抓住教学契机发展学生分析推理与归纳建模的科学思维——以“化学方程式配平”为例

韩东辉

(广东省深圳市南山区大学城丽湖实验学校,广东 深圳 518057)

“如何正确书写化学方程式”(第2课时)这一节课,学生在学习第一课时的基础上,对于化学方程式的概念、书写、意义与读法等已有一定的了解,但书写化学方程式中有一个非常关键的步骤——“配平”却会产生较大的学习障碍[1].

1 教学的现状与困惑

教学过程中笔者了解到,很多学生只是学到了课本上讲的“观察法”与“最小公倍数法”,只能解决部分化学方程式的配平,而面对一些较为复杂化学方程式只是靠机械记忆,亦即“背化学方程式”.为减少这种问题的产生,在教学中,教者一定要引导学生学会找到式子的“特点”,据此确定配平的“起点”,再运用恰当的方法,形成清晰而严密的推理过程,否则学生就会“知其然,不知所以然”,“平”了也不知是怎么“配”的.

2 “教”方法与“学”思维

“科学思维”是初中学生要培养的核心素养之一.

科学思维是指人在科学认识活动中对感性认识材料进行加工、处理的方式与途径.《义务教育化学课程标准(2022年)》指出:科学思维是基于事实与逻辑进行的独立思考和判断.而“配平”就是要求学生经自己对反应表达式的分析并找出其特点,然后对“反应表达式”用适当方法进行加工、处理——“配平”的过程.可见,本节课的内容对学生的分析推理以及归纳建模的“科学思维”的培养是一个很好的契机.

本节课设计的主要创新点在于能够采用以问题为导向,在解决问题过程中,扣紧学生“变化守恒”的化学观念和“分析推理”、“归纳建模”的科学思维,教师教“方法”,学生学“思维”,“讲-练-评”结合,突破了重、难点.下面,以“如何正确书写化学方程式”(第2课时)为例,谈谈如何开展“配平”的教学[2].

3 教学程序设计

【引课】如何观察一个人?我们通常是关注人的“高”“矮”“胖”“瘦”或者“漂亮”“帅气”……等等.很显然,这“观察”抓住了人的局部或整体特征.同样,面对一道未配平的反应表达式,我们应如何抓特征?用何法配平?

活动1.投示【例题1】

炽热铁与水蒸气反应生成四氧化铁和氢气

教师讲解,归纳形成配平“以大定小法”(方法1)

【师问】同学们,上面的反应表达式有何特点?

【生答】(1)氧原子个数最多;(2) Fe3O4化学式最复杂……

【师讲】本题的配平步骤是:

(1)找到原子个数“最多”的化学式:以“O”为配平的起点.Fe3O4,先配该化学式有关铁、氧两种元素的原子个数;

(2)配平氧原子个数时影响到氢原子个数,接着配平氢原子个数.

与学生一起归纳本题的配平方法——“以大定小法”(方法1).经分析,本式有“O”“Fe”两种元素原子个数需配平,不难发现,化学式“Fe3O4”最复杂,其中两元素的原子个数最大,就以“原子个数最大”的元素作为配平的起点,“以大定小”.待这些原子个数配平后,再据此配平其他原子个数.用此法解题模型为:找最复杂化学式(元素种类最多、原子个数最大)→用最复杂的化学式中原子个数推其他化学式前的系数→根据求得的系数再推求出其它化学式前边的系数.

活动2.投影出示【例题2】

配平:P + O2——P2O5

【师问】这个反应的符号表达式有何特点?你能说说你的配平方法和过程吗?

【生答】(1)“O”原子个数一奇一偶;(2) P2O5化学式最复杂……

【生讲】我的配平过程如下:

(1)发现“O”原子个数相差较大,以此为配平的起点.

(2)式子左边“O”原子为2,右边为5,“2”与“5””的最小公倍数为“10”.

(3)在“O2”前面配上“5”,P2O5前面配上“2”,让“O”原子个数都变为“10”.

(4)推求“P”前面的系数为“4”.

(5)改写成等号并注明反应条件:

学生归纳形成方法:最小公倍数法(方法2),方法模型如下:找出式子中左、右两边各出现一次且原子个数相差最多的元素作为配平起点→求该元素原子左、右两边个数的最小公倍数→把式子左右两边的该原子个数均配成最小公倍数→再推求出其它化学式前的系数.

活动3.投影出示【例题3】

【师问】例题3中反应表达式有何特点?

【生答】(1)有一个只含一种元素的化学式;(2) Fe2O3化学式最复杂……

【师讲】配平过程:

(1)氧元素在式子左右两边出现次数最多,且其个数一边为奇数,另一边为偶数,以氧元素的原子个数为配平的起点,把氧原子个数由奇数变为偶数:

(2)在“奇数配偶”时影响了铁原子个数,接着配平铁原子个数:

(3)配平铁原子个数时影响到了硫原子个数,接着配平硫原子个数:

(4)配平铁原子与硫原子个数时影响到氧原子个数,最后在“O2”前面配上适当系数,使得氧原子个数相等(注意:在单质化学式前面配上任何系数,不影响其它原子个数):

(5)箭号改写成等号:

(6)注明反应条件:

师生一起归纳形成方法:奇数配偶法(方法3).用“奇数配偶”配平的方法模型为:找出式子左右两边出现次数最多的元素,如果该元素原子个数在一边为奇数,而另一边为偶数,那么就以这种元素作为配平起点→在含该元素且原子个数为奇数的化学式前面配上一个最小的正偶数,把该元素原子个数由奇数变成偶数→根据上步的结果推求其它化学式前面的系数[3].

活动4.教师出示【练习】,学生尝试用自己的方法解决问题.

【师问】你能写出高温下氧化铁与一氧化碳发生反应生成铁和二氧化碳反应的化学方程式吗?你能否说出其配平过程?

【学生代表书写并讲解】

(2)配平过程是:

①先配平铁原子个数:

②同时配平碳、氧原子个数:

③当化学式CO、CO2前面同时配上3时,式子左右两边C、O原子个数均相等.此时各种原子个数都已配平,将箭头改写成等号:

④注明反应条件:

【教师点评】本反应表达式的特点是有两个元素符号总是黏连在一起.可以“尝试系数法(方法4)”进行配平.该方法的模型是:如果式子中有N种元素原子个数要配平,N-2种元素原子个数可先配平,而剩下的两种元素原子个数要同时配平,那么可先配平N-2种元素原子个数→在另两种元素组成的化合物化学式前按由小到大的顺序尝试性地同时配上正整数1、2、3……直到两种元素的原子个数同时配平.

以上几种方法都要用到所谓“观察法”.“观察”就是看式子有何特点,例如原子个数的“大小”、原子个数的“奇偶”、化学式“繁简”、元素符号在化学式中是否“黏连”等特点.只有找到式子的特点,才能找准配平起点.找“特点”是配平的关键.

(编者注:活动5、活动6内容略)

【本课总结】配平的方法主要有:以大定小法、最小公倍数法、奇数配偶法、分数系数法、尝试系数法和待定系数法等.另外,如果是氧化还原反应,其符号表达式还可用电子得失或化合价(氧化数)升降配平法和离子-电子法配平.要注意的是,同一道反应的符号表达式,配平方法并不是唯一的,我们择优即可.

【布置作业】绘制本节课的思维导图并完成学单第五单元课题2(第2课时).