核心素养引领下化学实验教学三重表征模式的应用
——以4组典型演示实验为例

2020-12-11 11:06安徽省铜陵市第一中学244000
中小学实验与装备 2020年5期
关键词:铜片培养皿宏观

安徽省铜陵市第一中学(244000) 郑 伟

安徽省六安市第二中学河西校区(237000) 孙 瑞

1 三重表征的涵义

化学核心素养包括宏观辨识和微观探析、变化观念和平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神与社会责任5个维度。

化学三重表征教学模式包括3种表征形式:宏观表征、微观表征、符号表征。宏观表征是指通过物质的物理性质、物质发生变化的现象、物质的客观等存在宏观层面呈现出来的信息对物质进行表征,是物质的外在属性在学习者头脑中的反映。微观表征是指不能通过直接观察得到的,必须通过物质的微粒组成与结构、微粒的结构、微粒的运动及相互作用、反应机理等微观层面呈现出来的信息对物质进行表征,是物质的结构、组成、反应机理等微观领域的属性在学习者头脑中的反映。符号表征是指通过表示物质或微粒组成与结构的符号和图形等符号层面的信息对物质或原理进行表征,是化学用语和化学专有符号在学习者头脑中的反映。

笔者在对本校学生的调查中发现,不少学生学习化学的困难就在于无法将三重表征相互联系起来,很难完成从宏观到微观、从微观到符号的跳跃和衔接。如何在核心素养引领下运用“三重表征”教学模式实施高中化学教学,这是一个值得深入思考的问题。以下是笔者在平时的教学活动中所进行的探索和尝试,现收集整理,以飨读者。

2 三重表征模式的应用

2.1 案例1:“离子反应”教学片断

“离子反应”这节课中,课程内容较为抽象,所涉及的是微观层面的离子和离子之间的反应。而高考对这部分内容的要求是学习者能够用离子方程式等化学符号来表征离子反应。笔者为了让学生真正理解离子反应的实质,按照书本的内容,演示了Na2SO4溶液中滴入BaCl2溶液的实验,演示实验过程如图1所示。

滴入BaCl2溶液后立即生成白色沉淀,学生对实验现象呈现出极高的兴趣,笔者顺势提出了问题。

师:试管中立即生成白色沉淀,是什么物质呢?

生:BaSO4。

生:反应了;没有反应。(学生很激动,回答有两种结果。)

师:你们说的不算,我说的也不算,怎么办?

生:实验是最高法庭。

师:那么如何检验溶液中是否还有Cl-呢?

学生在下面嘀咕讨论,有的学生在回忆和讨论,然后学生中响起一阵声音。

生:用AgNO3溶液。

师:很好,下面我们就来检验反应后的溶液中是否还存在Cl-。

教师取出刚才已经静置的试管,将上层清液倒入另一只试管中,向其中加入几滴稀硝酸,然后滴入1 mol/L AgNO3溶液。试管中立即生成白色沉淀,看到此现象,学生们发出“哇”的一声,有的学生还发出感慨“好神奇”。

师:试管中生成了大量白色的沉淀,说明溶液中的Cl-没有参与反应,考虑到溶液中的离子要遵循电荷守恒原理,Na+也没有参与反应。这样我们就可以对Na2SO4溶液和BaCl2溶液的反应情况进行总结概括。

宏观表征:立即生成白色沉淀。

教师再让学生体会并总结什么是离子反应,什么是离子方程式,以及如何正确书写离子方程式。三重表征的应用完美地渗透了宏观辨识和微观探析的核心素养元素。

2.2 案例2:“Fe3+和Fe2+的相互转化”教学片断

在“Fe3+和Fe2+的相互转化”这节课中,笔者有意将两种离子的检验方法渗透在转化关系中。先向三支干净的试管中各加入2 mL FeCl3溶液,依次编号为A、B、C。具体试剂的添加顺序和用量见表1,实验现象见表2。

表1 试剂的添加顺序和用量

表2 三支试管中出现的现象

学生对实验过程中每一次的颜色变化都非常的兴奋和好奇,随后笔者将上述两个表格通过多媒体课件呈现给学生,和学生一起来分析为什么每一支试管中会有不同的现象。

(1)试管A

宏观表征:加入1滴KSCN溶液后立即变成血红色。

微观表征:Fe3+和SCN-反应生成红色物质。

(2)试管B

宏观表征:加入还原铁粉溶液变成浅绿色,加入KSCN溶液无明显现象。

微观表征:加入铁粉后溶液中已经没有Fe3+,因此不会生成红色物质。

(3)试管C

宏观表征:加入还原铁粉溶液变成浅绿色,加入KSCN溶液无明显现象,滴入氯水后溶液变成浅红色。

微观表征:加入铁粉后溶液中已经没有Fe3+,因此不会生成红色物质,滴入氯水变成红色说明溶液中又生成了Fe3+。

最后经过整理分析,得出结论:Fe3+和Fe2+可以相互转化,转化关系如图2所示。

对于C试管中最后出现的浅红色现象,笔者有意进行回避,没有作深入探究。该案例在教材原有实验的基础上巧妙地融入了科学探究与创新意识。

2.3 案例3:“原电池原理”教学片断

“原电池原理”这节课学生普遍感觉高度抽象,生涩难懂。若能将演示实验和三重表征模式结合在一起,这节课学生将会很容易理解原电池的工作原理。现将这节课的部分片段摘录如下。

教师先取1个培养皿放在多媒体实物展台上,再向培养皿中放入1粒锌粒,然后取1根事先弯成U形的铜条,将铜条一端搭在锌粒上,另一端用锤子击打成薄片后搭在培养皿内,铜条的中间部分搭在培养皿外,然后向培养皿中加入蒸馏水以浸没铜条的两端为宜。如图3所示。

生:没有,因为锌与铜和水都不会反应。

师:如果老师向水中再加入稀硫酸,会有什么现象呢?同学们可以预测一下。

学生听到预测后都很兴奋,有的回答锌粒上有气泡,有的回答铜片上有气泡(很明显这部分学生预习过),有的回答两端都有气泡。随后教师向培养皿中加入大约2 mL稀硫酸,学生都在仔细观察。锌粒上很快产生大量气泡,并且锌粒在慢慢变小,大多数学生都在盯着锌粒观察。过了大约25 s,铜片上开始产生气泡,随后气泡越来越多,越来越明显,有的学生注意到铜片上的现象后,发出了大声的呼喊。其他同学的目光也被他吸引到了铜片上,纷纷发出了“神奇”的感慨,教师顺势提出了问题。

师:同学们,你们看到了什么?

生:锌粒和铜片上都产生了气泡。

师:铜片上为什么会产生气泡呢?这些气体又是什么呢?能不能设法验证啊?

生:氢气;氧气;二氧化硫(学生首先想到了这些)

师:我们用试管收集铜片上产生的气泡,可以分别用干燥的烧杯、带火星的小木条、品红溶液进行验证。如果老师告诉你,经过验证气体为氢气。你能不能给出合理的解释,为什么铜片上会生成氢气呢?

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部分学生低下了头,有一部分学生在翻书,还有一部分学生在嘀咕:“氢离子。”教师及时对嘀咕的学生给予了肯定。

师:有的同学说到了氢离子,很好,我们一起来分析。在铜片周围存在大量的“游手好闲”的氢离子,现在却变成了氢气,如果从化合价的角度分析,氢离子要想成为氢气必须要获得电子,而铜很稳定,不会失去电子,那么电子从哪里来的呢?很明显在另一端,锌很活泼,并且随着锌的溶解,锌失去了电子,电子顺着这条“蜿蜒的小道”到达了另一端,在这里,“游手好闲”的氢离子得到了电子变成了氢原子,随后结合成为氢气分子,氢气分子聚集在一起就变成了大家看到的气泡。这样一个过程我们可以对锌粒和铜片从3个方面进行概括。

(1)锌粒

宏观表征:锌粒逐渐变小,慢慢溶解。

微观表征:锌很活泼,锌原子失去电子成为锌离子进入到溶液中。

(2)铜片

宏观表征:铜片上有气泡生成。

微观表征:铜片附近的氢离子得到电子变成氢原子,氢原子结合成为氢气分子。

对于锌粒上的现象,笔者会在后续的内容中进行解释。该实验中的改进做法不仅将宏观辨识和微观探析有机结合在一起,原电池模型更是体现了证据推理与模型认知的结合。

2.4 案例4:“盐的水解原理”教学片断

在“盐的水解”这节课中,笔者以NH4Cl的水解为例重点分析盐的水解规律。笔者首先向学生展示0.5 mol/L的NH4Cl溶液,然后向学生提出问题。

师:同学们,你们认为NH4Cl溶液是中性的呢,还是碱性,或者是酸性的呢?

生1:因为NH4Cl是盐,所以它的水溶液是中性的。

生2:因为NH3H2O是碱性的,所以推测其水溶液为碱性。

生3:我感觉NH4Cl溶液是酸性的,但我不知道原因。

师:好,为了确认NH4Cl溶液的性质,我们可以用最简单的pH试纸进行验证。我们取一片pH试纸放在表面皿上,用干净的玻璃棒蘸取NH4Cl溶液滴在试纸上,然后和标准比色卡进行比较。

现象:试纸立即变成红色,和标准比色卡对比得知溶液呈现酸性。(因为产生了对原有知识的认知冲突,学生对此现象很好奇,不理解为什么会出现红色。)

师:下面,我们就结合NH4Cl的电离情况从微观层面对出现红色的原因进行分析,如图4所示。

宏观表征:NH4Cl溶液呈现酸性。

教师再结合CH3COONa溶液分析强碱弱酸盐为什么呈现碱性,最后和学生一起对盐的水解规律进行初步概括。理解水解平衡的存在及盐类水解的规律更是直接体现了变化观念与平衡思想,比空洞的讲解更加有说服力。

3 使用三重表征模式的体会和总结

核心素养是漫天星空中的启明星,更是茫茫大海上的灯塔。如何在核心素养的引领下将三重表征教学模式融会贯通于高中化学日常教学中,不仅是一个挑战,更是一种教学方式的转变。它的成功运用,使得枯燥、乏味的化学课堂变得有趣;使得生涩难懂的知识变得通俗易懂;使得学生由原来害怕上化学课变得逐渐喜欢上化学课;它是高中化学教师的“法宝”。广州仲元中学的曾国琼老师提出了“四重表征”教学模式,即宏观的、微观的、符号的、曲线的。当然随着时代发展,可能以后还会有“五重表征”,甚至“六重表征”等教学模式。但是万变不离其宗,三重表征教学模式将会在以后的教育实践中不断被发扬光大。

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