與卡文迪許同行
——“金屬與酸的反應”的教學設計與反思

曹年華

(江蘇省如皋市實驗初中 226500)

2021年3月，筆者受邀為某考察團開設“金屬與酸的反應”觀摩課.如何借助這一節課，凸顯以提高學生科學素養為主旨的新課程理念呢？突然，卡文迪許發現鐵與酸反應的史實呈現在筆者的腦海中，是否可以用科學家在科學發現過程中所運用的研究方法以及遇到的一系列問題為線索，彰顯真實情境下的化學教學，鑒于此，筆者設計了“設置情境→提出問題→自主探究→小組合作→點撥提升”的活動思路(如圖1所示)，讓學生在“做科學”的過程中，感悟知識的生成，體驗科學探究的樂趣，培養學生解決問題的能力和方法.

圖1

一、教學過程

[情境引入]今天，讓我們穿越到400多年前的英國，化學家卡文迪許在實驗室里不小心把鐵粉扔到廢棄的稀硫酸中，他發現鐵粉表面產生了許多氣泡，把鐵粉放到稀鹽酸中，也看到了相同的現象.他非常驚奇，于是開始了一系列的探究，下面就讓我們一起踏上卡文迪許的發現之旅，來認識金屬與酸的反應吧！

1．探究活動1(金屬都能與酸反應嗎)

(1)提出問題：面對這樣的現象，假如你是卡文迪許，你會展開怎樣的聯想？

(2)學生匯報：①其他金屬是否也能與稀鹽酸、稀硫酸發生化學反應呢？②產生的氣體是什么？

(3)引導思考：卡文迪許也是這么想的，你們準備怎么做呢？

(4)討論交流：①可以選擇不同種類的金屬與稀鹽酸、稀硫酸接觸；②產生的氣體可能是氧氣或氫氣，可用燃著的木條放在試管口檢驗.

(5)學生實驗：①取銅片、鋅片、鎂片分別于試管中，分別倒入稀鹽酸或稀硫酸；②用燃著的木條放在試管口.匯報現象.

(6)歸納小結：銅片不與稀鹽酸、硫酸反應，鋅與鎂都能與稀鹽酸、稀硫酸反應產生氫氣.

(7)點撥提升：通常把能與稀鹽酸、稀硫酸反應產生氫氣的金屬稱為活潑金屬，反之稱為不活潑金屬，則這三種金屬的活動性強弱為：Mg與Zn比Cu強.為了區分，通常在中間用H隔開，把能與酸反應產生氫氣的金屬排在H前面，不能反應的排在H后面.

設計意圖：本活動以卡文迪許的發現展開聯想，提出問題，讓學生設計并通過實驗，得出并非所有的金屬都能與稀鹽酸、稀硫酸發生反應產生氫氣，同時因勢利導，讓學生感悟到原來金屬能否與酸反應與金屬活動性有關.

2．探究活動2(金屬與酸反應的劇烈程度與什么有關)

(1)引導思考：卡文迪許在實驗中發現，金屬與稀鹽酸、稀硫酸反應時，反應的劇烈程度不同，那么金屬與酸反應的劇烈程度與什么有關呢？

(2)做出猜想：①與金屬和酸的種類有關；②與酸的濃度有關；③與金屬與酸的接觸面積有關；④……

(3)點撥提升：設計實驗時，要注意控制變量，如金屬的表面積、酸的種類、濃度等.

(4)制定計劃：現有鎂片、鋅片、鋅粒、鐵片、鐵粉、5%稀鹽酸、10%的稀鹽酸、10%稀硫酸.請選擇一種猜想進行實驗.

(5)實驗探究：學生分組實驗，交流實驗現象和結論.

(6)歸納小結：金屬與酸反應的劇烈程度，受金屬和酸的種類、酸的濃度、接觸面積等因素的影響.

(7)質疑解惑：有些組的同學在實驗時發現鋅開始反應時比較慢，隨著反應的進行越來越快，這是為什么呢？(可能是實驗前金屬表面沒有打磨，鋅表面的氧化膜較致密)

設計意圖：本活動通過對金屬與酸反應劇烈程度的探究，感受探究活動的樂趣，并通過對實驗藥品的選擇，體驗對比的實驗設計方法——控制變量的思想，增進對科學探究的理解；再通過對實驗異常的反思，培養學生實事求是的精神和分析問題、解決問題的能力.

3．探究活動3(金屬與酸反應的原理是什么)

(1)設置情景：卡文迪許在進行鐵粉與稀硫酸反應后，最終發現溶液變成了淺綠色(實物展示)，鐵與稀硫酸反應除了生氣氫氣，還生成什么呢？(提示：①化學反應前后元素守恒；②查閱資料得知，溶液中+2價的亞鐵鹽顯淺綠色)

(2)點撥提升：從粒子的角度分析鐵粉與稀硫酸反應的微觀實質(如圖2所示)，金屬與酸反應后得到的金屬化合物以離子的形式分散在水溶液中.

圖2

(3)板演分析：板演該反應的化學方程式，并從反應前后元素的置換情況，分析反應規律.

(4)學生實驗：將裝有鋅與稀硫酸反應后的溶液試管，放在冰水中降溫，觀察現象.

(5)解釋結論：寫出鋅與稀硫酸反應的化學方程式.

(6)交流展示：①你能從反應物和生成物所屬物質類別的角度，說說上述反應類型有什么特點呢？②給出4個不同的化學反應，請同學從中找出與上述反應相同的反應類型.

(7)歸納小結：①由一種單質和一種化合物生成另一種單質和另一種化合物的反應屬于置換反應；②金屬與稀鹽酸、稀硫酸的反應屬于置換反應.

設計意圖：本活動通過微觀圖、學生實驗等，目的是讓學生全面認識金屬與酸反應的化學原理，針對鐵與酸反應生成亞鐵鹽的問題，通過觀察并對比亞鐵與鐵鹽的溶液，形成正確的變化觀；置換反應的定義讓學生自主生成，化學方程式的書寫讓學生自主評價，充分發揮了學生的主體性.

卡文迪許通過金屬與酸的反應制得了氫氣，經研究發現一定量的某種金屬與足量的各種酸(稀鹽酸、稀硫酸等)作用，所產生的氫氣量總是固定的，同時他還發現氫氣與空氣混合后點燃會發生爆炸，可惜的是卡文迪許依然對燃素說情有獨鐘，為了維護燃素說的地位，他錯誤地認為這種氣體(氫氣)是燃素和水的化合物，最終丟掉了對氫元素的科學發現權.

二、教學反思

1．情境邏輯主線明確，貫穿始終

新課程強調要創設基于真實情境的化學教學，本節課以卡文迪許偶然發現鐵粉與稀鹽酸、稀硫酸反應的科學史實為情境，將科學家對問題的分析和解決這樣一條邏輯主線貫穿于教學的始末，并為此設計了3個探究活動(金屬都能與酸反應嗎、金屬與酸反應的劇烈程度與什么有關、金屬與酸反應的原理是什么)，下一個活動是上一個活動的邏輯需要，上一個活動是下一個活動的價值背景，3個活動間呈現出清晰的邏輯關系，學生按照這種嚴密的課堂活動邏輯主線，使探究活動更有深度、更有實效，同時能讓學生獲得積極的情感體驗，實現了情境與化學知識的有機融合.

2．實驗探究凸顯，注重過程與方法

科學探究能力中需要學生初步具備對比、控制變量的實驗設計能力，基于這樣的認識，本節課在進行比較金屬活動性強弱的教學設計時，并未囿于教材的實驗，而是進行了創新.先是在裝有鎂、鋅和銅這3種不同金屬的試管中，加入稀鹽酸或稀硫酸，根據是否反應比較活動性的強弱，后是提出問題“劇烈程度(或速率)與什么有關”，讓學生通過對實驗方案的設計和討論，培養學生在實驗探究中的證據意識和運用對比、控制變量的學科思想，事實上此時學生也已經具備這樣的能力，通過這樣的實驗創新，學生對比、控制變量的實驗設計能力也就水到渠成的了.

3．知能自然生成，體現觀念建構

本節課將“元素觀”、“微粒觀”、“實驗觀”和“分類觀”等化學核心觀念滲透于問題解決的探究活動中.以“分類觀”為例，活動一從能否與酸發生反應的角度對金屬進行分類，活動三在建立置換反應的概念時，在得出金屬與酸反應的化學方程式基礎上，請學生思考歸納這類反應的共同點，此時學生得出的常常是不準確的，如都有金屬參與，都生成氫氣等，再出示已學過的4個不同的化學反應，請學生比較分析哪一個反應與上述反應屬于同一類別，學生在解決問題的活動設計中，逐步學會了從單質和化合物的角度進行歸納，完善和生成了置換反應的概念.