基于調(diào)控思想建構化學反應認知模型

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1教學內(nèi)容分析

《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出要引導學生多視角認識化學反應，結合實例認識合理利用、調(diào)控化學反應的重要性[1]。這說明研究化學反應應包含認識化學反應、調(diào)控化學反應、體現(xiàn)學科價值三個維度。其中調(diào)控化學反應是將反應原理轉(zhuǎn)化為學科價值的重要手段?；谝陨险J識，筆者嘗試建構“認識-調(diào)控-價值”認知模型，使化學反應的認識過程結構化和具有可遷移性?！爸泻头磻边x自人教版義務教育化學教科書第十單元課題2，是以酸和堿的性質(zhì)為基礎的一類化學反應，主要內(nèi)容包括：認識中和反應及其本質(zhì)，了解其在生活生產(chǎn)中的應用。在教材實驗10＼～15中，“慢慢滴人”“恰好變成無色”等都蘊含著調(diào)控思想，在運用中和反應原理解決實際問題時也都需要定量調(diào)控?？梢?，中和反應是基于調(diào)控思想建構認知模型的重要載體。

目前已有很多教師針對“中和反應”這一主題做了不同的教學嘗試，比如設計冰醋酸或草酸與NaOH固體反應的創(chuàng)新實驗證明水的生成，設置驅(qū)動性問題鏈進行深度探究來發(fā)展高階思維[3]，借助數(shù)字化手段認識反應過程中的 ΔpH 變化4等。這些教學設計都能幫助學生理解中和反應，發(fā)展證據(jù)推理能力，但也存在如下不足：（1）已有數(shù)字化實驗均單指中和反應的微觀特征，未能從宏微結合視角辨識水的生成；（2）已有教學研究大多只停留在認識中和反應原理的層面，沒有發(fā)展“合理調(diào)控才能創(chuàng)造價值”的觀念并建構認知模型，不利于學生的遷移應用以及學科認知方式的發(fā)展。

2 教學設計思路

2.1 創(chuàng)設氣-固反應體系，開展數(shù)字化實驗

鹽酸和NaOH溶液反應沒有明顯現(xiàn)象，難以從宏觀視角辨識水的生成。本課例創(chuàng)新設計了由HCI氣體和NaOH固體組成的氣-固反應體系，利用相對濕度傳感器表征水的生成，形成對中和反應本質(zhì)的宏觀認識，同時針對相對濕度數(shù)據(jù)進行深度探討，深化學生對中和反應本質(zhì)的理解。該數(shù)字化實驗精準應對了“有水生成”這一“隱”點，并將隱點轉(zhuǎn)化成了發(fā)展學生邏輯思維、創(chuàng)新精神和證據(jù)推理能力的著力點。

2.2發(fā)展調(diào)控意識，建構認知模型

本課例融合中和反應應用實例，創(chuàng)設一系列實驗探究活動，引導學生運用類比、歸納、推理等科學方法，形成“初步認識中和反應 $$ 系統(tǒng)認識中和反應 $$ 運用反應原理”的認識線和“發(fā)展調(diào)控意識 $$ 制定調(diào)控策略 $$ 運用調(diào)控策略”的調(diào)控線?；谡J識發(fā)展調(diào)控，基于調(diào)控創(chuàng)造價值，最終逐步建構“認識-調(diào)控-價值”中和反應認知模型，其建構過程見圖1。

3 教學目標

（1）結合數(shù)字化手段，通過常見酸堿反應的實驗探究，發(fā)展運用對比、分析、歸納、推理等科學方法認識中和反應的能力。能正確闡述中和反應的本質(zhì)。

（2）通過對應用中和反應解決真實問題原理的分析，發(fā)展化學反應調(diào)控意識。能正確利用中和反應原理定量調(diào)控溶液酸堿度，體會中和反應的應用價值，建構和完善“認識-調(diào)控-價值\"認知模型。

（3）通過應用認知模型解決實際問題，發(fā)展遷移能力，感受化學學科對社會可持續(xù)發(fā)展的重要價值，培養(yǎng)社會責任和擔當。

4教學流程

教學流程見表1。

5教學實錄

5.1結合實例，初建模型

[播放視頻]某胃藥廣告。

[師]展示胃藥包裝盒（圖2）。胃酸的主要成分是什么？胃藥中哪種成分能治療胃酸過多？它屬于什么類別的物質(zhì)？

[生]胃酸主要成分是鹽酸，胃藥中的Al（OH），可以治療胃酸過多，它是一種堿。

［演示實驗]模擬治療胃酸過多的對比實驗——將藥片分別加入到等體積水、稀鹽酸中，見圖3。

[師]觀察到什么現(xiàn)象？得出什么結論？

[生]胃藥在水中不溶解，但在稀鹽酸中消失了，說明發(fā)生了反應。

[師]請同學們尋找胃藥包裝盒中關于“用量”的說明。如果未按規(guī)定用藥，可能會有什么影響？

[生]成人一次1粒，一日3次。

如果不按規(guī)定用藥，服用過多會導致沒有足量胃酸來消化食物；服用過少會仍然存在胃酸過多的癥狀。

[師]很好。這說明運用化學原理解決實際問題時，需要通過定量調(diào)控來發(fā)揮其價值，概括如圖4所示。

5.2深度探究，完善模型

5.2.1 認識中和反應（1）多組實驗，發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

[師]用于治療胃酸過多的Al（OH），能用其他的堿代替嗎？酸和堿的反應是否具有普遍性呢？

[學生實驗]探究不同的酸和堿的反應，記錄實驗現(xiàn)象。

[追問]第2組實驗沒有明顯現(xiàn)象，有什么方法可以判斷反應是否發(fā)生了呢？

［生]指示劑。

[學生活動]完善實驗設計并記錄，見表2。

[評價]稀鹽酸和NaOH溶液反應的特征：

看似風平浪靜，實則暗流涌動；

若要一探究竟，還需善假于物。（“物”指酸堿指示劑）

[師]通過以上實驗總結，判斷化學反應能否發(fā)生有哪些角度？

[學生活動]思考、歸納。

[生]可以從反應物消耗和新物質(zhì)生成兩個角度判斷。對于沒有明顯現(xiàn)象的化學反應，可借助其他檢驗試劑顯性化。

[師]以上事實隱約顯現(xiàn)了酸堿反應有共性。雖然探究所有酸堿反應并歸納概括其共性是無法做到的，但通過對有限事例的本質(zhì)探究，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律并加以推演是可行的。

（2）宏觀視角辨識產(chǎn)物。

[師]上述第1組實驗生成的白色沉淀為 BaSO₄ ，可推測另一產(chǎn)物為 H₂O 。那么，稀鹽酸和 ΔNaOH 溶液反應的產(chǎn)物是什么呢？

[生]根據(jù)質(zhì)量守恒定律，猜測產(chǎn)物是NaC1和H₂O， 。

[師]第2組實驗得到無色溶液，直觀上NaCl溶于水并不可見，生成的 H₂O 雖可見，但反應前溶液也含有H₂O 。怎樣設計實驗證明生成了水呢？

[學生活動]思考、討論。

[生1稱量反應前后水的總質(zhì)量，若總質(zhì)量增加，說明生成了水。

[教師評價]理論上看這個思路可行，但是需要把水分離出來借助天平稱量，較為繁瑣。

[師]由于稀鹽酸和NaOH溶液中都有大量的溶劑水，干擾我們對生成的水的觀察。能不能設計一種實驗方案，直接“看見”生成的水呢？

[生2]把NaOH溶液換成NaOH固體，稀鹽酸換成 HCl氣體。

[教師評價]充分肯定學生這一創(chuàng)新思維。

[實驗用品]HCI氣體、NaOH固體、圓底燒瓶、相對濕度傳感器、鐵架臺等。

[演示實驗]向充滿HCI氣體的圓底燒瓶中快速加入少量NaOH固體，塞緊塞子，如圖5所示。

[師]請同學們認真觀察并梳理實驗現(xiàn)象，見圖6、圖7。

[生]瓶內(nèi)有白霧生成，固體粘在圓底燒瓶內(nèi)壁，相對濕度增大都說明生成了 H₂O;NaOH 片狀固體表面生成“花椰菜”狀固體，說明生成了 NaCl 。

[小結]在宏觀視角下，我們可以借助反應現(xiàn)象、可視化數(shù)據(jù)等認識中和反應。

（3）微觀視角認識本質(zhì)。

[師]在酸和堿反應過程中，水是如何生成的呢？

[演示實驗]向NaOH溶液中滴加稀鹽酸，利用pH傳感器測定 ΔpH 變化，見圖8。

[師]從pH變化曲線可推知，反應過程中 OH^- 與 H^* 結合生成了 H₂O 。

[播放視頻] ΔNaOH 溶液和稀鹽酸反應的微觀過程。

[生]在水溶液中， ΔNaOH 解離出 Na⁺ 和 OH^- ，HCl解離出 H⁺ 和 cl^- 。反應本質(zhì)是 H⁺ 和 Ω_oH- 結合生成 H₂O 而 Na⁺ 和 Cl^- 并沒有結合。

[師]事實上氣態(tài)HCI是以分子形式存在的，只有在水的作用下才能解離出 H⁺ 和 cl^- 。在之前的實驗中，固態(tài)NaOH和氣態(tài)HCl又為何能夠發(fā)生反應呢？

[再次展示]相對濕度變化曲線。

[生]反應開始前相對濕度不為0，說明體系中含有少量的水。

［師]分析正確！正是由于少量水的存在，使得HCl能夠解離出 H⁺ 和 cl^- 。加上NaOH固體具有吸水性，其表面相對濕潤，為 H⁺ 和 Ω_oH^- 的結合創(chuàng)造了有利條件，反應得以進行。同時，生成的水又能促進反應繼續(xù)進行。

[小結]符號表征： HCl+NaOH=NaCl+H₂O □

（4）總結規(guī)律。

[學生活動]回顧酸和堿的定義及其結構特征，認識到組成結構的相似性決定了性質(zhì)的相似性。類比寫出本節(jié)課涉及的其他酸和堿反應的化學方程式：

3HCl+Al（OH）₃=AlCl₃+3H₂O H₂SO₄+Ba（OH）₂=BaSO₄↓+2H₂O

[師]酸和堿反應都生成了鹽和水，這類反應屬于中和反應。

[學生活動]觀察 NaCl，AlCl₃ 和 BaSO₄ 在組成上的共同特征，歸納出“鹽”的概念。

［小結］中和反應：酸 + 堿一 $$ 鹽 + 水。本質(zhì)： H⁺+ OH^-?H₂O 。

[追問]既然酸和堿反應具有普遍性，用于治療胃 酸過多的 Al（OH）₃ 能否換成NaOH呢？

[生]不能。NaOH堿性太強，有腐蝕性。

[師]利用化學原理解決實際問題時，同時要考慮物質(zhì)自身性質(zhì)。

（5）定量分析成分

[師]回顧本節(jié)課的第2組實驗，稀鹽酸和NaOH溶液反應得到無色溶液，其溶質(zhì)成分是什么呢？

[生］一定有NaCl，可能還有HCl。

[學生實驗]探究溶質(zhì)成分。

[實驗材料]儀器：試管、膠頭滴管、鑷子。

試劑：紫色石蕊溶液、鎂條、大理石。

[學生活動]設計實驗方案，進行實驗探究，并將對應的現(xiàn)象、結論填入表3中。

[師]實驗方案的選擇應基于什么原則？

［生]圍繞著“鹽酸是否存在”，即以酸的性質(zhì)為準則。

[師]向NaOH溶液中滴加稀鹽酸的過程中，溶質(zhì)成分是如何變化的？結合圖 8pH 曲線中的a、b、c點進行闡述。

[生]a點 pHgt;7 ，酸少量，溶質(zhì)成分為NaCl、 NaOH;b點 pH=7 ，酸恰好，溶質(zhì)成分為NaCl；c點 pHlt;7 ，酸過量，溶質(zhì)成分為NaCl、 。

[小結]酸或堿的用量不同，導致溶液的酸堿性不

同，溶質(zhì)成分也不同。

[師]請同學們總結中和反應的探究思路以及認識視角。

[生]思考、交流。

[師］概括同學們的觀點：

能反應 思路 認識 視角 -宏觀中和反應成分確定 微觀

5.2.2調(diào)控中和反應，體會學科價值（1）探究調(diào)控策略。

［師]治療胃酸過多時，服用胃藥后胃液中仍有胃酸剩余，即酸過量， pHlt;7 。而處理堿性廢水時，需要酸堿恰好完全反應， pH=7 。如何調(diào)控酸堿恰好完全反應呢？

用稀鹽酸和NaOH溶液的反應來模擬堿性廢水的處理過程。提出問題：

酸和堿采用哪種方式混合？如何調(diào)控酸和堿反應的程度？

引導學生從儀器、試劑的選擇以及操作等層面思考調(diào)控方法。

［學生活動]對比原實驗裝置，探究調(diào)控方案并繪制實驗裝置圖，見圖9。

[師]評價學生繪制的裝置圖，見圖10。

[學生實驗]處理堿性廢水的模擬實驗。設計實驗方案并記錄，見表4。

[實驗材料]儀器：燒杯、膠頭滴管、玻璃棒。

試劑：稀鹽酸、 ΔNaOH 溶液、酚酞溶液。

[師］“溶液瞬間變?yōu)闊o色”說明了什么？

[生]變色很突然，稀鹽酸容易過量。

[師]為了更好地控制用量，應該怎么調(diào)控滴加速率？

[生]先快后慢。

[師]以上調(diào)控過程，我們既考慮了用量的問題，又考慮了速率的問題。請同學們總結中和反應的調(diào)控策略。

[生]思考、交流。

[師]概括同學們的觀點：

定量一 一指示劑視角 調(diào)控 方法 儀器中和反應

速率 操作

（2）完善認知模型。

[師]基于對中和反應的認識，通過調(diào)控中和反應才能體現(xiàn)其價值。

[學生活動]結合認識與調(diào)控中和反應的一般思路、視角與方法，小組合作，以思維導圖的形式繪制“認識-調(diào)控-價值\"認知模型。

[生]討論、繪制并展示。

[師]評價思維導圖，修正、補充，最終呈現(xiàn)完整的認知模型，如圖11所示。

5.3拓展遷移，應用模型

[師]農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，常常需要改良酸性土壤（假設土壤中的酸為硫酸）以適應作物生長。請同學們選擇合適的改良試劑并簡述理由，制定調(diào)控方案。

[生]試劑選擇：熟石灰。理由：能與酸發(fā)生中和反應，且成本低、腐蝕性低。

化學方程式： Ca（OH）₂+H₂SO₄=CaSO₄ +2H₂O ;

調(diào)控方案：查閱適宜農(nóng)作物生長的土壤 pH 范圍。測定土壤 ΔpH 。

少量多次，均勻撒入，翻耕土壤，實時監(jiān)測pH。

［總結]本節(jié)課，我們進行了一系列探究活動，逐步建構了“認識-調(diào)控-價值”中和反應認知模型。從中我們發(fā)現(xiàn)，學科知識的價值體現(xiàn)首先要基于對物質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律的認識，進而才能實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的調(diào)控。研究化學反應通常有“化學反應認識-化學反應調(diào)控-學科價值體現(xiàn)”三個領域的內(nèi)容。三者的相互關系可概括如圖12所示。

通過建構化學反應認知模型可以實現(xiàn)知識的結構化，在今后的學習中，我們可以將其作為學習工具加以利用，以提高學習效果，更好地解決化學問題。

[課后作業(yè)]結合以往所學的化學反應，嘗試利用“認識-調(diào)控-價值”認知模型梳理知識體系，進一步完善認識與調(diào)控視角。

［板書設計]通過以上課堂活動，逐漸呈現(xiàn)出如下的知識結構圖，見圖13。

6 教學效果與反思

（1）數(shù)字化實驗是認識中和反應的重要手段。本課例中，在學生認識 H⁺ 和 Ω_oH^- 結合生成 H₂O 后，教師追問“固態(tài)NaOH和氣態(tài)HCl為何能夠發(fā)生反應\"引發(fā)認知沖突，促使學生關注相對濕度數(shù)據(jù)并深度思考。

中和反應宏觀酸+ 堿 → 鹽+水

認識 微觀 （H+ OH → HO）視 ↑ 配 （定量） 恰好無色

調(diào)控方法 攪操作指示劑 現(xiàn)象

價值治療胃酸過多、處理酸（堿）性廢水、改良酸性土壤等

這一過程啟發(fā)了學生要保持嚴謹求實的態(tài)度，抓住本質(zhì)看問題，在問與答的互動中，學生的質(zhì)疑與批判、分析與推理等高階思維得以發(fā)展。此外，實驗中出現(xiàn)的“白霧”“花椰菜”狀固體等現(xiàn)象，也使學生感嘆化學的奇妙，激發(fā)了學習興趣。

（2）本課例注重發(fā)展反應調(diào)控意識?；谡{(diào)控思想的實驗探究不僅提升了學生對中和反應的認識水平，也與高中的中和滴定相銜接。從中抽提出的定量和速率調(diào)控新概念也為學生高中階段進一步認識化學反應速率以及調(diào)控化學反應作了鋪墊。

（3）本課例注重“認識-調(diào)控-價值”認知模型的遷移拓展。本節(jié)課后，教師引導學生借助認知模型梳理已學過的化學反應。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大部分學生已初步形成“調(diào)控創(chuàng)造價值”的觀念，如利用雙氧水分解制取氧氣時，可以通過改變雙氧水濃度及催化劑等調(diào)控反應速率；利用燃燒反應取暖或做飯時，可以通過改變氧氣濃度和可燃物接觸面積來調(diào)控劇烈程度等。在以后的教學中，教師將進一步引導學生借助該認知模型研究化學反應，解決實際問題，發(fā)展核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1］中華人民共和國教育部制定.義務教育化學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：7，27～29.

［2］王永臻，丁玲杰，李德前．對初中化學“中和反應\"實驗的分析與創(chuàng)新[J].化學教學，2020，（4）：54～57.