從化學思維的視角教學化學反應

摘? ? 要：化學思維是化學學科素養的核心成分和基本保證，從化學的定義來看，物質的組成、結構、性質與化學反應緊密相連。因此，教師可從培養學生化學思維的視角出發，在教學中有機滲透化學核心素養。教師可借證據推理思維來證實反應發生，借模型認知思維來書寫反應用語，借宏微結合思維來揭示反應實質，借歸納整理思維來認識反應類型與用途，從而實現思維素養在初中化學課堂中的落地。

關鍵詞：化學思維;證據推理;模型認知;宏微結合;歸納整理

化學思維是人類在化學知識的形成和掌握過程中，逐步形成的以表示物質組成、結構、性質、變化和相互聯系的概念、定律、原理等來間接、概括地反映化學事物，且獨具特色的一類思維活動。在學生主體性的化學學習活動中需要也存在著化學思維。化學思維是化學學科素養的核心成分和基本保證[1]。它有助于學生領悟和形成正確的觀念，培養化學探究興趣，敢于質疑、創新、不怕困難的勇氣，實事求是的態度和社會責任心等。

從化學的定義來看，物質的組成、結構、性質與化學反應緊密相連。因此，化學反應既是化學研究的主要對象，又是化學研究的核心問題。初中生先從定性角度學習了化學反應的定義、特征、現象、類型，再從定量角度學習了化學反應中各物質間的質量關系，即從化學反應的表象走向本質內涵學習的過程，最終構建出初中范圍內的化學反應認識體系。本文所講的中和反應是復分解反應的一種具體類型，也是人教版義務教育教科書《化學》九年級下冊第十單元課題2的學習主題，在酸堿單元中地位相當重要。那么，如何將初中化學核心素養有機地滲透進中和反應的教學中呢？筆者從培養學生化學思維的視角作出了教學嘗試，取得了良好的教學效果。

一、借證據推理思維來證實反應發生

化學教學中，證據推理就是基于化學原理、概念及相關化學事實等證據，通過比較分析、歸納演繹思維等形式，對猜想和假設進行證實和證偽，從而自主解決問題、獲取新知的高階思維過程。

（一）創設情境，萌發證據意識

證據意識是指學生在學習過程中潛移默化地重視證據并自覺地運用證據的心理覺悟[2]。意識始于自覺，而證據是科學結論得出的必要條件。恰當的情境是學生產生意識的前奏，也是學生開展探究并在實踐中獲取知識的源泉。針對筆者提出的探究問題“酸和堿是否發生化學反應”，學生不假思索地回答“會發生化學反應”。可見，在問題情境中，學生會潛意識地產生一種假設猜想。這樣就為尋找證據指明了方向，學生很自然地過渡到想在稀鹽酸與氫氧化鈉溶液反應的真實情境中尋找答案。教學過程詳見表1。

（二）參與設計，為搜集證據作準備

酸和堿反應的證據雖然可從生活經驗中獲得，但考慮到學生生活經驗匱乏，即使他們在生活中接觸過，也不會刻意留心感悟，即生活經驗證據對當下部分學生來說沒有足夠的可信度，因此，筆者以實驗為證據是對此反應假設的最佳應答。稀鹽酸與氫氧化鈉溶液混合時沒有明顯現象，這給學生的推理帶來了困難。而反應現象作為一種直接證據，對實驗結論的得出起著至關重要的推理作用。此時，教師要適當點撥引導，才能破除“沒有現象”這一思維困境。

[教師啟發]隨著化學反應的進行，整個體系中各物質的量如何變化？

[學生表達]反應物的質量越來越少，而生成物的質量越來越多。

[提出問題]這對無明顯現象的化學反應發生的證明有怎樣的啟迪呢？

[討論交流1]可以來證明稀鹽酸或氫氧化鈉的消失，但我們不知道生成物是什么。

[討論交流2]可借助酸堿指示劑，紫色石蕊溶液或酚酞溶液。

這一段教學活動目的明確，通過證明某種反應物的消失來表明反應的真實發生，最終將證據鎖定在酸堿指示劑的變色上。學生積極展開小組合作，最終設計出以下4個實驗。

實驗1：在小試管中裝入適量稀鹽酸和紫色石蕊試液，用膠頭滴管緩緩滴入氫氧化鈉溶液。

實驗2：在小試管中裝入適量稀鹽酸和酚酞試液，用膠頭滴管緩緩滴入氫氧化鈉溶液。

實驗3：在小試管中裝入適量氫氧化鈉溶液和紫色石蕊試液，用膠頭滴管緩緩滴入稀鹽酸。

實驗4：在小試管中裝入適量氫氧化鈉溶液和酚酞試液，用膠頭滴管緩緩滴入稀鹽酸。

上述以現象為證據的準備過程充分體現了下列邏輯思維：實驗原理→實驗設計→實驗操作→實驗現象。任何實驗方案的設計都依存于實驗原理的確立，即實驗原理決定著實驗設計，也是實驗設計的理論基礎。證實無明顯現象的化學反應的發生一般有兩種原理：一是證明某反應物或其構成粒子的消失或減少;二是證明某生成物或其構成粒子的產生。考慮到此時的學情，當學生提出“不知道生成物是什么”時，筆者沒有在此拓展，而是選擇了原理一進行實驗設計。實驗設計是實驗操作的“圖紙”，設計以畫圖的形式呈現（圖略），具有直觀性。雖然在實驗操作后才能產生實驗現象，但在邏輯思維中，預設的現象影響著實驗設計。學生根據實驗原理，很自然地聯系到借助指示劑的變色能確立酸或堿是否存在，而產生的現象也為證據的出現埋下了伏筆。

（三）觀察實驗，獲取證據而推理

分組完成4個實驗后，學生發現最終試管中的顏色發生了改變，這說明原試管中的物質被消耗了，也意味著反應發生了。那么，運用什么證據來推知生成物呢？在上述實驗中，學生滴加的試劑最終是過量的，剩余的反應物影響著生成物的判斷。

[教師啟發]怎樣控制滴加試劑的量，進而推測生成物是什么？

[討論交流]滴加的試劑與試管內物質恰好完全發生反應，這一時刻試管內的溶液可能是中性的。那么，氯化鈉溶液是中性嗎？

[教師引領]可以做實驗來證明。

[實驗觀察]在紫色石蕊溶液中，滴加氯化鈉溶液后，仍是紫色的。

[提出問題]上述4個實驗中，哪個實驗能比較明顯地判斷恰好完全反應？

[討論交流]恰好完全反應時，溶液呈中性，其溶質只有氯化鈉。實驗1中，恰好完全反應時紅色變為紫色;實驗2中，恰好完全反應時顏色無變化;實驗3中，恰好完全反應時藍色變為紫色;實驗4中，恰好完全反應時紅色變為無色。實驗2中無現象變化，故不能判斷。實驗1和3中現象變化不明顯，而實驗4的現象變化非常明顯，所以選擇實驗4最合適。

[演示實驗]教師演示第4個實驗，向試管中逐滴加入稀鹽酸，同時振蕩，當紅色剛變成無色時，停止滴加。

[觀察推理]在紅色剛變為無色時，此時溶液中溶質呈中性，從反應前后元素種類不變可推知生成物是氯化鈉和水。

觀察是實驗過程中的重要環節，師生觀察到的是表面的現象，而現象的背后隱藏著事物的本質，這需要思維來透析，才能成為證據。上述4個實驗產生4種不同的現象，觀察時，筆者強調各小組記錄員要詳細寫下相應的現象，經過學生的比較、分析、取舍后，最終確定現象最明顯最直觀的實驗4為實驗對象，來證實稀鹽酸與氫氧化鈉反應的發生。同時，借助實驗觀察，學生意識到指示劑在變色的過程中，存在著溶液呈中性的時刻，并以此契機來推理出生成物。推理是指人根據證據在頭腦中經過分析與綜合，引出新判斷、解決新問題的過程[3]。有深度的推理需要以多元證據為基礎，進而展開綜合分析思維并獲得結論。在這個實驗中，多元證據包括：（1）觀察到的現象，如裝有酚酞的紅色溶液剛好變成無色;（2）化學事實，如氯化鈉溶于水后呈中性;（3）化學定律，如化學反應前后元素種類不變。

二、借模型認知思維來書寫反應用語

模型認知屬于科學思維，也是化學核心素養之一。錢學森這樣定義模型：“模型是通過對問題現象的分解，利用原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所創造出來的一幅圖畫……”可見，模型是一種表征系統，其根本屬性在于表征研究對象，指出研究對象的關鍵特征或要素及其相互關系，具有描述、解釋或預測功能[4]。

（一）豐富原型

我們在實驗觀察、證據推理中獲得了稀鹽酸和氫氧化鈉溶液發生反應生成氯化鈉和水的事實原型，但這只是教學個例，要得出共性，需要一組實驗。因此，教師需要補充和豐富原型。教學時，筆者補充并實驗完成“稀硫酸與氫氧化鋇溶液”“稀硫酸與氫氧化銅溶液”兩個反應，它們的共性是都能產生明顯的現象，前一個生成了白色沉淀，后一個反應后藍色固體消失并產生藍色溶液。學生利用看見的現象和相關資料獲知這兩個反應已發生，且知曉生成物各是什么。

（二）構建模型

模型是將原型的本質特征提煉出來，并進行表征。不同模型對應著不同的研究方向，因而研究物質性質的模型可稱為“性質模型”。性質模型是指對物質的性質用文字或表達式或圖形等進行概括的一類模型[5]。化學反應的表達式常用化學方程式來表達，書寫化學方程式屬于系統認識化學反應的一個重要環節。

[提出問題]請大家用文字表達式從反應物、生成物的類別來概括其特征。

[學生表達]酸+堿=鹽+水

[教師總結]我們把酸和堿生成鹽和水的反應稱為中和反應。

[提出問題]同學們能正確寫出上述三個反應的化學方程式嗎？

[學生展示]（略）。

[提出問題]請同學們觀察，根據反應物組成，指出酸和堿的反應可以怎樣有技巧性地寫出生成物？

[發現交流]兩種反應物互換成分進行組合。

[總結板書]先標價，畫弧線，再交換，價不變。

模型構建需依附在具體的教學活動中，即用問題激發學生的意識，使其發現原型中的本質特征，并用文字表達式來概括出酸和堿反應的性質模型。模型的特點是簡潔、直觀，便于學生理解記憶。化學方程式是符號模型中的一種重要形式，技巧性地寫出正確的化學方程式是學生化學素養的重要體現。部分學生在首次書寫上述3個化學方程式時，主要是憑著感覺寫的，沒有提煉出書寫的模型特征，這就使其對知識的掌握不具備穩定性。筆者教學時強調在反應物的組成上標注化合價，同時借口訣和畫弧線相結合的數形模型來寫出生成物的化學式，解決了學生常將生成物化學式寫錯的問題。這里的數形模型屬于物理模型[6]。可見，這種模型形象地提煉出了中和反應的化學方程式書寫特征，增強了書寫的技巧性。

（三）應用模型

在化學學習中，模型可將已學知識具體化，使學生對酸堿反應的認識從感性走向理性。在教學中，應用模型其實就是預測、解釋并解決新問題的過程。比如，運用性質模型可判斷和書寫陌生的酸堿反應化學方程式。筆者給出兩個反應：（1）稀硫酸和氫氧化鈉溶液;（2）稀鹽酸和氫氧化鈣溶液。學生應用模型，快速正確地書寫出了相應的化學方程式，體驗到了應用模型解決新問題的快樂。

三、借宏微結合思維來揭示反應實質

宏微結合是化學學習中的一種特有思維，即從宏觀視角認識物質及其變化，并從微觀角度揭示物質及其變化的本質。宏微結合必須依賴于具體的教學活動，因此，注重宏、微間的聯系及思維方式的培育，便成為化學教學實踐的關鍵，也是化學學習活動中的重中之重，自然也成為培育化學核心素養的重要途徑之一[7]。初中化學要求學生先從分子、原子的角度認識部分化學反應，再從離子間的反應來重新認識酸、堿、鹽之間的反應。

（一）宏觀表達

教學時，筆者讓學生感知真實情境，并觀察實驗現象，進而推理出稀鹽酸和氫氧化鈉溶液是真實反應的。書寫化學方程式是宏觀表達物質間發生反應的重要形式之一。化學方程式直觀地說明了反應物、生成物以及反應條件，因此書寫化學方程式后，教師可引導學生從宏觀的視角來讀出化學方程式的內涵。

（二）微觀理解

教學中，教師要引導學生對宏觀反應進行微觀理解。其中，引領學生畫出微觀粒子圖的過程便是微觀理解的顯性表達過程。認識到酸、堿、鹽在水溶液中解離出離子，是微觀理解酸、堿、鹽之間反應的前提。教材呈現了反應前后的微觀圖，但并沒有直觀寫出這一反應的微觀實質，這給教師留下了教學的空間。“教材無非是個例子”，筆者在教學時采用不直接呈現微觀圖，而是讓學生嘗試畫出微觀圖的策略。

[提出問題]請畫出稀鹽酸和氫氧化鈉溶液恰好完全反應時，反應前后溶液中反應物和生成物的粒子圖。

[黑板畫圖]（詳見圖1）。

在宏觀物質反應中，氫氧化鈉溶液與稀鹽酸反應雖然從肉眼看來非常“平靜”，但在微觀視角下，卻是“暗流涌動”的。因為看不見，所以學生覺得反應的本質抽象，而微觀圖的呈現則化抽象為形象，促進了學生的理解。學生通過畫反應中的微觀粒子圖，訓練了兩類思維：一是定性思維，即誰能解離并拆成離子形式是關鍵，筆者認為教學時只需向初中生介紹常見的能解離的酸、堿、鹽即可，不宜作深度拓展，因為離子方程式的書寫不屬于初中化學教學的范疇;二是定量思維，畫微觀粒子的相對數目受到化學計量數的制約，因而這里畫出的粒子圖是相對的，而不是絕對的。

（三）符號表征

用符號來表征粒子間的反應具有直觀性，在反應前后的微觀粒子圖中尋找真正參與反應的粒子是符號表征的前提。鑒于離子方程式是高中化學的教學任務，這里可用離子間的反應表達式或用文字來呈現，對表達式中的守恒暫不作要求。

[提出問題]觀察上圖，有沒有粒子沒有參與反應？

[學生回答]鈉離子和氯離子。

[引導思考]既然鈉離子和氯離子并沒有真正參與反應，那如何排除這一干擾呢？

[學生回答并畫圖]可將前后相同的粒子進行刪除，留下的粒子便是真正參與反應的粒子和生成的粒子（圖略）。

[學生歸納]真正參與反應的粒子是氫離子和氫氧根離子，生成了水分子。

[教師板書]H++OH-→H2O

化學符號是化學特有的語言，人們用符號來表示物質或相應的化學反應并進行思維，這已成為一種認識常態。從微觀角度借助化學符號及關聯來表征化學反應，從而揭示出化學反應的微觀實質，這種思維方式為解決宏觀問題提供了一種獨特的視角，即宏觀問題微觀處理。學生較難理解的是氯化鈉和水為生成的新物質，但鈉離子和氯離子卻不是生成的新粒子，這體現了宏微視角下的不同之處。筆者先從“新物質”與“新粒子”的定義進行區分，再從可操作的視角刪除了前后沒有參與反應的粒子，為尋找真正參與反應的粒子提供了教學范式。

（四）宏觀再現

從氫氧化鈉溶液與稀鹽酸的這一反應中探析出微觀反應實質是氫離子與氫氧根離子反應生成水分子。理論上，學習活動到達這一步時，教學目的已經達成，但筆者在此進行了逆向設計，即讓學生圍繞這一微觀實質，開展小組合作討論，然后舉例說明還有哪些反應也可應用這一符號表征。這一設計實現了微觀再向宏觀的思維轉化。當然，這節課不宜拓展像稀硫酸與氫氧化鋇溶液、稀硫酸與氫氧化銅溶液之類反應的微觀實質。

四、借歸納整理思維來認識反應類型與用途

（一）在發現中歸納

發現是歸納的前提，學習應是學生主動建構、探索發現的過程。在具體事件中自己發現，這樣的獲取顯得意義重大。圍繞酸和堿的反應，筆者設計了三處“發現教學”，培養了學生的歸納整理思維。一是學生從生成物如氯化鈉、硫酸鋇、硫酸銅、硫酸鈉、氯化鈣中發現它們在構成上的共性特征，歸納得出“鹽”的初步定義。二是“中和反應”這一名詞雖并不要求學生發現和創造，但學生可以在酸和堿反應的化學方程式中發現生成物的共性特征，進而歸納得出“酸+堿→鹽+水”，對接“中和反應”。三是中和反應化學方程式配平的技巧歸納，教學中發現學生在書寫這部分化學方程式時，“水”前面的化學計量數易被遺漏，于是筆者引導學生從“水”生成的本質出發，發現了“一個氫離子與一個氫氧根離子結合成一個水分子”的規律，由此得出“水”前面的化學計量數由反應前氫離子和氫氧根離子的個數決定。

（二）在思辨中歸納

思辨能力即思考辨析能力。辨析指對事物的情況、類別、事理等進行辨別分析，屬于高階思維。教學時，教師習慣了正向教學，學生在這種情況下得出的往往也是正向結論，即與教學過程同步產生。但隨著與之相關知識的增多，學生頭腦中就會形成與科學概念不一致的認識，即“迷思概念”。教師要對由概念衍生出來的“迷思”性說法有一定的預判，并引導學生開展思辨活動，這樣有利于學生掌握新概念。從教的角度來看，“迷思”性說法的設計策略是將核心概念的關鍵詞去掉或改動后，組織學生進行判斷。如在學完“中和反應”概念后，筆者增加了一道思辨題：“生成鹽和水的反應一定是中和反應嗎？”教學時，筆者發現學生思辨的常見策略是舉例證明。

[學生舉例1]不一定是中和反應。例如：金屬氧化物+酸→鹽+水。

[學生舉例2]不一定是中和反應。例如：非金屬氧化物+堿→鹽+水。

舉例是針對問題，通過列舉合適的、通俗易懂的、有代表性的事例來說明事物本質特征的方法。舉例證明對學生來說具有很強的說服力，因為上述兩個反應是學生已學過的化學事實，屬于已知領域的知識，在判斷新命題時起到了證據推理作用。

（三）在閱讀中歸納

閱讀是一種學習活動，教師可以讓學生直接從文本中獲取知識，但不同的學生閱讀后的學習效果卻不盡相同。因此，在學生自主閱讀課本后，教師要用一定的方式引導學生歸納整理，形成自己的學習報告。化學反應是表達物質化學性質的外顯形式，而化學反應的價值則體現在相應物質的用途上。在這節課中，筆者借助表格引導學生歸納整理物質的用途，滲透“性質決定用途”這一化學觀念，詳見表2。

考慮到學生在自主閱讀中歸納整理出來的知識具有單一性，筆者增加了問題導思環節，以拓寬思維的廣度，設置了一系列問題：“為什么改良酸性土壤用氫氧化鈣而不用氫氧化鈉？治療胃酸分泌過多可否服用氫氧化鈉或氫氧化鈣？蚊蟲叮咬處的皮膚上能否涂氫氧化鈉溶液或石灰水？”這些問題有利于學生理清性質與用途的具體關系，即性質并不是決定用途的唯一因素。教師需要適時點撥，這樣，學生才能在自主閱讀歸納中建構完整的知識體系。

綜上所述，化學思維既是教化學反應的關鍵，又是學化學反應的關鍵，還屬于需要培育的核心素養。上海師范大學吳俊明教授認為：沒有化學思維就沒有化學認知活動，就沒有化學認知;化學思維是化學認知活動的靈魂，是化學科學的“命根子”[8]。因此，引導學生認識化學反應需要從化學思維的視角來組織教學。

參考文獻：

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