基于真實(shí)情境的深度學(xué)習(xí)與思維發(fā)展

王長艷 李伏剛 陳瑞雪

摘要：基于對化學(xué)深度學(xué)習(xí)的研究，在模擬侯氏制堿的情境中思考、分析碳酸鈉工業(yè)制備的原料、原理問題，建立認(rèn)識物質(zhì)和分析轉(zhuǎn)化的學(xué)科視角;實(shí)驗(yàn)探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)差異，思維有序地從定性和定量的角度分析混合物，提升真實(shí)情境下綜合復(fù)雜問題的解決能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：制備Na2CO3;深度學(xué)習(xí);思維發(fā)展

文章編號：1008-0546（2022）08-0047-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.010

化學(xué)深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵為：“在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運(yùn)用證據(jù)推理與模型認(rèn)知的思維方式，解決綜合復(fù)雜問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識，建立運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。[1]”化學(xué)深度學(xué)習(xí)的根本目標(biāo)是改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展。基于對化學(xué)深度學(xué)習(xí)的研究，在進(jìn)行元素化合物內(nèi)容教學(xué)時(shí)，恰當(dāng)選取真實(shí)生產(chǎn)生活情境，課堂中以具體知識為載體，以帶有驅(qū)動性的問題引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行驅(qū)動思考、深度探究，將問題“情境化”，促使學(xué)生基于問題深度參與課堂學(xué)習(xí)，提升真實(shí)情境下綜合復(fù)雜問題的解決能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、課程標(biāo)準(zhǔn)要求和教學(xué)內(nèi)容分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對碳酸鈉和碳酸氫鈉內(nèi)容的教學(xué)要求是：結(jié)合真實(shí)情境中的應(yīng)用實(shí)例或通過實(shí)驗(yàn)探究，了解鈉及其重要化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用[2]。教材內(nèi)容安排主線為展示碳酸鈉和碳酸氫鈉的主要用途→實(shí)驗(yàn)比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的溶解性→介紹碳酸鈉和碳酸氫鈉的主要物理性質(zhì)→實(shí)驗(yàn)對比碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性→科學(xué)史話介紹侯德榜和侯氏制堿法。教材內(nèi)容的編排給出了研究碳酸鈉和碳酸氫鈉性質(zhì)的基本方法——對比法，也給實(shí)際教學(xué)提供了豐富的情境素材，既可以從生活實(shí)際應(yīng)用入手進(jìn)行學(xué)習(xí)，又可以從實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)入學(xué)習(xí)，還可以借助侯氏制堿法并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)深入學(xué)習(xí)。基于學(xué)生在初中學(xué)習(xí)過部分碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)，在本節(jié)前一部分運(yùn)用對比法學(xué)習(xí)了氧化鈉與過氧化鈉的性質(zhì)，碳酸鈉和碳酸氫鈉這部分教學(xué)內(nèi)容可以在深入了解兩種鹽各自性質(zhì)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開放思維，以哪些物質(zhì)之間的反應(yīng)可以生成Na2CO3引發(fā)思考，從元素找尋物質(zhì)，多角度分析實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求;以測定實(shí)驗(yàn)室制備出的產(chǎn)品碳酸鈉含量引發(fā)師生間、生生間思維的碰撞，梳理出對于混合物進(jìn)行定性、定量分析的思路。

二、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程

（1）通過思考、分析碳酸鈉工業(yè)制備的原料、原理問題，進(jìn)一步建立認(rèn)識物質(zhì)、分析轉(zhuǎn)化的學(xué)科視角。

（2）通過實(shí)驗(yàn)探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)差異，進(jìn)而思維有序地從定性、定量的角度分析混合物，促進(jìn)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（3）通過對純堿工業(yè)的發(fā)展史和侯德榜個(gè)人事跡的介紹，感悟“實(shí)干興邦”的重要意義，落實(shí)科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

本節(jié)課的情境線、問題線、學(xué)生認(rèn)識發(fā)展線設(shè)置如圖1所示。

三、教學(xué)過程

1.探秘侯氏制堿法

【展示】碳酸鈉和碳酸氫鈉的主要用途。

【提問】哪些物質(zhì)之間的反應(yīng)可以生成Na2CO3？

【回答】Na2O、Na2O2、NaOH都可以與CO2反應(yīng)生成 Na2CO3。

【思路外顯總結(jié)】（見圖2）

【追問】依據(jù)哪些因素思考圖2所示反應(yīng)是否能夠應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中？

【思考】從原料來源、成本、生產(chǎn)工藝、安全性等選擇NaOH與CO2反應(yīng)制備Na2CO3。

【展示】NaOH、Na2CO3成本價(jià)格。

【師】需要找到更加廉價(jià)易得的Na源。

【生】NaCl。

【提問】NaCl + NH3+ CO2+ H2O = NaHCO3↓+ NH4Cl此反應(yīng)能發(fā)生的原因是什么？

NaHCO3→ Na2CO3轉(zhuǎn)化可以實(shí)現(xiàn)嗎？

【思考回答】反應(yīng)能發(fā)生的原因是NaHCO3溶解度小，NaHCO3受熱質(zhì)量減少，預(yù)測NaHCO3受熱能分解，產(chǎn)物可以用澄清石灰水鑒別。

設(shè)計(jì)意圖：從物質(zhì)所含核心元素的角度尋找實(shí)現(xiàn)制備碳酸鈉的諸多反應(yīng)，進(jìn)而分析Na2CO3工業(yè)制備的原料、原理問題，建立認(rèn)識物質(zhì)、分析轉(zhuǎn)化的學(xué)科視角，提升證據(jù)意識、科學(xué)探究意識。

【師】很好，以上我們分析的反應(yīng)原理就是侯氏制堿法的主要制備原理。

【展示】侯氏制堿法原理。

【師】侯氏制堿法又稱聯(lián)合制堿法，是我國化學(xué)工程專家侯德榜先生于1943年創(chuàng)立的。侯氏制堿法的創(chuàng)舉在于不僅可以獲得產(chǎn)品Na2CO3，還可以獲得產(chǎn)品 NH4Cl。

設(shè)計(jì)意圖：感悟侯氏制堿法的精妙，落實(shí)科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.模擬侯氏制堿法制備Na2CO3

【展示】碳酸鈉實(shí)驗(yàn)室制備過程。（見圖3）

反應(yīng)原理：NH4HCO3+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl 2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2↑

【提問】產(chǎn)品中碳酸鈉的含量是多少呢？產(chǎn)品可能存在哪些雜質(zhì)？

【回答】產(chǎn)品中可能存在沒有分解完全的 NaHCO3，還可能有NaCl、NH4Cl。

【繼續(xù)思考】依據(jù)資料NH4Cl溶解度大，受熱易分解，產(chǎn)品中可能有NaHCO3和NaCl。

設(shè)計(jì)意圖：從制備原理出發(fā)分析產(chǎn)品中可能存在的雜質(zhì)，結(jié)合已有證據(jù)作出合理推斷。

【提問】如何知道產(chǎn)品中是否還存在NaCl 呢？

【回答】可以利用 AgNO3溶液鑒別產(chǎn)品中是否含有NaCl。

【展示說明】產(chǎn)品經(jīng)硝酸酸化后滴加 AgNO3溶液后產(chǎn)生白色沉淀，產(chǎn)品中存在NaCl。

【追問】如何知道產(chǎn)品中是否還存在沒有分解的 NaHCO3呢？

【回答】還可以繼續(xù)受熱分解檢測分解產(chǎn)物。

設(shè)計(jì)意圖：基于已有認(rèn)知、物質(zhì)性質(zhì)提出恰當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)方法。

【師】還有沒有其他方法呢？我們再多了解一些 Na2CO3、NaHCO3的性質(zhì)。

【展示】碳酸鈉和碳酸氫鈉溶解性的比較實(shí)驗(yàn)。

【分組實(shí)驗(yàn)】Na2CO3溶液、NaHCO3溶液分別與稀鹽酸、Ba（OH）2溶液的反應(yīng)。

【說明】學(xué)生在分組實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，起始向Na2CO3溶液滴加稀鹽酸無明顯現(xiàn)象，繼續(xù)滴加產(chǎn)生氣泡，向 NaHCO3溶液滴加稀鹽酸即有氣泡產(chǎn)生;向 Na2CO3溶液、NaHCO3溶液中滴加 Ba（OH）2溶液均有白色沉淀生成。

【實(shí)驗(yàn)原理分析】

Na2CO3+2HCl=2NaCl + H2O + CO2↑

Na2CO3+ Ba（OH）2=BaCO3↓+2NaOH

NaHCO3+ HCl=NaCl + H2O + CO2↑

NaHCO3+ Ba（OH）2=BaCO3↓+ NaOH + H2O

設(shè)計(jì)意圖：通過教師演示、學(xué)生預(yù)測、分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步認(rèn)識碳酸鈉、碳酸氫鈉的化學(xué)性質(zhì)，發(fā)展科學(xué)探究核心素養(yǎng)。

3.產(chǎn)品成分鑒定

【師】現(xiàn)在我們對于Na2CO3和NaHCO3又多了一些認(rèn)識。

【提問】如果產(chǎn)品質(zhì)量是m克，如何知道其中是否還存在沒有分解的NaHCO3呢？

【分組思考】

【思考、分析】如果能知道產(chǎn)品中鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生 CO2的量是不是可以確定出是否含有NaHCO3呢？

【回答】應(yīng)該可以。如果產(chǎn)品中含 NaHCO3，與鹽酸反應(yīng)釋放出 CO2氣體的質(zhì)量應(yīng)該與純凈的 Na2CO3不相等。

【追問】但是產(chǎn)品中有NaCl，NaCl 的質(zhì)量可以知道嗎？

【回答】雜質(zhì) NaCl 的質(zhì)量可以通過產(chǎn)品與AgNO3溶液沉淀獲得AgCl 的質(zhì)量確定下來。

【追問】還有其他方法嗎？

【回答】利用與Ba（OH）2溶液反應(yīng)獲得沉淀BaCO3的質(zhì)量也可以確定。

【師】我們想知道產(chǎn)品中是否還存在沒有分解的 NaHCO3，剛才大家的想法實(shí)際上一直在進(jìn)行比較，是與什么進(jìn)行對照的呢？

【回答】與純凈的Na2CO3進(jìn)行比較。

【師】物理性質(zhì)可以幫助我們確定產(chǎn)品中是否還存在沒有分解的NaHCO3嗎？

【回答】如果產(chǎn)品中雜質(zhì)少利用顏色、狀態(tài)、溶解性不易判斷。

設(shè)計(jì)意圖：基于碳酸鈉和碳酸氫鈉的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)提出完成對混合物進(jìn)行定性說明NaHCO3存在、定量確定 Na2CO3含量的可行性，并在分析過程中完善認(rèn)識思路。

【思路外顯和總結(jié)】（見圖4）

【師】通過上面的分析我們可以感受到以上的鑒別方法在實(shí)際操作中也都存在操作復(fù)雜的問題，且雜質(zhì)如果含量不高不易獲得準(zhǔn)確結(jié)果，那么還有其他方法嗎？

【展示】向一定濃度的 Na2CO3溶液中加入稀鹽酸過程中pH變化圖像（見圖5）。

【提問】依據(jù) pH 的圖形走勢，Na2CO3溶液與稀鹽酸是怎樣進(jìn)行反應(yīng)的？

【傾聽、思考、分析】Na2CO3溶液與稀鹽酸反應(yīng)是分段進(jìn)行的。

【展示】向產(chǎn)品溶液中加入稀鹽酸 pH 變化圖像（見圖6）。

【提問】依據(jù)pH的圖形走勢，若產(chǎn)品中含有NaHCO3則在滴入稀鹽酸發(fā)生反應(yīng)的兩個(gè)階段耗用鹽酸的體積大小關(guān)系是什么？

【分析、回答】若產(chǎn)品中不含有NaHCO3則分段所用稀鹽酸體積應(yīng)是一樣大的，若含有NaHCO3，第二階段用的稀鹽酸會更多。

設(shè)計(jì)意圖：以向一定濃度的Na2CO3溶液中加入稀鹽酸后pH 變化的圖像為證據(jù)，分析Na2CO3溶液與稀鹽酸反應(yīng)的過程，進(jìn)而分析滴定法應(yīng)用于Na2CO3含量測定的可操作性。

【師】我們也有一些現(xiàn)代儀器分析方法可以幫助我們確定產(chǎn)品中是否含有NaHCO3。

【展示】利用紅外光譜儀、X-射線衍射儀測定產(chǎn)品中是否含有NaHCO3的方法。

【說明】NaHCO3結(jié)構(gòu)中獨(dú)有的氧氫結(jié)構(gòu)會在紅外光的入射下特定的位置產(chǎn)生吸收峰，據(jù)此可知是否含有NaHCO3（見圖7）;每一種晶體物質(zhì)都具有特定的晶體結(jié)構(gòu)，用X射線照射試樣，試樣中的物質(zhì)受激發(fā)后會在特定的位置出現(xiàn)吸收峰，通過樣品和純品的比對，就可以知道其中是否含有NaHCO3（見圖8）。

【提問】依據(jù)今天所學(xué)找出能夠?qū)崿F(xiàn) Na2CO3、 NaHCO3轉(zhuǎn)化的方法。

【回答】向 Na2CO3溶液中加入少量鹽酸可以生成 NaHCO3。NaHCO3固體受熱分解得到Na2CO3。NaHCO3與NaOH溶液反應(yīng)可以生成Na2CO3。

【師】還有其他方法嗎？

【展示】向飽和Na2CO3溶液中通入CO2。（見圖9）

【生】向飽和 Na2CO3溶液中通入 CO2也會生成 NaHCO3。NaHCO3溶解度小會在溶液中以固體形式析出。

設(shè)計(jì)意圖：從組成、性質(zhì)認(rèn)識 Na2CO3、NaHCO3相互轉(zhuǎn)化的方法，正鹽與酸式鹽相互轉(zhuǎn)化的一般規(guī)律。

四、教學(xué)效果及反思

碳酸鈉和碳酸氫鈉的學(xué)習(xí)基于教材內(nèi)容，在真實(shí)情境中設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的遞進(jìn)問題，開展了有效的基于問題的驅(qū)動思考、深度探究，促進(jìn)了學(xué)科深度學(xué)習(xí)與學(xué)生思維發(fā)展。整節(jié)課思路清晰，具備以下特點(diǎn)：

1.重視情境創(chuàng)設(shè)，體現(xiàn)學(xué)科價(jià)值

“碳酸鈉和碳酸氫鈉”是繼“氧化鈉和過氧化鈉”之后學(xué)生需要掌握的另外兩種重要的鈉的化合物。本次學(xué)習(xí)以哪些物質(zhì)之間的反應(yīng)可以生成 Na2CO3引發(fā)思考，從元素找尋物質(zhì)，多角度分析實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需求;以測定實(shí)驗(yàn)室制備出的產(chǎn)品Na2CO3含量引發(fā)師生間、生生間思維的碰撞，梳理出對于混合物進(jìn)行定性、定量分析的思路。學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的具有探究性、啟發(fā)性、生動性的情境中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，步步深入探究，凸顯了核心知識的應(yīng)用價(jià)值。

2.關(guān)注問題解決，構(gòu)建認(rèn)識思路

本次學(xué)習(xí)從物質(zhì)所含核心元素的角度尋找實(shí)現(xiàn)制備Na2CO3的諸多反應(yīng)，進(jìn)而分析Na2CO3工業(yè)制備的原料、原理問題，建立認(rèn)識物質(zhì)、分析轉(zhuǎn)化的學(xué)科視角;基于Na2CO3和NaHCO3的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)提出完成對混合物中NaHCO3是否存在的證明。學(xué)生的認(rèn)識思路在尋找性質(zhì)差異、對比純凈 Na2CO3、思索證據(jù)是否充分中逐步完善形成，在進(jìn)一步認(rèn)識 Na2CO3和 NaHCO3的相關(guān)性質(zhì)基礎(chǔ)上，建立了科學(xué)探究的思維模式。

3.致敬侯氏制堿，培植社會責(zé)任

本次學(xué)習(xí)的情境取自在實(shí)驗(yàn)室模擬侯氏制堿法制備Na2CO3。在教學(xué)過程中適時(shí)將侯氏制堿法、侯德榜先生的事跡介紹給學(xué)生，學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中感受中國化學(xué)化工專家為國家發(fā)展所作出的貢獻(xiàn)，深悟自己身上承擔(dān)的社會責(zé)任，讓學(xué)科德育落地生根。

參考文獻(xiàn)

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