培養學生化學認識思路的探究性教學*
——以初中化學“探究檸檬酸的性質和組成”為例

劉 瑤 李德前

（1.徐州市第三十四中學 江蘇 徐州 221000；2.徐州市西苑中學 江蘇 徐州 221000；3.徐州市李德前化學名師工作室 江蘇 徐州 221000）

學習是知識和思維相互融合的過程。《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出，要結合學生已有的生活經驗，選擇促進學生核心素養發展的化學學習內容，學習內容中既包括核心知識，又包括思維方法、探究實踐和情感態度價值觀等。［1］因此，教師在教學中應注重發展學生的科學思維，讓學生形成從化學視角認識物質的思路，實現化學知識的結構化和素養化。

化學認識思路是指對物質及其變化的特征及規律進行認識的程序、路徑或框架。［2］《義務教育化學課程標準（2022年版）》中提出了一些化學認識思路，如在“科學探究與化學實驗”學習主題中，通過具體的實驗活動初步形成化學實驗探究的一般思路和方法；在“物質的性質與應用”學習主題中，形成從物質類別研究物質性質的一般思路和方法；在“物質的組成與結構”學習主題中，學會利用物質的性質和化學反應探究物質組成的基本思路和方法等。化學認識思路解決的是“怎么想”的問題，學生形成了認識思路，就掌握了問題解決的程序，有助于深入理解知識并實現知識的“高通路”遷移。探究性教學是幫助學生建構化學認識思路的有效途徑。

一、探究內容的選取

探究性教學是指在教師的指導下，學生圍繞某一問題，通過自主學習、合作討論的方式進行查閱資料、設計方案、實驗驗證等學習活動來探尋答案、解決實際問題的一種教學形式。選擇有探究價值的問題，將與問題有關的知識進行整合，形成符合九年級學生認知水平的探究內容，能讓學生在探究性學習中增強思考能力、分析能力，并獲得較好的情感體驗。探究問題可以源自教材的深入挖掘，也可以取自生活的經驗常識。

本文選取檸檬酸為探究對象，以檸檬酸的性質和組成為探究內容，原因有三個方面：一是檸檬酸廣泛存在于檸檬、菠蘿、櫻桃、柑橘等水果中，很多飲料用檸檬酸作酸味劑，學生對檸檬酸不陌生，但不知道檸檬酸是怎樣的一種物質，知道鹽酸、硫酸、硝酸等液態酸，缺乏像檸檬酸這樣的固體酸的認識；二是檸檬酸在生活中有著諸多用途，如作罐頭的pH調整劑、除垢劑、除銹劑、改良堿性土壤等，性質決定用途，用途反映性質，讓學生根據用途反推檸檬酸的化學性質，發現其與稀鹽酸、稀硫酸的化學性質相似，尋找微觀本質原因；三是檸檬酸是一種有機化合物，燃燒法分析有機物組成是經過1781～1916年眾多化學家的不斷探索和改進逐漸發展成熟起來的，［3］通過探究檸檬酸的組成元素可以引導學生像化學家那樣去思考問題，培養科學思維。因此，探究檸檬酸的性質和組成可以幫助學生建構化學認識思路。

二、認識思路的建構

在現行滬教版（全國版）九年級化學課本中，從物質類別的視角初步預測物質性質的實驗有常見金屬的化學性質、稀鹽酸和稀硫酸的化學性質、氫氧化鈉和氫氧化鈣的化學性質等；利用物質性質和化學反應探究物質組成的實驗有燃燒葡萄糖和面粉證明其含有碳元素、電解水證明水由氫元素和氧元素組成等。新課學習時，這些實驗探究可以幫助學生初步建構化學認識思路，但是堆砌大量知識容易，培養思維方式較難，教師應該創設真實問題情境，讓學生通過解決生活實際問題來進一步鞏固、強化這些認識思路。探究檸檬酸的性質和組成教學流程及認識思路如圖1所示。

圖1 “探究檸檬酸的性質和組成”教學流程及認識思路

三、探究實施過程

【課前準備】學生通過總結生活經驗、網絡查詢資料等方式獲取有關檸檬酸的信息。

【分享交流】以小組為單位，分享收集到的檸檬酸資料。

【信息提取】提取學生分享的信息中與本節課探究有關的部分，缺少的信息教師進行補充。匯總如下：

①檸檬酸是一種有機酸，在生活中的用途有作飲料的酸味劑、作罐頭的pH調節劑、除鐵銹、除水垢、改良堿性土壤、作洗衣機泡騰片崩解劑等。

②檸檬酸具有可燃性，完全燃燒會生成二氧化碳和水。

1.探究檸檬酸的性質

【教師】研究物質的性質一般從物理性質入手。觀察試劑瓶中的檸檬酸，同學們能知道哪些物理性質？無水檸檬酸在常溫下溶解度是145.1 g，其溶解性如何？

【學生1】白色顆粒狀固體（實為無色晶體，但由于顆粒較小看上去是白色）、無氣味、易溶于水。

【教師】請同學們根據檸檬酸的用途和已學過的稀鹽酸、稀硫酸的化學性質進行猜想，檸檬酸的化學性質可能有哪些？

【學生2】檸檬酸的水溶液應該顯酸性，估計它能與活潑金屬、某些金屬氧化物、碳酸鹽、堿等物質反應。

【教師】請同學們先獨立思考設計探究檸檬酸化學性質的實驗方案，然后以小組為單位進行交流，方案中要包含用到的試劑和預期的實驗現象、結論。

【學生】獨立思考，在實驗報告上寫下具體的方案；小組交流，分享方案，將不當之處完善。

【教師】同學們的方案中驗證檸檬酸水溶液顯酸性都選擇紫色石蕊試液，為什么不用酚酞試液呢？

【學生3】酚酞試液在中性溶液和酸性溶液中都是無色的。

【教師】在與堿反應的方案中，同學們有的選擇氫氧化鈉溶液、澄清石灰水，還有的選擇難溶性的堿，如氫氧化銅、氫氧化鐵等。堿溶液與檸檬酸溶液混合時可能會沒有明顯的現象，如何判斷兩者是否反應？

【學生4】先向堿溶液中滴加酚酞試液，溶液變紅，再滴加檸檬酸溶液，若溶液的紅色褪去，說明堿性物質消失了，即酸與堿發生了化學反應。

【教師】同學們用老師提供的五指實驗裝置（如圖2所示）進行實驗，該裝置形似人的五指，大試管中盛放液體，帶孔小試管由一根細導線系著，其中盛放固體，通過細導線提、放小試管控制固液分離和接觸。同學們每完成一個小實驗，帶孔塑料板上就會多出一支試管，直至實驗全部完成，“手”的形狀就出現了。

圖2 五指實驗裝置

【學生】觀察五指實驗裝置，了解該裝置的優點是控制反應的發生和停止。以小組為單位，從提供的實驗藥品中選擇所需要的進行實驗，實驗過程中遇到問題及時分析原因、尋找解決辦法。在做檸檬酸溶液和金屬反應的實驗時，用鎂和鐵都有氣泡產生，學生推測該氣體是氫氣，將燃著的木條放在試管口，鎂產生的氣體能被點燃，并發出輕微的爆鳴聲，但鐵產生的氣體沒有被點燃，學生認為由于反應速率比較慢，氣體又擴散得快，試管口沒有聚集大量的氫氣，所以無法點燃；在做檸檬酸溶液和碳酸鹽反應的實驗時，各組檢驗生成的氣體用了不同的方法，有的用內壁沾有澄清石灰水的小燒杯罩住試管口，有的用裝有澄清石灰水的注射器抽取試管中的氣體，有的用玻璃棒蘸取澄清石灰水伸入試管中。

【教師】同學們通過實驗發現，檸檬酸有著與稀鹽酸、稀硫酸相似的化學性質，你能解釋其中的原因嗎？

【學生5】因為它們的水溶液中都含有大量的氫離子。

【教師】學習知識是為了解決問題。請同學們結合生活經驗和本課所學思考以下問題：

①雪碧中含有檸檬酸，而檸檬酸能和金屬反應，為什么還能用鋁質易拉罐盛裝雪碧？

②用檸檬酸除銹、除垢時應注意什么？

③洗衣機泡騰片的崩解劑為檸檬酸和碳酸氫鈉，為何放入水中之后產生大量氣泡，遇水之前幾乎沒有反應？

【學生】先獨立思考，再小組交流。

①首先想到鋁表面有致密的氧化膜，但又想到金屬氧化物也能與檸檬酸反應，于是猜測易拉罐內壁可能有耐酸的涂層。

②除銹、除垢時檸檬酸量不宜過多，否則會腐蝕內部的金屬，注意不能滴到大理石臺面上。

③檸檬酸和碳酸氫鈉溶于水后解離出自由移動的離子，所以會快速反應產生大量氣泡。

2.探究檸檬酸的組成

【教師】檸檬酸是酸，也是有機化合物。有機物一般都具有可燃性，歷史上許多化學家運用燃燒法分析有機物的組成。檸檬酸完全燃燒生成二氧化碳和水，同學們能推測出檸檬酸中含有哪些元素嗎？

【學生1】一定含有碳元素和氫元素，可能含有氧元素，因為生成物中的氧元素可能來自氧氣。

【教師】如何驗證檸檬酸中含有碳元素和氫元素？

【學生2】點燃檸檬酸，在火焰上方罩一干冷小燒杯，有水霧生成，說明有氫元素；罩一內壁沾有澄清石灰水的小燒杯，石灰水變渾濁，說明有碳元素。

【教師】用內壁沾有澄清石灰水的燒杯檢驗二氧化碳，現象不太明顯，可以將集氣瓶罩在火焰上方（如圖3所示），待檸檬酸燃燒完畢，迅速將集氣瓶正放，再向其中倒入適量澄清石灰水。

圖3 用集氣瓶收集檸檬酸燃燒產生的氣體

【學生】動手操作，通過實驗得出檸檬酸中含有氫元素和碳元素。

【教師】如何驗證檸檬酸中是否含有氧元素？請同學們組內交流。

【學生3】匯報實驗思路：稱取一定質量的少量檸檬酸在氧氣中燃燒，用濃硫酸吸收生成的水，用氫氧化鈉溶液吸收生成的二氧化碳，測出水和二氧化碳的質量，再求出碳元素和氫元素的質量，將二者質量之和與檸檬酸的質量比較，若碳元素和氫元素的質量之和小于檸檬酸的質量，則說明含有氧元素。

【教師】展示學生設計的實驗裝置圖（如圖4 所示）。該裝置是否有不妥之處？

圖4 用燃燒法測定檸檬酸組成的初步方案

【學生4】檸檬酸可能會不完全燃燒產生一氧化碳，一氧化碳不能被氫氧化鈉溶液吸收，導致測定的碳元素質量偏小，可以在檸檬酸右邊放足量氧化銅。

【學生5】氫氧化鈉溶液可能會吸收外界空氣中的二氧化碳，應在C裝置后面增加一個防止外界二氧化碳進入C裝置的保護裝置。

【學生6】還要防止水蒸氣在進入濃硫酸之前液化。

【教師】展示如圖5所示裝置，電爐加熱可以維持玻璃管內高溫，防止水蒸氣在玻璃管內液化，導管也要盡可能短。稱取一定質量的少量檸檬酸放在A 裝置中燃燒，實驗結束后，B 裝置增重m1g，C 裝置增重m2g，請分析數據，通過計算判斷檸檬酸中是否含有氧元素。

圖5 用燃燒法測定檸檬酸組成的實驗裝置

【學生7】B裝置增加的是生成水的質量，m1g水中氫元素的質量是g；C裝置增重的是生成二氧化碳的質量，m2g二氧化碳中碳元素的質量是。若氫元素和碳元素的質量之和小于檸檬酸的質量，則檸檬酸中含有氧元素。

3.拓展延伸

【教師】上圖實驗裝置是在理想狀態下進行的，付諸實踐會面臨很多問題，如在密封裝置中燃燒的安全問題、測量結果的誤差問題等。但利用有機物的可燃性將其轉化為容易測定的二氧化碳和水，是研究有機物組成的重要思路，1781～1916年化學家們運用這種研究思路不斷改進和完善測定有機物組成的方法，其中比較著名的就是德國化學家李比希在1831年發明的有機物燃燒分析實驗裝置（如圖6所示）。將玻璃管一段拉細密封，把有機物和氧化銅的混合物放在玻璃管中，置于燃燒架上加熱，高溫下有機物被氧化銅氧化生成二氧化碳和水，水被熔融氯化鈣吸收，二氧化碳被五球儀中的氫氧化鉀溶液吸收。［3］

圖6 李比希有機物燃燒分析實驗裝置

【學生】觀察圖片，了解李比希的實驗方法。

【教師】隨著科學技術的發展，出現了元素分析儀，其工作原理是讓樣品高溫氧化，檢測生成物。這與傳統分析方法的思路是一致的，但元素分析儀檢測結果更快、更準確，還能測出檸檬酸中碳、氫、氧元素的原子個數比。

【學生】了解當代先進的元素分析技術源于化學歷史長河中經典的轉化法，體會認識思路的重要性。

【教師】根據剛才的數據，若碳、氫、氧元素的質量比為72∶8∶112，原子個數比為6∶8∶7。已知檸檬酸的相對分子質量為192，你能寫出它的分子式嗎？

【學生】C6H8O7。

【教師】每個檸檬酸分子在水中能電離產生3個氫離子，請寫出檸檬酸和氫氧化鈉反應的化學方程式，已知檸檬酸鈉化學式為C6H5O7Na3。

【學生】每個氫離子和一個氫氧根離子結合生成一個水分子，即C6H8O7+3NaOH=C6H5O7Na3+3H2O。

【布置作業】紫甘藍檸檬汁是一款顏值擔當、營養美味的果蔬飲品。同學們可以上網查閱詳細制作步驟試著做一下，并思考一個問題：紫甘藍汁本是紫色，為何加入檸檬后汁液變成紅色？

四、教學反思

1.于真實情境解決問題，發展認識思路的遷移能力。

學生在進行探究活動時，大腦并不是空白的，新課學習階段通過實驗對研究物質性質和組成的思路有了初步認識，通過習題對研究有機物組成的方法有了一定了解，但從回答問題和設計方案可以看出有的學生思路清晰，有的卻找不到方向，無法將頭腦中零散的知識整合起來解決問題。

通過對檸檬酸的性質探究，讓學生學會從物理性質入手，然后根據檸檬酸的物質類別和用途預測化學性質，建立宏觀（實驗現象）—微觀（本質原因）—符號（化學方程式）三者之間的聯系。通過對檸檬酸的組成探究，讓學生學會從定性分析入手，驗證含有碳元素和氫元素，再利用定量分析驗證含有氧元素，培養定性與定量相結合的意識。基于真實情境分析、解決問題，可以幫助學生梳理、強化先前形成的認識思路，發展其認識思路的遷移能力。［4］

2.于細節之處改進實驗，培養嚴謹創新的科學精神。

五指實驗裝置的帶孔塑料板是基于試管架改進的，試管架的底部有凹槽，中部有隔板，會影響觀察實驗現象，將試管掛在帶孔塑料板上，整支試管內的實驗情況清晰可見；五支試管呈手的形狀，可以幫助學生掌握初中化學中酸的五條化學性質，促進學生對知識的整合；若是固體和液體的反應，將固體放在帶孔小試管內，控制反應的發生與停止，可以節約藥品。

在燃燒檸檬酸檢驗有二氧化碳生成時，用內壁沾有澄清石灰水的燒杯現象不太明顯，且學生會質疑石灰水變渾濁的原因（因為氫氧化鈣的溶解度隨溫度的升高而減小，使得石灰水受熱也會變渾濁）。燒杯容器口太大，不利于捕獲更多的氣體，用集氣瓶或試管捕獲生成的氣體再倒入澄清石灰水進行檢驗，現象十分明顯。測定檸檬酸中是否含有氧元素的實驗方案，學生能敘述出大概思路，但容易忽略影響數據精確性的小問題。有的問題是化學家們在實驗時也會重點思考的，比如怎樣使有機物完全燃燒、如何使水蒸氣不在被吸收之前液化等。教師引導學生逐步完善方案，滲透數據精確在定量分析中的重要性。

實驗改進是為了更好地服務教學，在細節處仔細考量更能促進實驗目的的達成。相信本節課在細節之處作改進的實驗，一定能在潛移默化中培養學生嚴謹治學、勇于創新的科學精神。