基于四重表征的觀念建構“離子反應”教學

馬民　許宏生　李平均

“離子反應”是中學化學的核心概念，其體現了“微粒觀”和“變化觀”2個學科基本觀念，也是發展學生“宏觀辨識與微觀探析”等學科核心素養的重要知識載體。究其內涵，就是要學會從離子視角看酸堿鹽在水溶液中的化學反應及其發生條件，明確宏觀現象的背后必然有其微觀本質，歸納出物質及其變化的共性和特征。所以能否從離子視角認識化學反應是構建“微粒觀”及“變化觀”的關鍵。“四重表征”模式對本課題的意義在于，能夠深化學生對于該概念的認識和理解，以便于學生對上述觀念的自主建構。

一、教學主題分析

“離子反應”選白山東科技出版社普通高中教科書化學必修第一冊第二章第二節“電解質”，是在完成第1課時時“電解質的定義，電離過程的認識及其電離方程式表達”教學后的第2課時新授課。該節課的內容是在學生學習完復分解反應、電解質溶液等知識的基礎上，進一步把認識視角從宏觀現象深入到微觀本質，并為后續選擇性必修一“水溶液中的離子反應與平衡”的進一步學習提供一個重要的認識視角和分析模型，最終初步建構起“微粒觀”和“變化觀”。

二、教學思想與創新點

從微觀角度分析溶液中物質微粒的存在狀態、微粒問的相互作用及其作用結果，形成用微觀實質解釋宏觀現象及從宏觀現象推測微觀實質的思維路徑，逐步建立微粒觀的過程也有利于促進學生宏觀辨識與微觀探析的素養發展。與此同時，進一步認識“離子反應及其發生的條件”是“變化觀念”學科素養的核心知識內容，豐富對化學反應的認識角度。

具體創新點主要包括3點：

1.教學環節上，采用“問題——探究——驗證”的進階式學習方式。從探究“自動充氣加油棒”的充氣原理的環節，發現并認識“離子反應”及其本質的符號表達——“離子方程式”；再到整合教材中的2個“交流·研討”活動，學生分組探究復分解型離子反應發生的條件，學生經歷觀察、分析、歸納、表達的思維過程；最后的驗證性實驗“醋酸鈉與稀鹽酸的反應是否為離子反應”，既鞏同新知，又實現了實驗中的思維進階。

2.教學模式上，“宏-微-符-曲”四重表征模式的運用，可以從宏觀、微觀、符號、曲線多個角度全面認識“離子反應”，特別是拼插小球的微觀模擬實驗，讓學生親身體驗酸堿鹽的解離過程；pH傳感器實驗有利于把抽象無形變為具體可視化。

3.能力提升上，挑戰性學習任務“如何證叫醋酸鈉與稀鹽酸反應為離子反應”的設計，改變在實驗中注重動手但缺乏思考的現狀，拓展對離子反應發生條件的認知，學生通過分析、評價、證實等高水平思維活動，實現深度學習。

三、教學目標

1.通過對“自動充氣加油棒”的充氣原理的探究，發展對離子反應本質的認識進階。

2.通過初步探究離子反應發生的條件，分析實驗現象背后的微觀本質，發展微觀探析與科學探究素養水平。

3.通過“醋酸鈉與稀鹽酸的反應是否為離子反應”這一高水平的實驗探究活動。強化對變量控制方法的運用，加強在實驗過程的思考，培養探索精神，初步發展高階思維。

4.通過3個連續進階的活動，逐步建立微觀的離子視角，在此基礎上構建初級的“微粒觀”及“變化觀”。

四、教學實錄

1.宏微結合，符號表征

[實物導入]展示學生平時開運動會或者舉辦班級活動時用到的“自動充氣加油棒”。

[交流]多數學生都見過及使用過這種自動充氣加油棒，并找一位學生演示如何充氣，在加油棒的一端有一個水包，用力擠壓水包，壓破即能快速得到大量氣體，學生對里面是什么氣體感興趣。

[展示]為學生解剖加油棒，發現內部構造，里面實際上是NaHCO3粉末和檸檬酸溶液。

[提問]根據配料組成，應該會產生什么氣體？

[回答]應該是CO2氣體。

[追問]如何檢驗呢？

[分組實驗1]（現場教學中考慮到實驗室藥品配備，用稀鹽酸代替檸檬酸，模擬加油棒中的反應）學生依據初中實驗室檢驗CO2氣體的方法分組實驗。

[提問]觀察到什么現象？反應的化學方程式應該如何書寫？

[回答]試管中有大量氣體生成，該氣體能使澄清石灰水變渾濁。化學方程式為：

HCl+NaHCO3=NaCl+CO2↑+H2O

[微觀模擬實驗]用白球表示氫離子，綠球表示氯離子，黑球表示碳酸根離子，黃球表示鈉離子，學生分組分析、討論，動手拼插小球，微觀模擬反應時微粒的變化。

[提問]請一位小組代表描述下微觀模擬實驗過程，說一說每種微粒都發生了怎樣的變化？

[回答]Na+和Cl-在混合前后數目并沒有變化，HCO3-與H+結合生成了H2CO3分子，其不穩定分解成CO2和H2O（如圖1所示）。

[導出概念1]像這樣在溶液中有離子參加的化學反應，就叫做離子反應。

[引導]同學們已經描述出微觀過程，發現了該反應的本質，我們能不能把這種微觀本質（用離子方程式的形式）表達出來？

[學生]嘗試書寫離子方程式。

[教師]檢查學生書寫結果，給出最佳答案：

H++HCO3-=CO2↑+H2O

[導出概念2]用實際參加離子反應的離子符號表示該離子反應的式子，叫做離子方程式。

[提問]離子方程式與化學方程式做比較，有什么特點？

[回答]更簡潔，更微觀本質。

設計意圖利用真實有趣的情境，激發學生的探究興趣，并在實驗探究中學習離子反應和離子方程式概念。

2.分組實驗，探究新知

[提問]酸堿鹽在水溶液中混合都能發生離子反應嗎？離子之間要發生離子反應需要滿足什么樣的條件？帶著這2個問題，請同學們完成表1所列5組實驗。

[學生總結]離子反應發生的條件應該為：有沉淀、氣體和水生成。

[教師引導]大家再從離子的種類和數目的變化情況去分析，離子反應有哪些特點？

[回答]有些離子的數目在下降。

[追問]第2組實驗中溶液體系的Ca2+數目降低了嗎？

[講解]（因學生描述不準確，所以教師講授）我們可以認為反應體系中，某種或某些離子的數目發生了改變，由于以上反應體系的體積幾乎不變，所以也可以說濃度發生改變。

[教師概括]通過上節課電解質的學習，水是一種弱電解質，所以從宏觀角度：有難溶的物質、有難電離的物質、有易揮發的物質生成，概括為“兩難一易”；從微觀角度：應該有某種或者某些離子的濃度發生了改變。

[教師闡明]離子反應發生的條件好像也是復分解反應發生的條件，實際上我們初中學習的復分解反應都屬于離子反應，但離子反應不僅僅只包括復分解反應。

[過渡]上一個環節中，大家已經了解了離子方程式可以描述離子反應的微觀本質，請大家把分組實驗中的4個離子反應的本質用離子方程式書寫出來。

[學生]書寫難度較大，學生分組討論并完成。

[教師檢查并指導]在第2、3兩個離子方程式的書寫有近一半學生出現錯誤。提出離子方程式書寫的原則——符合實際。所以需要注意的是，一是要明確反應物和生成物在溶液中的主要存在形式，二是要注意微粒間的數量關系。

設計意圖 探究離子反應發生條件；體驗化學學科實驗探究的典型過程：宏觀辨識——微觀探析——符號表征；進一步掌握離子反應的本質的符號表征。

3.曲線表征，思維進階

[資料]醋酸鈉，分子式為CH3COONa。無水乙酸鈉為無色透明結晶體，熔點為324℃。易溶于水，可用于作pH調節劑。能與稀鹽酸反應，化學方程式為：

CH3COONa+HCl=CH3COOH+NaCl

[提問]這個反應屬于離子反應嗎？如何證明？提示從上一環節探究的離子反應發生條件出發。

[學生1]生成的醋酸是易揮發的，應該能聞到醋味。

[學生2]醋酸是弱酸，屬于難電離的弱電解質。

[學生3]鹽酸是強酸，醋酸是弱酸，混合后的酸性會發生變化。

[追問學生3]酸性發生了什么變化？何以證明其酸性發生變化了？

[學生3]H+濃度減小了，酸性應該降低。可以使用pH試紙檢測，溶液的pH應該變大。

[教師評價]學生1和2能從宏觀角度思考離子反應的條件，學生3從微觀的離子視角證明H+濃度發生改變。

[過渡]以學生3的回答為基礎，設計驗證實驗，為了使溶液的pH變化可視化，使用pH傳感器。

[演示實驗1]向裝有50mL0.5mol/L稀鹽酸的燒杯中（配以磁力攪拌器和攪拌子）加入50mL0.5mol/L CH3COONa溶液，觀察pH曲線的變化（如圖2所示）。

[提問]pH曲線中值變大，說明H+減小，證明該反應是離子反應嗎？

[學生質疑]如果2種溶液不反應，混合后對于稀鹽酸來說，pH也會變大。所以不足以證明。

[追問]有沒有改進的方案？

[回答]可以做一個對照實驗。向裝有50mL0.5mol/L稀鹽酸的燒杯中加入50mL蒸餾水，再測一測pH的變化。

[講解]也就是說，pH變化的原因需要排除溶液混合時稀釋的影響，不能排除時，需要做一組對照實驗。

[演示實驗2]向裝有50mL 0.5mol/L稀鹽酸的燒杯中（配以磁力攪拌器和攪拌子）加入50mL蒸餾水，觀察pH曲線的變化（如圖3所示）。

[提問]通過2組對照實驗的曲線變化，證明該反應是離子反應嗎？

[回答]可以證明，因為通過對比，發現2種溶液混合后pH的增大（H+濃度減?。┎皇窍♂尩脑蛟斐傻模厝痪褪前l生了離子反應。

[教師]請同學們把此離子反應的離子方程式書寫出來，進一步練習書寫。

設計意圖驗證離子反應的發生條件，強化證據意識；通過數字化實驗將離子濃度的變化以曲線形式呈現，實現離子反應的微觀可視化；同時在設計對照實驗的過程中，強化變量控制意識。

[課后作業]近期，有不少市民反映燒水時產生的水垢太多。據了解，我們生活中使用的自來水的水源基本上是地表水。那如何除去或者減少水中鈣鎂離子的濃度呢？

請同學們課下認真設計實驗方案——《自來水中的鈣鎂離子除雜方案》。

設計意圖

簡單設計除雜方案，一是應用實踐，二是為下節內容離子反應的應用做鋪墊。

五、教學效果

該本案例設計的3個活動均圍繞著離子反應這個核心概念和離子方程式的書寫，其中第1個以生活情境引入突出了離子反應核心概念，使學生體會到離子反應在實際生活中的應用；第2個活動給學生足夠的時間和空間進行探究活動，培養了學生的“宏觀辨識和微觀探析”核心素養；第3個活動通過較高水平的數字化實驗探究提升了學生的“科學探究與創新意識的”核心素養，3個活動層層深入很好地達成了教學目標要求。整體教學過程采用“宏微符曲”的“四重表征”模式，讓離子反應這個概念更微觀、更本質，可想、可視，具體易理解。從學生的表現來看較好地完成了教學目標，初步體驗了自主構建“微粒觀”及“變化觀”的過程。

基金項目：2022年亳州市教育科學規劃課題“‘三新背景下提升化學教師作業設計能力策略研究”（BZKTLX2022101）

（收稿日期：2024-01-29）