四重表征在高中化学离子反应教学中的应用

摘要：本文对四重表征进行介绍，并根据离子反应概念教学中存在的问题，利用四重表征进行离子反应概念的建构，提高学生四重表征能力，突破了离子反应教学的难点。

关键词：四重表征；离子反应；微观表征；符号表征；曲线表征

一、 四重表征的涵义

四重表征是指对化学反应从宏观、微观、符号和曲线四个角度进行表征，四种表征形式并不是孤立的，而是紧密联系且能相互转化的。宏观表征是化学反应中发生的宏观现象如颜色变化、气体生成、沉淀生成以及发光放热等。微观表征指用分子、原子、离子等微观粒子的组成结构以及相互作用来表征化学反应。符号表征指用化学符号如化学式、化学方程式、离子方程式等化学符号来表征化学反应。曲线表征是指利用数学中的直角坐标系来表征化学反应中的一个量随着另外一个量的变化而变化，并在坐标轴中用曲线来表示这种变化的趋势。化学实验数据能体现在曲线的起点、折点、终点以及曲线的走向和变化趋势上，通过分析数据的变化可以考查化学反应的有关规律。纵观历年高考，图表题几乎都在考查学生曲线表征的应用能力。曲线表征的分析应用能有效培养学生定量处理化学问题的能力。

二、 离子反应教学存在的问题及其分析

学生学习完离子反应后应该能从微观视角看待溶液中的微粒之间的化学反应，看待化学反应的视角从宏观转向微观。经过笔者对离子反应教学情况的了解，存在以下问题：

（一） 学生只是从复分解反应的角度理解离子反应，没有从离子等微观角度认识离子反应。如认为离子反应是生成难溶物、挥发性物质或水的化学反应。对于有些离子为什么没有发生离子反应非常困惑，如将NaOH溶液与盐酸混合在一起，OH-与H+反应生成H2O，而Na+与Cl-为什么不能反应生成NaCl。

（二） 学生对于电解质在水中的存在形态缺乏认识，书写离子方程式也就是从“写、拆、删、查”这四个步骤进行，对于什么物质要拆成离子形式，机械地进行记忆，而不知道根本原因。这些都是造成离子方程式书写困难的原因。

三、 基于四重表征的离子反应教学

由于离子等微观粒子看不见摸不着，对于学生来说是比较抽象的。教师如果仅根据离子反应的定义的描述和离子方程式书写的训练来教授离子反应，是不能使学生建立微观认识的。笔者认为用四重表征的教学模式进行离子反应概念教学是非常有效的。利用四重表征对概念进行多维度的建构，首先从实验的宏观现象分析入手，引导学生深入思考讨论其微观本质，由此揭示离子反应的内涵，并通过离子方程式这个化学符号来表征离子反应，同时结合实验数据变化引入曲线表征，将学生对离子反应的认识从定性提高到定量，从而形成水溶液中微粒相互作用的微观认识。

（一） 宏观表征激发探究离子反应欲望

建立宏观表征的主要途径是进行化学实验，而化学实验是离子反应概念建立的重要手段。由于离子反应要求学生从微观层面来了解物质在水溶液中的相互作用，而高一学生的抽象思维能力还比较弱，笔者认为必须让学生对典型离子反应实验现象进行宏观表征，这样才能引起学生探究离子反应的欲望。

笔者设置以下几个实验：实验1：Na2CO3溶液与HCl溶液反应，宏观现象为产生无色无味的气体。实验2：将盐酸滴入含有酚酞的Ba（OH）2溶液中，并用电导率传感器来测定溶液的导电能力变化情况。溶液的红色褪去，电导率变化情况如图1所示。实验3：将稀硫酸滴入含有酚酞的Ba（OH）2溶液中，并用电导率传感器来测定溶液的导电能力变化情况。溶液的红色褪去，同时有白色沉淀生成，电导率变化情况如图2所示。实验4：将同浓度的氯化钠溶液滴入硝酸钾溶液中，并用电导率传感器来测定其导电能力变化情况，如图3所示。

（二） 微观表征探寻离子反应的本质

根据以上4个实验宏观现象的观察，设置以下问题，要求学生进行思考讨论：

问题1：为什么复分解反应的条件是有沉淀、气体或者水生成？实验4中硝酸钾与氯化钠能发生复分解反应吗？

学生在初中时并没有深入思考过复分解反应生成沉淀、气体或者水的本质原因，因此这个问题可以引发学生探究兴趣。硝酸钾与氯化钠混合在一起根据复分解反应的条件来判断是不能发生反应的，但是根据初中学习过的化学反应的定义：能生成新的物质的反应就是化学反应，学生认为硝酸钾与氯化钠相互交换成分后生成了硝酸钠和氯化钾，有生成新的物质。这时学生就产生了认知冲突，有了解决问题的冲动。这时教师再通过展示两种物质混合在一起的flash动画，引导学生分析硝酸钾和氯化钠中所含有的离子有哪些，根据溶解性这些物质在溶液中还是以离子的形式存在，并不能结合成“沉淀、气体或者水”而脱离出溶液，溶液中这些离子并没有减少，因此并没有发生反应。

问题2：实验1中碳酸钠溶液和盐酸中分别含有什么离子？为什么会产生CO2气体？哪些微粒间发生相互作用？实验2的现象如何解释？

学生有了上个问题的铺垫，很快分析出是溶液中的CO2-3和H+结合生成H2CO3，然后H2CO3不稳定分解产生CO2气体和H2O，从而导致溶液中两种离子浓度的减少，化学反应就发生了。学生已经能从微粒的角度去分析问题了。进一步追问：Na+和Cl-是否发生反应呢？学生已经能根据氯化钠在水溶液中的电离情况判断出氯化钠在水溶液中还是以离子的形式存在。对于实验2的解释进一步深化了对离子反应的微观认识。

通过前面的讨论，学生已经能从微观角度来分析这些复分解反应，教师这时候就顺势提出离子反应的概念，在溶液中有离子参加的反应叫做离子反应。学生能感受到这些复分解反应的本质是离子反应，反应过程中有离子参加反应而导致这些离子减少，当然也可能有些离子没有参加反应。教师要提醒学生，有些离子反应也有生成新的离子，而且离子反应不一定是复分解反应。

（三） 符号表征揭示离子反应内涵

如何用化学符号来表征这些离子反应呢？用“写、拆、删、查”四步法不能引导学生从微观视角理解离子反应的实质。为了将学生的认知从宏观引向微观，把握离子反应的实质，笔者引导学生根据以下步骤书写离子方程式：第一步，从微观角度分析反应物质在溶液中的存在形式；第二步，判断溶液中哪些微粒能发生相互作用；第三步，用离子符号表示实际参加反应的离子或生成的离子，难溶、难电离物质用化学式表示。

（四） 曲线表征定量理解离子反应本质

离子反应的难点之一是反应中的定量关系。如果能将基于宏观现象的定性分析上升到定量计算，能使学生加深对离子反应微观过程的理解。笔者根据实验2、3、4的溶液电导率变化曲线图引导学生分析以下问题：实验2（图1）和实验3（图2）溶液导电能力变化的趋势有什么异同之处，为什么？实验4（图3）中溶液导电能力为什么没有变化？

溶液的导电能力与溶液中离子浓度的大小有关，图1中由于H+与OH-结合成H2O而导致离子浓度减小，但是M点导电能力不为零，这充分说明Ba2+与Cl-不发生离子反应。图2中M点接近于零说明了Ba2+ 与SO2-4 结合生成BaSO4，H+与OH-结合成H2O而导致溶液中离子浓度接近于零，这与宏观现象“溶液由红色变成无色且产生白色沉淀”非常吻合，深刻揭示了离子反应的微观本质。实验4中溶液的导电能力没有明显的变化，这说明溶液的离子的浓度大小没有变化，离子之间并没有发生离子反应。

四、 结语

总之，基于四重表征的离子反应概念教学以实验为载体，丰富了学生宏观表征，有利于帮助学生深入思考微观粒子间的相互作用，同时使用动画等微觀模拟使微观粒子可视化，从而形成微观表征，突破了离子反应教学的难点。离子方程式能客观地体现离子反应的本质，在沟通宏观现象与微观本质之间的联系起到重要作用。因此概念教学中教师要引导学生理解符号表征对于微观表征和宏观表征的中介桥梁作用。数字化实验能将实验结果以数据和图形的形式更加直观地表示出来形成曲线表征，将化学实验从定性研究引向定量研究，学生能根据实验数据和宏观实验现象分析得出更加可靠的结论，为深层次理解离子反应概念起到重要的作用，提高学生定量研究问题的能力。

参考文献：

[1] 刘建祥.“四重表征”化学教学模式与“手持技术”整合的案例研究[J].化学教育，2013（7）：31-35.

[2] 徐敏.促进学生认识方式的转变 ——以离子反应教学设计为例[J].中学化学教学参考，2015（5）：16-18.

作者简介：林秋华，福建省福安市第三中学。endprint