发展初中生化学核心素养的实践与思考

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  根据《中国学生发展核心素养》和《义务教育化学课程标准(2011年版)》,初中化学核心素养具体应包括“变化守恒”“宏微结合”“实验与探究”“绿色应用”“表征符号”“科学精神和社会责任”等方面,概括为化学基本观念、“三重表征”思维、实验探究能力三个基本要素。如何在学科教学中发展学生化学核心素养,是我们化学教育工作者积极思考与实践的热点问题。下面以人教版“酸、碱、盐”教学为例,呈现笔者对这一问题的认识。
  一、建构化学基本观念
  新课程标准强调,义务教育阶段的化学教育“要引导学生认识物质世界的变化规律,形成化学基本观念”。化学基本观念既不是化学知识,也不是化学知识的简单组合,但化学基本观念又不是凭空产生的,它根植于化学知识和化学知识的学习过程之中。具体知识是化学基本观念形成的载体,化学观念是对具体知识的提炼和升华,教学中要以化学基本观念为线索,从“知识为本的教学”转向“观念建构的教学”。
  1.概念形成的过程,培养微粒观、分类观
  【情景1】酸、碱、盐概念的形成过程。
  师:演示盐酸、硫酸,氢氧化钠溶液、氢氧化钙溶液,氯化钠溶液、硝酸钾溶液、氯化钠固体、无水酒精、蒸馏水的导电性实验。
  生:讨论酸、碱、盐溶液能导电的原因。
  师:带电微粒的定向移动形成电流。请从金属导电推测溶液导电的原因。
  师:展示物质离解的微观过程,如图1。
  【问题1】为什么氯化钠固体、无水酒精、蒸馏水不导电?
  生:氯化钠固体中Na+和Cl-相互吸引不能自由移动,无水酒精中酒精分子不带电,水的导电性很弱。
  【问题2】酸、碱、盐电离后一般形成几部分?通过比较,你能归纳概括出酸碱盐的概念吗?
  生:酸电离后形成H+和酸根离子两部分,且阳离子全部是H+;碱电离后形成金属离子和OH-两部分,且阴离子全部是OH-;盐一般电离成金属离子和酸根离子。
  【情景2】探究酸、碱、盐的分类和溶解性。
  师:KCl、K2SO4、KNO3构成中有共同的K+,可以统称为钾盐;Na2SO4、K2SO4、CuSO4构成中有共同的SO42-,称为硫酸盐。
  【问题3】你能从中感悟出盐的分类标准吗?
  生:按照盐电离出的阳离子,盐可以分为钠盐、铵盐、钾盐等;按照盐电离出的阴离子,盐可以分为硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐等。
  师:观察附录Ⅰ酸、碱、盐溶解表,根据物质是否溶于水,盐还可以怎么分类?碱呢?……
  由于在探究酸、碱、盐反应规律时要考虑物质的分类和常见酸、碱、盐的溶解性,因此需要把教材重组,提前学习物质的分类,特别是酸、碱、盐的分类,让学生能从酸、碱、盐的组成特征来区分物质类别,认识部分酸、碱、盐的溶解性表,引导学生根据物质的化学式的微观构成并依据概念辨认酸、碱、盐。
  2.类比、归纳物质的性质规律,培养结构、性质关联观
  【情景3】分组实验如下。
  分别向盛有2mL盐酸、硫酸、白醋、氢氧化钠溶液、澄清石灰水的试管中滴加几滴紫色石蕊液和无色酚酞溶液。
  生:归纳出紫色石蕊遇酸溶液变红色,遇碱溶液变蓝色;无色酚酞遇酸溶液不变色,遇碱溶液变红色。
  【问题4】为什么不同的酸或碱溶液能使相同的指示剂变色情况相同?
  生:H2SO4(稀)=2H++SO42-
  HCl(稀)=H++Cl-
  NaOH=Na++OH-
  Ca(OH)2=Ca2++2OH-
  在不同的酸溶液中都含有H+,酸溶液能使紫色石蕊变红色;在不同的碱溶液中都含有OH-,碱溶液能使紫色石蕊变蓝色。
  师:分别往碳酸钠溶液中滴加紫色石蕊和无色酚酞,观察现象。
  生:碳酸钠性质呈现出碱溶液的性质,但结构与碱并不相似。
  应用上述片段教学引导学生在观察实验现象的过程中,采用类比、归纳法自主发现现象的相似性,运用物质的结构决定性质的学科观念,通过分析物质相似的结构,预测出物质可能出现的相似的性质,培养了推理和论证的学科思维。例如,从实验探究中获取盐酸、硫酸的有关化学性质,通过类比、归纳,找出相似点和不同处,得出酸类物质的通性。同理,从氢氧化钠、氢氧化钙等常见碱的化学性质归纳碱类物质的通性,如图2所示。
  3.自主形成物质间反应网络圖,培养转化观
  【情景4】视频“溶洞的形成过程”。
  师:溶洞形成的原理是什么?
  生:①洞顶石灰岩的主要成分是碳酸钙,当遇到溶有二氧化碳的水时,会反应生成溶解性较大的碳酸氢钙:CaCO3+CO2+H2OCa(HCO3)2。②溶有碳酸氢钙的水遇热或当压强突然变小时,溶解在水里的碳酸氢钙就会分解,重新生成碳酸钙沉积下来,在地面形成石笋:Ca(HCO3)2 CaCO3↓+CO2↑+H2O。
  【情景5】酸、碱、盐之间相互反应物质连线接龙游戏。形成酸、碱、盐知识网络图(如图3),培养转化观。
  通过学生思考、讨论、交流、连线,逐渐形成酸、碱、盐物质之间反应的知识网络,以游戏接龙的形式展现学习效果,既增加学生学习兴趣,又减轻学生的负担,重要的是,在这个过程中学生获得了学习化学重要的学科方法,通过应用培养了物质反应和转化的学科观念。
  二、深化“三重表征”思维
  化学学科在漫长的发展过程中,积淀了化学家们认识物质、改造物质和应用物质的思想观点、学科方法、思维方式,它们是化学学科的精髓。从“宏观—微观—符号”三个水平上认识和理解化学知识,并建立三者之间的内在联系,以及在三者之间灵活自由地转化,是化学学习的实质,也是化学学科特有的思维方式,即“三重表征”思维。   【情景6】酸和碱混合会发生化学反应吗?
  师生讨论交流,确定实验探究活动方案(如图4)。
  师:请观察并描述实验现象。
  生:溶液先由无色变为红色,最后又变为无色。
  【问题5】现象产生的原因是什么?引导学生结合图5进行分析。
  图5 盐酸和氢氧化钠反应示意图
  生:氢氧化钠溶液中有Na+和OH-,酚酞遇到OH-变红色,而盐酸中有H+和Cl-,发生红色消失的现象,说明盐酸和氢氧化钠发生了反应。而盐酸和氢氧化钠反应示意图显示H+和OH-反应生成了H2O。
  盐酸和氢氧化钠反应方程式:
  NaOH+HCl=NaCl+H2O
  反应的微观过程:Na++OH-+H++Cl-=Na++Cl-+H2O
  反应实质:H++OH- =H2O
  师:简易灭火器的原理是碳酸钠和稀盐酸反应产生大量的CO2气体,写出反应的化学方程式,并分析该反应的实质是什么。
  生:Na2CO3+2HCl=2NaCl+H2O+CO2↑
  【情景7】表演情景剧—碳酸钠和稀盐酸反应,认识反应实质,帮助正确书写化学方程式。
  生:扮演H+的男生和扮演Cl-的女生构成一对双人舞伴HCl,扮演Na+的男生和扮演CO32-的女生构成另一对双人舞伴Na2CO3,拉着双手在跳舞,随着教师发布指令交换舞伴,H+和CO32-结合形成H2CO3,Na+和Cl-结合生成NaCl。
  师:碳酸钠和稀盐酸反应的实质是什么?
  生:观察物质构成的微观示意图,发现碳酸钠和稀盐酸反应的实质是2H++CO32-=H2CO3,H2CO3=H2O+CO2↑,即2H++CO32-=H2O+CO2↑,而NaCl在水分子的作用下,依然以Na+和Cl-形式存在,并没有参加反应,它们是旁观者。
  【问题6】碱和盐能反应吗?盐和盐能反应吗?
  师:将下列各组物质两两混合,认真观察实验现象。①NaOH溶液和FeCl3溶液;②Ca(OH)2溶液和CuCO3;③BaCl2溶液和Na2SO4溶液;④NaCl溶液和KNO3溶液。
  生:分组合作实验……
  利用实验引导学生展开由中和反应到其他复分解反应的探究,从宏观现象上观察、描述,从微观结构上解释,以及用化学符号表征,交流物质的性质和变化,通过训练让学生抓住复分解反应的微观本质分析问题,深化“三重表征”思维,实现认识的科学化和规范化,帮助学生顺利突破复分解反应及其条件教学难点。
  三、关注实验探究
  实验探究不仅是化学学习的重要内容,更是一种学习方式,是促进学生化学核心素养发展的重要途径。酸、碱、盐的学习中教材安排了11个演示实验、8个实验与探究,充分显示出实验在学习这部分内容中的重要性。
  1.应用对比实验方法,寻找物质共性和特性
  【情景8】展示浓盐酸和浓硫酸各一瓶,观察颜色状态,打开瓶盖,闻气味。比较浓盐酸和浓硫酸的物理性质。
  【情景9】演示实验如下。
  分别用小木棍蘸少量浓硫酸和浓盐酸;分别把等量浓硫酸和浓盐酸倒入盛等量水的试管中,用手触摸试管壁。
  【情景10】学生分组合作实验。各展示一瓶NaOH和Ca(OH)2,观察颜色状态;分别取少量NaOH和Ca(OH)2放置在表面皿上,观察现象;分别把等量氢氧化钠和氢氧化钙倒入盛等量水的试管中,观察溶解情况并用手触摸试管壁。
  对比是把两个相反、相对的事物或同一事物相反、相对的两个方面放在一起,用比较的方法加以描述或说明,是科学研究中常用的方法。教学中采用对比实验方法有利于用来辨别异同、区分物质的特性和共性。
  2.设计情景问题组,螺旋提升探究能力
  【情景11】展示一瓶实验室久置的氢氧化钠溶液,师生共同走向探究之旅。
  【问题7】如何检验它是否变质?
  生:NaOH溶液与空气中的CO2反应生成Na2CO3,检验它是否变质,实质是检验CO32-是否存在。而CO32-可以和酸中的H+反应产生CO2气体,与Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液中的Ca2+、Ba2+溶液反应生成CaCO3、BaCO3沉淀,或与可溶性的钙盐、钡盐中的Ca2+、Ba2+溶液反应生成CaCO3、BaCO3沉淀。实验方案如图6所示。
  【问题8】对这瓶氢氧化钠变质程度做出猜想,并设计验证方案。
  生:猜想甲:可能部分变质,固体是NaOH和Na2CO3的混合物;猜想乙:可能全部变质,固体是Na2CO3。
  师:两种猜想共同之处是固体中都含Na2CO3,应从不同之处入手鉴别,即检验固体中是否有NaOH存在,其实就是检验OH-的存在问题。那么如何检验OH-的存在?
  生:取样于试管中,滴加无色酚酞溶液,若变红色,说明OH-存在,猜想甲正确。
  生:不能用无色酚酞溶液,因为Na2CO3也显碱性,也能使无色酚酞变红色。
  師:可见CO32-干扰了OH-的检验,所以应先加入试剂除去Na2CO3 。
  生:讨论实验方案(如右上表所示)并验证。
  师:上述方案中BaCl2溶液可用什么物质替代?能否用Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液替代BaCl2溶液?无色酚酞溶液可用什么物质替代?……
  【问题9】如何除去这瓶已变质的NaOH溶液中的杂质Na2CO3?
  生:要除去杂质Na2CO3,其实是除去CO32-,加入Ca(OH)2溶液或Ba(OH)2溶液,产生CaCO3或BaCO3沉淀,过滤,得到NaOH溶液,变废为宝。
  师:刚才的“物质除杂”环节带来什么启示?
  师生共同归纳:除杂时所加试剂不能和被提纯的物质反应,反应后不能产生新的杂质,在保证除去杂质的同时,最好能增加被提纯的物质,杂质最好转变成气体或沉淀,这样易于物质的分离。
  上述探究活动中,教师结合课标要求和学生实际认知水平,充分挖掘实验素材,将化学学科价值、化学基本观念、化学三重表征、化学实验探究进行有机整合,适时在学生的最近发展区创设几个环环相扣、步步深入且带有挑战性的问题,适当设置悬念,引导学生顺着思维的脉络推进教学,从变化、检验、除杂、实验设计等角度,多侧面渗透“系统、组合、有序”的化学学习方法,培养学生深度思考的习惯,让学生在知识和情感两条主线的相互作用下深度学习。学生通过参与演示实验或分组合作等具体的实践活动,体验科学探究的各个环节,逐渐内化成自身的探究能力。
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