基于學科理解的教學設計

摘要：以“水的硬度”為素材創設情境，利用三種含鈣化合物引起的水硬度探討3個任務：“沉淀廢水中的氯化鈣”“溶解碳酸鈣、硫酸鈣水垢”“模擬碳酸鈣的形成”，旨在幫助學生建立離子反應的分析模型；理解離子反應發生的條件及本質和書寫復雜情境下離子方程式的思路方法。

關鍵詞：離子反應；離子方程式；學科理解；教學設計

文章編號：1008-0546（2023）11-0040-05" 中圖分類號：G632.41" 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.11.009

一、教學主題內容與現狀分析

1.教學主題內容

（1）本課題選自蘇教版高中化學必修1專題3第二單元“離子反應”，是一節新授課。在《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱修訂版）內容要求為“通過實驗事實認識離子反應及其發生的條件”［1］。由于蘇教版“離子反應”的教學內容放在“鈉及其化合物”的章節后面，學生比較熟悉酸、堿、鹽間復分解型的反應，因此，教學中選取學生熟悉的 CaCl2、CaSO4、CaCO3，符合高一學生對復分解型離子反應發生條件的基本認識。通過對離子反應的定量、定性實驗分析，發現離子反應的共同結果：離子的濃度發生了變化。依據離子反應的實驗事實，歸納、提煉出離子反應本質：參加反應的離子其濃度會降低，對于鹽酸制備醋酸無明顯現象變化，利用傳感器定量測量H+變化，使抽象的離子反應“可視化”。

2.教學現狀分析

結合文獻研究和教學實踐，后勇軍［2］運用電導率和pH傳感器測量數據，將抽象的離子反應具體化；姬麗娜［3］通過不同濃度的 CaCl2溶液與 NaOH 溶液反應的實驗現象，初步建立沉淀型離子反應條件的模型，再應用模型分析碳酸鈉溶液中通入CO2和侯氏制堿法的原理，診斷并發展學生用微觀探析預測宏觀現象的能力；李書霞［4］基于學生認識發展的核心概念教學，采用了單元整體教學設計，促進學生認識發展。本節課的教學充分吸收他們的優點，重點關注“離子反應”這一核心概念的正確理解，緊密圍繞“探尋離子反應的本質、發展學生微粒觀”創設驅動性問題，加強課堂的互動與對話交流，外顯學生的思維，促進學科素養和關鍵能力的發展。

二、教學思想及創新點

修訂版課標指出，化學學科理解是指教師對化學學科知識及其思維方式和方法的一種本原性、結構化認識，它不僅僅只是對化學知識的理解，還包括對具有化學學科特質的思維方式和方法的理解。［1］筆者理解的學科理解內涵“要求教師對化學知識進行本原性思考，教學中提煉出適合學生學習的本原性問題，在實踐中實現知識結構化。”在具體教學中，從生活中化學問題（水硬度），抽提出相關的化學知識（CaCl2、 CaSO4、CaCO3的化學性質），利用離子反應實現相互間的轉化，建立離子反應的認識模型，歸納離子反應的共同結果：參加反應的離子，濃度發生變化（降低），即離子反應的本質。圍繞離子反應的發生條件探討2個本源性的知識：①能否用0.001 mol·L-1 Na2SO4溶液沉淀0.001 mol·L-1 Ca2+；②CaSO4水垢的工業去除原理。利用離子反應本源性知識解決鹽酸轉化為醋酸的本源性問題，倒逼學生理解離子反應的本質，即使陌生、復雜的離子反應，只要能夠引起離子濃度的變化，離子反應就可能發生，從而建立離子反應本質的結構化認識。

三、教學目標

（1）通過氯化鈣溶液與碳酸鈉溶液的反應，建立離子反應的思維模型。

（2）通過水垢的分析和處理，利用離子反應解決實際問題，從而實現物質轉化。使學生的思維向著主動思考、深度學習的方向努力，同時感受化學學科的價值，培養學生的社會責任。

（3）通過模擬碳酸鈣水垢的形成，引導學生思考實現思維進階，對于復雜的離子反應要依據客觀事實，并感受離子方程式的守恒思想。

四、教學流程

基于以上認識，設計“離子反應”教學流程見表1。

五、教學實錄

環節一：沉淀CaCl2

【情境引入】生活中常會遇到這樣的現象：茶壺使用久了會形成水垢、洗衣服時不易起泡沫。這主要是由水的硬度引起的。形成水硬度的主要化學物質有鈣鎂的氯化物、碳酸鹽、硫酸鹽等。牛奶加工企業排出的污水中有含量較高的氯化鈣，勢必會增大水的硬度，水的硬度太大則會引發心腦血管相關的疾病。

【教師提問】如何除去廢水中的含量較高的CaCl2？【學生回答】加入Na2CO3沉淀CaCl2。

【教師實驗】固體 CaCl2、固體Na2CO3混合時，卻無明顯變化的原因？（見圖1）

【學生回答】固體無自由移動的離子，改用Na2CO3溶液沉淀CaCl2。

【學生實驗，匯報現象】實驗裝置如圖2所示。

【實驗現象】兩溶液混合后產生白色沉淀。

【教師追問】為什么Na2CO3溶液和CaCl2溶液混合后產生白色沉淀？

【學生回答】Na2CO3溶液中有自由移動的Na+、CO3（2）-、CaCl2水溶液中有自由移動的Ca2+、Cl-。當兩溶液混合時，自由移動的CO3（2）-與Ca2+結合成CaCO3沉淀。

【PPT】動畫模擬CaCO3的形成過程（見圖3）。

【教師追問】如何用化學符號表示形成過程呢？

【學生活動】CO3（2）-+ Ca2+=CaCO3↓

【教師提問】這就是今天要探討的離子方程式，那么離子方程式與化學方程式有何區別？

【學生回答】離子方程式是用實際參加反應的離子符號來表示的式子。

【教師追問】如何證明Cl-不參加離子反應？

【學生回答】取10 ml 0.001 mol·L-1 Na2CO3溶液和10 ml 0.001 mol·L-1 CaCl2溶液充分反應后的上層清液，先加硝酸酸化后再加硝酸銀，產生白色沉淀。

【教師設問】當用Cl-離子傳感器檢測Cl-離子濃度時，為什么測得c（Cl-）降低？（實驗裝置及結果見圖4）

【學生回答】加入的 Na2CO3溶液起稀釋作用，使c （Cl-）降低。

【教師追問】如何解決這個問題？

【學生回答】改加Na2CO3固體或做對照實驗。【PPT】對照實驗結果見圖5。

【教師設問】能否用Na2SO4沉淀CaCl2？

【PPT】常溫下，CaSO4的溶解度0.114 g；碳酸鈣的溶解度是0.000529 g。

A組試劑：飽和Na2SO4溶液、飽和CaCl2溶液

B組試劑：0.001 mol·L-1 Na2SO4溶液和0.001 mol·L-1 CaCl2溶液。

【學生實驗，匯報現象】見圖6。

【實驗現象】A組有白色沉淀，B組無現象。

【教師設問】相同的試劑，為什么產生不同的實驗現象？

【學生回答】飽和溶液中SO4（2）-、Ca2+濃度大，能形成CaSO4沉淀，若離子濃度為0.001 mol·L-1，則無法形成沉淀。

【師生歸納】微溶物作為產物時，發生離子反應的條件：溶液中某些離子濃度超過對應物質的溶解程度時，就會產生沉淀。

環節二：去除CaCO3、CaSO4水垢

【教師設問】廢水中的 CaCl2只會增大水的硬度，而水垢的主要化學成分是 CaCO3、CaSO4等，水垢在加熱時易形成，分析可能原因？

【學生回答】溫度升高，CaCO3和 CaSO4的溶解度下降，且加熱時隨著水分蒸發形成過飽和溶液而析出。

【PPT】CaCO3和 CaSO4的溶解度隨溫度變化曲線的變化（見圖7）。

【教師設問】由于水垢的導熱性能很差，會導致鍋爐受熱不均而發生爆炸，如何去除CaCO3水垢呢？

【學生回答】鹽酸、醋酸（部分學生認為硫酸也可以）

【學生活動】CaCO3+2H+=Ca2++ CO2↑+ H2O （鹽酸）

CaCO3+2CH3COOH=2CH3COO-+ Ca2++CO2↑+ H2O （醋酸）

【教師追問】為什么醋酸寫成分子式的形式？

【學生回答】醋酸是弱酸，在水中不能完全電離，主要以分子的形式存在于水溶液中。

【PPT】鹽酸、醋酸電離程度比較（見圖8）。

【教師設問】相同濃度的鹽酸酸性比醋酸強，能否把鹽酸轉化為醋酸？

【學生回答】可以用鹽酸制備醋酸，因反應符合“強酸制弱酸”的化學反應原理。

【教師追問】鹽酸能與醋酸銨（CH3COONH4）發生反應？

【PPT】pH=-lg c（H+），乙酸銨（CH3COONH4）溶液顯中性。

【學生討論】鹽酸與醋酸銨發生反應無現象，需要定量測量鹽酸中 H+的濃度即溶液的pH值，為了避免水稀釋引起 pH 值變大的干擾，選擇添加乙酸銨（CH3COONH4）固體。（設計的實驗方案見圖9，實驗測得的pH變化見圖10）

【教師實驗】

【教師追問】為什么不能用硫酸去除 CaCO3水垢？

【學生回答】硫酸與 CaCO3發生反應生成微溶性的CaSO4，而CaSO4覆蓋在CaCO3的表面會阻止反應的進一步進行。

【教師設問】水垢中的CaSO4為什么用鹽酸難以去除？

【學生回答】不符合復分解反應的判斷依據：無沉淀、氣體、弱電解質生成。

【PPT】工業除CaSO4水垢流程：

【學生活動】寫出CaSO4水垢用飽和Na2CO3溶液浸泡時的離子方程式

CaSO4+ CO3（2）-=CaCO3+SO4（2）-

【教師追問】該復分解反應能發生的原因？

【學生回答】CaCO3更難溶，化學反應要向著離子濃度降低的方向進行。

【教師設問】CaSO4水垢是水中 Ca2+和 SO4（2）-結合形成的，那么CaCO3水垢是如何形成的？

環節三、模擬CaCO3水垢的形成

【教師展示資料】天然水中含有 Na+、Ca2+、Mg2+、 Cl-、HCO3（-）、SO4（2）-（少量）等。

【教師設問】根據天然水的成分，分析形成 CaCO3水垢需要的微粒？

【學生回答】Ca2+和HCO3（-），但有相當一部分學生認

為Ca2+和HCO3（-）不能發生離子反應。

【教師提示】請大家根據提供的藥品，驗證反應能否發生。

【學生實驗，匯報現象】實驗裝置如圖11。

【學生現象】先產生白色沉淀，隨后有氣泡生成。

【教師實驗】二氧化碳傳感器確定氣泡的成分，實驗裝置及結果見圖12。

【學生活動】根據實驗現象，寫出 CaCO3水垢形成的離子方程式？

Ca2++2HCO3（-）=CaCO3↓+ CO2↑+ H2O

【教師追問】如何確定產物H2O？

【學生回答】原子守恒。

【師生歸納】離子方程式遵循電荷守恒，陌生的離子反應要尊重客觀事實。

【課堂小結】板書設計見圖13。

【教師結語】本節課學習了含鈣物質引起的水硬度，探討了CaCO3、CaSO4水垢的去除方法。其實，水垢中還有 Mg（OH）2，Mg（OH）2是如何形成又該如何去除，今后會繼續學習。

五、教學反思

本節課利用牛奶企業排出的廢水有含量較高的氯化鈣這一真實情境問題，設置“沉淀廢水中 CaCl2”這一驅動性問題幫助學生從微觀角度分析反應，建立離子反應的書寫思路。對比濃度均為0.001 mol·L-1CO3（2）-、SO4（2）-沉淀0.001 mol·L-1 Ca2+時產生不同的實驗現象，體會離子反應的發生可以通過濃度來調控，同時解決了SO4（2）-和Ca2+在溶液中能否大量共存問題。

以“CaCO3、CaSO4水垢的去除方法”為問題線，“CaCO3、CaSO4”的性質為知識線，體會離子方程式書寫時要用物質的主要存在形式來表示，通過鹽酸和固體醋酸銨的反應，實現復分解型離子反應條件的進階：沉淀、氣體、弱電解質。對于無明顯現象的反應，學生能自覺、主動地設計定量的實驗方案。

總之，利用“水硬度”這條情境線將化學知識的學習遷移到生活實踐中，串聯起離子反應中一些零散的知識點，避免了知識的碎片化，注重“從本質上分析微粒間的相互作用”，弱化“寫拆刪查”等技能性的訓練，促進學生科學素養和關鍵能力的發展，但可能對基礎薄弱的學生還需要練習鞏固，因為他們很難一下子脫離化學反應方程式。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）［S］.北京：人民教育出版社，2018.

［2］后勇軍.運用電導率和pH傳感器探究離子反應［J］.實驗教學與儀器，2021（6）：35-36.

［3］姬麗娜.基于“模型認知”素養導向的高中化學教學設計［J］.教師通訊，2021（14）：81-82.

［4］李書霞.基于學生認識發展的核心概念教學——以“電離和離子反應”為例［J］.基礎教育課程，2022（12）：54-60.