馬長燕 蘇捷
［摘 要］文章以“離子反應”的教學為例， 通過聯系生活實際創設情境，設置驅動性問題，以知識為載體，借助數字化實驗探究復分解反應的本質，從實驗現象和圖表數據分析入手，采用“宏觀—微觀—符號”三重表征等方法，運用動畫模擬等手段幫助學生自主建構概念，發展學生的微粒觀、實驗觀、變化觀、化學價值觀等化學學科基本觀念，實現情境、知識和素養的高度融合。
［關鍵詞］學科觀念；
核心素養；
離子反應
［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）05-0076-04
化學學科觀念是人們基于已有知識和認知水平，對化學科學知識和學習過程的不斷概括和總結，進而形成的總觀性認識，為我們提供了認識物質的化學視角和思路方法。化學學科觀念的建構以具體化學知識作為載體，通過學習不斷積累和提煉知識，深入思考核心概念，進而形成解決化學問題的基本思路和方法，這些思路和方法具有可遷移性。以化學學科基本觀念（元素觀、變化觀、微粒觀、實驗觀、分類觀、化學價值觀等）為指導方向，選擇能促進學生形成學科觀念的具體知識內容進行教學，以幫助學生建構化學學科觀念，發展化學學科核心素養。
“離子反應”是人教版高中化學必修第一冊第一章第二節的內容。本文結合學科觀念建構教學的基本理論，設計探究實驗，基于實驗現象對離子反應進行分析和推理，引導學生從微觀角度解釋宏觀現象，認識電解質在溶液中的反應本質，建構離子反應概念，逐步形成研究水溶液體系的思維方法，同時形成化學學科觀念，發展化學學科核心素養。
一、教學思路
“離子反應”這節課的教學思路如下：首先，通過創設真實的問題情境——硫酸廢水的處理，以及設計學習任務，讓學生帶著明確的問題和任務去探索；
通過試劑的選擇和小組實驗探究，讓學生在探索中體驗物質的轉化；
通過分析實驗現象及其微觀本質，讓學生學會從微觀視角來思考化學反應的本質，形成認識化學反應的新視角；
通過構建和應用離子反應的概念模型，引導學生了解中和反應的實質，深度理解微粒觀及離子方程式的意義。然后，設置驅動性問題，讓學生自主探究碳酸鈉、碳酸鈣與鹽酸的反應，發現實驗現象的不同，分析實際參與反應的微觀粒子，從宏觀到微觀、從現象到本質，通過主動建構內在表征，建立從離子角度認識物質的性質與轉化的思路和方法，形成動態的、可遷移的觀念性認知；
分析酸、堿、鹽在水溶液中發生復分解反應的微觀實質，從知識的本源性和結構化角度，歸納總結此類離子反應發生的條件。最后，回歸生活，通過硬水的凈化處理，利用離子反應解決實際問題，落實學生“科學態度與社會責任”核心素養。
基于以上教學思路，結合課標要求和學生認知發展水平，確立了本節課所滲透的化學學科基本觀念有微粒觀、實驗觀、變化觀、化學價值觀。結合教學內容分析和學生特征分析，提出了“離子反應”教學內容與化學學科觀念建構的聯系，具體如圖1所示。
二、教學過程
環節一：情境引出概念
師：硫酸是一種重要的化工原料，用途十分廣泛，但工業生產過程中產生的酸性廢水會造成環境污染，如腐蝕管道、鋼軌，導致水質惡化等。如何處理硫酸工業廢水，使其減少對環境的污染呢？
評析：創設情境，提出問題，引入新課；
通過創設硫酸工業廢水處理的真實情境，幫助學生初步建立化學價值觀。
【學習任務1】實驗設計：選擇試劑，處理硫酸工業廢水。
生1：硫酸能電離出H+、SO[2-4]，可用Ba（OH）2中和。
生2：用NaOH中和。
生3：用Ca（OH）2中和。
生4：用KOH中和。
【小組討論】這四種堿中，哪一種最好？生成物是否容易去除？請大家分組討論。
小組1：Ca（OH）2與H2SO4反應生成的CaSO4微溶于水，形成沉淀，可以過濾去除，而NaOH、KOH與H2SO4反應生成的Na2SO4、K2SO4可溶于水，不容易去除。從這方面考慮，應選用Ca（OH）2。
小組2：Ba（OH）2與H2SO4反應生成沉淀BaSO4和H2O，應選用Ba（OH）2。
師：Ca（OH）2或Ba（OH）2都可以除去H2SO4。實驗室提供了Ba（OH）2溶液，請大家完成Ba（OH）2與H2SO4反應的實驗。
【小組實驗】往試管中加入稀硫酸，再加入氫氧化鋇溶液。
【小組匯報】溶液中有白色沉淀產生，說明Ba2+和SO[2-4]發生反應生成了BaSO4。
【小組討論】溶液中的其他離子是否也能發生反應？怎樣通過實驗來證明？
生5：H+與OH-也能反應。可以使用pH試紙監測溶液pH值的變化來驗證H+與OH-是否發生了反應。
【小組實驗】測定硫酸溶液的pH值，往硫酸中加入氫氧化鋇溶液，再測定反應后溶液的pH值。
【小組匯報】滴加氫氧化鋇溶液時，硫酸溶液的pH值升高，沉淀完全時，pH值為7，說明Ba2+和SO[2-4]反應的同時，H+與OH-也發生了反應。
【學習任務2】填寫表1。
【動畫模擬】觀看動畫模擬H2SO4與BaCl2的反應，思考反應的實質是什么。
生6：H+和Cl-沒有發生反應，Ba2+和SO[2-4]結合生成了BaSO4。
師：H2SO4與BaCl2的反應實質上是Ba2+和SO[2-4]之間的反應，這樣的反應屬于離子反應，可用[Ba2++SO2-4=BaSO4↓]來表示，這樣的式子叫作離子方程式。
評析：本環節以小組實驗展示宏觀的實驗現象，從微觀角度分析溶液中微粒的變化，再以動畫模擬展示H2SO4與BaCl2的反應，讓學生直觀地認識到BaCl2溶液中存在自由移動的Ba2+和Cl-，H2SO4溶液中存在自由移動的H+和SO[2-4]，二者混合后生成BaSO4固體，脫離溶液體系，初步建立宏觀反應與微觀粒子變化之間的關系。在分析離子反應本質的過程中，引導學生初步形成實驗觀、變化觀、微粒觀，構建離子反應模型，培養“模型認知”核心素養。
環節二：符號表征概念
【學習任務3】書寫H2SO4與Ba（OH）2反應的離子方程式。
生1：[Ba2++SO2-4=BaSO4↓]，[H++OH-=H2O]。
生2：[Ba2++SO2-4+H++OH-=BaSO4↓+H2O]。
生3：[Ba2++SO2-4+2H++2OH-=BaSO4↓+2H2O ]。
師：以上離子方程式哪個更能準確地表達真實的反應過程呢？Ba2+、SO[2-4]與H+、OH-，反應的物質的量的關系可以由溶液導電性實驗和pH值的變化外顯。
評析：學生在書寫Ba（OH）2與H2SO4反應的離子方程式時，對于氫離子和氫氧根離子的化學計量數有疑問。此時提出挑戰性問題，可引發學生深入探究，實現深度學習。通過引發認知沖突，讓學生經歷發現問題、提出假設、設計實驗、實驗驗證，再根據物質的組成和反應規律來解釋說明，自主構建科學探究的一般過程。
【實驗探究】使用電導率儀監測溶液電導率的變化，同時使用pH傳感器監測溶液pH值的變化。
【圖片展示】往硫酸溶液中加入氫氧化鋇溶液，溶液的電導率和pH值的監測結果如圖2所示。
【結果分析】當導電率達到最低值時，溶液呈中性，說明Ba2+與SO[2-4]完全反應的同時，溶液中的H+與OH-也恰好完全反應。
師：根據物質的組成以及電解質在溶液中的存在形式，哪個離子方程式更合理呢？
生3：根據物質的組成可知，[H2SO4=2H++SO2-4]，[Ba（OH）2=Ba2++2OH-]，所以離子方程式應為：[Ba2++SO2-4+2H++2OH-=BaSO4↓+2H2O]。
評析：本環節使用電導率儀和pH傳感器同時監測溶液電導率和pH值的變化，收集、展示實驗數據，引導學生發現Ba2+與SO[2-4] 、H+與OH- 同時抵達反應的終點，再根據物質的組成進行推理，確定定量關系，準確地寫出能體現反應內涵的離子方程式。通過實驗的宏觀現象分析物質的微觀變化，建立從宏觀到微觀認識化學反應的思路，凸顯學科思維方式，并用化學符號進行表征，幫助學生形成變化觀、微粒觀、實驗觀，發展“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”核心素養。
【小組討論】在使用效果相同的前提下，大家可以從成本來考慮。據化學試劑網站查到的價格，Ba（OH）2是120 元/千克，Ca（OH）2是40 元/千克。用哪種試劑處理硫酸工業廢水會更合適呢？
小組1：從成本上考慮，Ca（OH）2會更合適。
小組2：Ca（OH）2本身是微溶的，就算加多了也可以通過過濾去除。
師：工業上選用氧化鈣來處理硫酸工業廢水。
評析：通過提出問題，引導學生從兩個方面展開討論。一方面是除雜實驗的可操作性，通過評價不同的方案，優選出最佳除雜試劑；
另一方面是關于經濟成本的比較，使教學貼近社會、貼近生活，培養學生的“科學態度與社會責任”核心素養。
環節三：探討深化概念
【提問】NaHSO4溶液和NaOH溶液混合后能發生離子反應嗎？
生1：NaHSO4電離出的H+可以與NaOH電離出的OH-結合，生成H2O。
師：NaHSO4屬于酸式鹽，酸式鹽可以和堿發生反應。
評析：通過鹽和堿的反應，引發學生的認知沖突，回歸離子反應的實質，促進知識結構化。
【學習任務4】完成表2，并進行討論。
生2：這四個化學方程式都可以用[H++OH-=H2O]來表示。
師：離子方程式不僅可以表示某個具體的化學反應，還可以表示同一類型的化學反應。復分解型離子反應發生的條件是什么？
生3：有沉淀、氣體或水生成。
【提問】CH3COONa溶液與HCl溶液混合，能否發生反應？
生4：混合后，CH3COO-與H+結合生成難電離的CH3COOH。
師：離子反應的共同點是向著離子種類或數目減少的方向進行。因此，復分解型離子反應發生的條件為有沉淀、氣體或難電離的物質生成。
評析：引導學生從離子反應的角度認識化學反應，基于微粒觀分析離子重組條件，進而解釋同類物質的不同性質變化的規律，幫助學生形成變化觀，并讓學生根據一系列化學方程式，歸納總結出復分解反應發生的條件，促進知識的結構化。
【學習任務5】碳酸鈉和鹽酸反應、碳酸鈣和鹽酸反應，這兩個反應的離子方程式是否一樣呢？
【實驗探究】分別往碳酸鈉溶液和碳酸鈣固體中加稀鹽酸，觀察現象。（如圖3）
師：可以觀察到的實驗現象是什么？說明了什么問題？
生5：加入稀鹽酸后，碳酸鈉溶液中的各個部位均產生氣泡，碳酸鈣只有固體表面產生氣泡，說明碳酸鈉發生了電離，碳酸根離子游離在溶液中，而碳酸鈣固體難溶于水，以分子的形式與氫離子反應。
【學習任務6】請書寫這兩個反應的離子方程式。
師：書寫離子方程式的一般思路與方法是什么？
生7：找出溶液中實際參加反應的微粒，判斷產物，直接書寫。
【課堂小結】先判斷水溶液中反應物的存在形式，找出實際參加反應的微粒，再進一步分析比例關系，書寫離子方程式，最后檢查原子守恒和電荷守恒。
評析：創設驅動性問題，引導學生自主探究，使學生意識到實驗現象不同是因為發生離子反應的微粒不同，所以離子方程式的書寫要考慮物質的溶解性，要與電解質在溶液中的存在形式關聯起來，使學生學會從反應的本質出發考慮離子方程式的書寫，培養學生的微粒觀和變化觀。
環節四：應用升華知識
【拓展應用】離子反應在生產生活中的應用。
師：如果飲用水的硬度過高，長期飲用會影響人體健康，同時水中含量過高的Ca2+、Mg2+ 會造成鍋爐結垢，也會降低洗滌衣物時肥皂的使用效果。如何在不引入新雜質的情況下除去這些離子，使水得到凈化？請嘗試運用所學離子反應處理飲用水中的Ca2+、SO[2-4]、Mg2+，并設計實驗方案。
【學生活動】用流程圖的形式設計實驗方案和表示實驗過程。（如圖4）
評析：創設硬水凈化的情境，引導學生應用離子反應模型和分離提純相關知識，分析雜質離子，選擇除雜試劑和確定除雜試劑的添加順序、試劑的用量，考慮過濾的時機，確保實驗合理有效，進而解決生活中的實際問題，促進學生思維的發展，同時引導學生關注社會，凸顯化學認識世界、改造世界的價值，體會化學對人類美好生活所做出的貢獻。
三、教學反思
本節課從處理硫酸工業廢水的真實情境出發，巧妙設計問題，有效激發學生的學習興趣；
通過實驗探究，基于宏觀現象分析物質變化，從微觀角度分析反應實質，并結合物質組成和反應規律進行推理，明確溶液中電解質的存在形式、參加反應的微粒以及比例關系，幫助學生深入理解離子反應的本質，掌握正確書寫離子方程式的方法，有效構建微粒觀、變化觀、實驗觀；
通過利用離子反應解決生活中的問題，凸顯化學學科的社會價值，落實學生化學價值觀和化學學科核心素養的培養，提高學生學習化學的積極性，收到了較滿意的教學效果。
綜上，通過實驗探究、收集證據、分析推理、符號表征，學生深刻理解了相關知識，并在分析、解決問題的過程中升華知識，逐漸形成化學學科基本觀念。教師在教學中從知識的本源性和結構化角度出發，引領學生深入思考，從本質上認識和理解相關知識，并應用所學知識解決實際問題。
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［1］? 白薇.基于化學核心觀念自主建構的元素化合物的教學實踐研究［D］.延吉：延邊大學，2021.
（責任編輯 羅 艷）
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