探究，让学生在探索中体验物质的转化；通过分析实验现象及其微观本质，让学生学会从微观视角来思考化学反应的本质，形成认识化学反应的新视角；通过构建和应用离子反应的概念模型，引导学生了解中和反应的实质，深度理解微粒观及离子方程式的意义。然后，设置驱动性问题，让学生自主探究碳酸钠、碳酸钙与盐酸的反应，发现实验现象的不同，分析实际参与反应的微观粒子，从宏观到微观、从现象到本质，通过主动建构内在表征，建立从离子角度认识物质的性质与转化的思路和方法，形成动态的、可迁移的观念性认知；分析酸、碱、盐在水溶液中发生复分解反应的微观实质，从知识的本源性和结构化角度，归纳总结此类离子反应发生的条件。最后，回归生活，通过硬水的净化处理，利用离子反应解决实际问题，落实学生“科学态度与社会责任”核心素养。

基于以上教学思路，结合课标要求和学生认知发展水平，确立了本节课所渗透的化学学科基本观念有微粒观、实验观、变化观、化学价值观。结合教学内容分析和学生特征分析，提出了“离子反应”教学内容与化学学科观念建构的联系，具体如图1所示。

二、教学过程

环节一：情境引出概念

师：硫酸是一种重要的化工原料，用途十分广泛，但工业生产过程中产生的酸性废水会造成环境污染，如腐蚀管道、钢轨，导致水质恶化等。如何处理硫酸工业废水，使其减少对环境的污染呢？

评析：创设情境，提出问题，引入新课；通过创设硫酸工业废水处理的真实情境，帮助学生初步建立化学价值观。

【学习任务1】实验设计：选择试剂，处理硫酸工业废水。

生1：硫酸能电离出H+、SO[2-4]，可用Ba（OH）2中和。

生2：用NaOH中和。

生3：用Ca（OH）2中和。

生4：用KOH中和。

【小组讨论】这四种碱中，哪一种最好？生成物是否容易去除？请大家分组讨论。

小组1：Ca（OH）2与H2SO4反应生成的CaSO4微溶于水，形成沉淀，可以过滤去除，而NaOH、KOH与H2SO4反应生成的Na2SO4、K2SO4可溶于水，不容易去除。从这方面考虑，应选用Ca（OH）2。

小组2：Ba（OH）2与H2SO4反应生成沉淀BaSO4和H2O，应选用Ba（OH）2。

师：Ca（OH）2或Ba（OH）2都可以除去H2SO4。实验室提供了Ba（OH）2溶液，请大家完成Ba（OH）2与H2SO4反应的实验。

【小组实验】往试管中加入稀硫酸，再加入氢氧化钡溶液。

【小组汇报】溶液中有白色沉淀产生，说明Ba2+和SO[2-4]发生反应生成了BaSO4。

【小组讨论】溶液中的其他离子是否也能发生反应？怎样通过实验来证明？

生5：H+与OH-也能反应。可以使用pH试纸监测溶液pH值的变化来验证H+与OH-是否发生了反应。

【小组实验】测定硫酸溶液的pH值，往硫酸中加入氢氧化钡溶液，再測定反应后溶液的pH值。

【小组汇报】滴加氢氧化钡溶液时，硫酸溶液的pH值升高，沉淀完全时，pH值为7，说明Ba2+和SO[2-4]反应的同时，H+与OH-也发生了反应。

【学习任务2】填写表1。

【动画模拟】观看动画模拟H2SO4与BaCl2的反应，思考反应的实质是什么。

生6：H+和Cl-没有发生反应，Ba2+和SO[2-4]结合生成了BaSO4。

师：H2SO4与BaCl2的反应实质上是Ba2+和SO[2-4]之间的反应，这样的反应属于离子反应，可用[Ba2++SO2-4=BaSO4↓]来表示，这样的式子叫作离子方程式。

评析：本环节以小组实验展示宏观的实验现象，从微观角度分析溶液中微粒的变化，再以动画模拟展示H2SO4与BaCl2的反应，让学生直观地认识到BaCl2溶液中存在自由移动的Ba2+和Cl-，H2SO4溶液中存在自由移动的H+和SO[2-4]，二者混合后生成BaSO4固体，脱离溶液体系，初步建立宏观反应与微观粒子变化之间的关系。在分析离子反应本质的过程中，引导学生初步形成实验观、变化观、微粒观，构建离子反应模型，培养“模型认知”核心素养。

环节二：符号表征概念

【学习任务3】书写H2SO4与Ba（OH）2反应的离子方程式。

生1：[Ba2++SO2-4=BaSO4↓]，[H++OH-=H2O]。

生2：[Ba2++SO2-4+H++OH-=BaSO4↓+H2O]。

生3：[Ba2++SO2-4+2H++2OH-=BaSO4↓+2H2O ]。

师：以上离子方程式哪个更能准确地表达真实的反应过程呢？Ba2+、SO[2-4]与H+、OH-，反应的物质的量的关系可以由溶液导电性实验和pH值的变化外显。

评析：学生在书写Ba（OH）2与H2SO4反应的离子方程式时，对于氢离子和氢氧根离子的化学计量数有疑问。此时提出挑战性问题，可引发学生深入探究，实现深度学习。通过引发认知冲突，让学生经历发现问题、提出假设、设计实验、实验验证，再根据物质的组成和反应规律来解释说明，自主构建科学探究的一般过程。

【实验探究】使用电导率仪监测溶液电导率的变化，同时使用pH传感器监测溶液pH值的变化。

【图片展示】往硫酸溶液中加入氢氧化钡溶液，溶液的电导率和pH值的监测结果如图2所示。

【结果分析】当导电率达到最低值时，溶液呈中性，说明Ba2+与SO[2-4]完全反应的同时，溶液中的H+与OH-也恰好完全反应。

师：根据物质的组成以及电解质在溶液中的存在形式，哪个离子方程式更合理呢？

生3：根据物质的组成可知，[H2SO4=2H++SO2-4]，[Ba（OH）2=Ba2++2OH-]，所以离子方程式应为：[Ba2++SO2-4+2H++2OH-=BaSO4↓+2H2O]。

评析：本环节使用电导率仪和pH传感器同时监测溶液电导率和pH值的变化，收集、展示实验数据，引导学生发现Ba2+与SO[2-4] 、H+与OH- 同时抵达反应的终点，再根据物质的组成进行推理，确定定量关系，准确地写出能体现反应内涵的离子方程式。通过实验的宏观现象分析物质的微观变化，建立从宏观到微观认识化学反应的思路，凸显学科思维方式，并用化学符号进行表征，帮助学生形成变化观、微粒观、实验观，发展“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”核心素养。

【小组讨论】在使用效果相同的前提下，大家可以从成本来考虑。据化学试剂网站查到的价格，Ba（OH）2是120 元/千克，Ca（OH）2是40 元/千克。用哪种试剂处理硫酸工业废水会更合适呢？

小组1：从成本上考虑，Ca（OH）2会更合适。

小组2：Ca（OH）2本身是微溶的，就算加多了也可以通过过滤去除。

师：工业上选用氧化钙来处理硫酸工业废水。

评析：通过提出问题，引导学生从两个方面展开讨论。一方面是除杂实验的可操作性，通过评价不同的方案，优选出最佳除杂试剂；另一方面是关于经济成本的比较，使教学贴近社会、贴近生活，培养学生的“科学态度与社会责任”核心素养。

环节三：探讨深化概念

【提问】NaHSO4溶液和NaOH溶液混合后能发生离子反应吗？

生1：NaHSO4电离出的H+可以与NaOH电离出的OH-结合，生成H2O。

师：NaHSO4属于酸式盐，酸式盐可以和碱发生反应。

评析：通过盐和碱的反应，引发学生的认知冲突，回归离子反应的实质，促进知识结构化。

【学習任务4】完成表2，并进行讨论。

生2：这四个化学方程式都可以用[H++OH-=H2O]来表示。

师：离子方程式不仅可以表示某个具体的化学反应，还可以表示同一类型的化学反应。复分解型离子反应发生的条件是什么？

生3：有沉淀、气体或水生成。

【提问】CH3COONa溶液与HCl溶液混合，能否发生反应？

生4：混合后，CH3COO-与H+结合生成难电离的CH3COOH。

师：离子反应的共同点是向着离子种类或数目减少的方向进行。因此，复分解型离子反应发生的条件为有沉淀、气体或难电离的物质生成。

评析：引导学生从离子反应的角度认识化学反应，基于微粒观分析离子重组条件，进而解释同类物质的不同性质变化的规律，帮助学生形成变化观，并让学生根据一系列化学方程式，归纳总结出复分解反应发生的条件，促进知识的结构化。

【学习任务5】碳酸钠和盐酸反应、碳酸钙和盐酸反应，这两个反应的离子方程式是否一样呢？

【实验探究】分别往碳酸钠溶液和碳酸钙固体中加稀盐酸，观察现象。（如图3）

师：可以观察到的实验现象是什么？说明了什么问题？

生5：加入稀盐酸后，碳酸钠溶液中的各个部位均产生气泡，碳酸钙只有固体表面产生气泡，说明碳酸钠发生了电离，碳酸根离子游离在溶液中，而碳酸钙固体难溶于水，以分子的形式与氢离子反应。

【学习任务6】请书写这两个反应的离子方程式。

师：书写离子方程式的一般思路与方法是什么？

生7：找出溶液中实际参加反应的微粒，判断产物，直接书写。

【课堂小结】先判断水溶液中反应物的存在形式，找出实际参加反应的微粒，再进一步分析比例关系，书写离子方程式，最后检查原子守恒和电荷守恒。

评析：创设驱动性问题，引导学生自主探究，使学生意识到实验现象不同是因为发生离子反应的微粒不同，所以离子方程式的书写要考虑物质的溶解性，要与电解质在溶液中的存在形式关联起来，使学生学会从反应的本质出发考虑离子方程式的书写，培养学生的微粒观和变化观。

环节四：应用升华知识

【拓展应用】离子反应在生产生活中的应用。

师：如果饮用水的硬度过高，长期饮用会影响人体健康，同时水中含量过高的Ca2+、Mg2+ 会造成锅炉结垢，也会降低洗涤衣物时肥皂的使用效果。如何在不引入新杂质的情况下除去这些离子，使水得到净化？请尝试运用所学离子反应处理饮用水中的Ca2+、SO[2-4]、Mg2+，并设计实验方案。

【学生活动】用流程图的形式设计实验方案和表示实验过程。（如图4）

评析：创设硬水净化的情境，引导学生应用离子反应模型和分离提纯相关知识，分析杂质离子，选择除杂试剂和确定除杂试剂的添加顺序、试剂的用量，考虑过滤的时机，确保实验合理有效，进而解决生活中的实际问题，促进学生思维的发展，同时引导学生关注社会，凸显化学认识世界、改造世界的价值，体会化学对人类美好生活所做出的贡献。

三、教学反思

本节课从处理硫酸工业废水的真实情境出发，巧妙设计问题，有效激发学生的学习兴趣；通过实验探究，基于宏观现象分析物质变化，从微观角度分析反应实质，并结合物质组成和反应规律进行推理，明确溶液中电解质的存在形式、参加反应的微粒以及比例关系，帮助学生深入理解离子反应的本质，掌握正确书写离子方程式的方法，有效构建微粒观、变化观、实验观；通过利用离子反应解决生活中的问题，凸显化学学科的社会价值，落实学生化学价值观和化学学科核心素养的培养，提高学生学习化学的积极性，收到了较满意的教学效果。

综上，通过实验探究、收集证据、分析推理、符号表征，学生深刻理解了相关知识，并在分析、解决问题的过程中升华知识，逐渐形成化学学科基本观念。教师在教学中从知识的本源性和结构化角度出发，引领学生深入思考，从本质上认识和理解相关知识，并应用所学知识解决实际问题。

［   参   考   文   献   ］

［1］  白薇.基于化学核心观念自主建构的元素化合物的教学实践研究［D］.延吉：延边大学，2021.

（责任编辑 罗 艳）