基于发展化学思维的“金属活动性”教学设计

陈丹丹

(江苏省苏州工业园区唯亭学校,江苏 苏州 215021)

2022年新课标明确提出要发展学生的科学思维.科学思维主要包括:在解决化学问题中所运用的比较、分类、分析、综合、归纳等科学方法,基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力,在解决与化学相关的真实问题中形成的质疑能力、批判能力和创新意识[1].所以笔者认为,初三教师应重新专研课标,立足学生认知基础,研读教材,设计“认识-建构-应用”三重角度,使学生从不同层次认识化学变化、理解化学变化、感悟反应规律,为以后的化学学习奠定思维基础.因此,笔者从自身教学实践出发,以“金属活动性”教学为例,探索在初中阶段基于化学学科思维发展的初三化学教学.

1 教材分析与教学思路

“金属活动性顺序表”是沪教版九年级第五章第一节《金属的化学性质》中的内容,学生通过一系列置换反应对金属活动性顺序进行初步认识.如何引导学生从金属和酸以及铁和硫酸铜溶液的反应中充分认识置换反应的规律,对于初中生具有一定的难度.

教材对于本知识点的设计为:通过镁、锌、铁、铜与稀酸反应,得出四种金属的活动性顺序,归纳这几个反应的化学方程式的共性总结出置换反应的概念,然后利用铁与硫酸铜溶液反应,深化对置换反应的认识[2].

“最近发展区理论”认为,教师应了解学生所处的发展阶段以及他们要解决的问题,帮助学生弥补实际发展水平和潜在发展水平之间的鸿沟,才能使教学超前于发展并引导发展[3].目前学生对化学实验有着超强的好奇心和想象力,并知道通过实验现象来解释和证明结论,可以根据教师的引导得出合理的知识的建构.

针对上述基础,笔者将金属与酸或盐溶液的反应进行逻辑串联.首先,以铁粉和硫酸铜溶液的反应引发思考:铁为什么能和硫酸铜反应?其次,根据化学史实,认识到部分金属会与酸发生反应.引出新问题:所有金属都可以和酸反应吗?通过学生设计并探究四种金属与酸反应的实验,形成金属活动性知识的思维雏形.在此认知基础上,探究镁、锌、铜分别和硫酸铜溶液的反应,使学生分析归纳得出金属与盐溶液的反应原理.再回顾金属和稀酸的反应,猜测氢在金属活动性顺序中的位置,全面完成对基于金属活动性的置换反应知识内容的建构.然后通过金属活动性的原理,使学生能预测某些反应是否可以发生.进而向学生展示科学家基于金属活动性置换反应的规律经过长期摸索,提出的金属活动性顺序表.最后探究一种未知纯金属的成分,引导学生设计实验,利用本节课金属活动性的知识,结合根据化学方程式计算的内容,设计实验对该金属的成分进行探究,初步培养学生从定性和定量两方面对物质组成进行研究的思维能力.

2 教学过程

2.1 学生实验,激起兴趣

[学生实验]在小烧杯中加入少量铁粉,再倒入少量稀硫酸铜溶液,轻轻晃动烧杯使两者充分反应,片刻后,观察现象.(稍过量的铁粉和硫酸铜反应比较快速且容易观察到硫酸亚铁溶液的浅绿色)

设计意图:以学生实验导入,活跃课堂气氛,提出问题.

2.2 回顾历史,引发思考

[教师]此实验早在2 000多年前中国古代西汉时期的《淮南万毕数》中便有记载.这是我国古代人民多次探索而知的反应,但当时并不了解反应的原理.今天让我们追随着科学家的脚步,来解开这个奥秘.

设计意图:以湿法炼铜的史实,增强文化自信.同时,引发学生对此反应原理的思考.

2.3 化学史话,模型初建

[PPT]1625年,化学家意外发现金属在酸中会“消失”.

[演示实验]历史重现:镁条和稀盐酸的反应.

[教师]产生的是什么气体?

[学生]……(引导学生根据化学反应前后元素的种类不变的理论进行合理猜测.)

[教师]其实对于这种气体到底是什么,科学家经过了漫长的探索.

[PPT]展示卡文迪许和拉瓦锡对金属和酸反应产生氢气的探索历程.

[教师]科学是不断发展的,当前的认识不一定是终极真理,但科学家为探求真理而勇于对权威质疑的精神和不懈努力值得我们敬畏和学习.回到我们的探索之旅,卡文迪许用了六种金属和酸反应,说明还有其他金属可以和稀盐酸反应,是不是所有金属都可以和酸反应呢?如果可以反应,各种金属与酸反应的速率是一样快的吗?

[小组讨论]如何设计实验比较不同金属与酸反应速率的快慢?

[小组实验设计方案分享]……(体现控制变量法,教师进行适当引导)

[小组实验]四种金属分别与稀盐酸或稀硫酸的反应.

[学生]总结现象,书写化学方程式,根据化学方程式归纳置换反应的定义,通过与酸反应的剧烈程度分析得出四种金属活动性的顺序:镁>锌>铁>铜.

设计意图:(1)通过金属与酸反应产生气体的猜测和探究,加强化学反应元素守恒观念,培养学生从化学视角研究物质及其变化规律;(2)通过金属与酸反应的发现历程,提出科学是不断在批判中继承的,促进学生质疑能力、批判能力的培养;(3)通过设计金属和酸反应的实验,渗透控制变量法的思维,增强学生科学探究能力,培养学生与他人分工协作、沟通交流、合作解决问题的能力,使学生能初步运用比较、分析、归纳等方法认识物质及其变化,形成一定的证据推理能力;(4)通过金属和酸的反应,初步得出四种金属的活动性顺序的知识建构,为解释铁和硫酸铜的反应奠定理论基础.

2.4 总结归纳,概念深化

[教师]本节课开始时我们发现铁可以将铜从溶液中换出来.其他金属也可以将铜换出来吗?请大家利用所给的金属和硫酸铜溶液进行探究.

[学生实验]镁片、锌片、铜片分别与硫酸铜溶液反应.

[教师]请大家结合实验现象及PPT给出的镁、锌和硫酸亚铁反应的化学方程式,联系刚刚所学的金属活动性顺序:镁>锌>铁>铜,猜测金属能与某些含有另一种金属元素的化合物溶液进行反应的原理可能是什么?

[学生]金属活动性强的金属可以将金属活动性弱的金属从它的化合物溶液中置换出来.

[学生实验]铝片、银片分别与硫酸铜溶液反应,观察现象.

[教师]根据原理,铝、铜、银的金属活动性顺序怎么排?

[学生]铜的金属活动性比铝弱,比银强.

[教师]回顾金属与酸的反应,镁、锌、铁都能将酸溶液中的氢置换出来,而铜不行.氢有类似金属的性质,若将氢插入四种金属(镁、锌、铁、铜)的金属活动性顺序中进行排序,应该在什么位置?

[学生]氢排在铁之后,铜之前.

[教师]非常好,通过能否将另一种金属从它的化合物溶液中置换出来的方法,我们可以将各种金属的活动性进行排列,Mg Zn Fe(H) Cu,而科学家经过这样类似的一系列实验,得出了金属活动性顺序表.

[PPT]展示金属活动性顺序表.

设计意图:通过分析比较一系列置换反应,使学生自己提炼出基于金属活动性的置换反应的原理,深化学生对此类置换反应的认识.再基于对置换反应的新认识,再次分析金属和酸的反应,明确氢的位置,让学生对常见金属活动性顺序表内容进一步建构.在学生总结金属活动性顺序的过程中,培养基于实验事实进行证据推理、建构模型并推测物质及其变化的思维能力.

2.5 触类旁通,灵活运用

[设问]铝、锡、金、银是否能与稀酸反应产生氢气?

[学生讨论]讨论出判断能否与酸反应产生氢气,需要将金属的活动性与氢比较.

[总结]如何设计实验比较铜和银的金属活动性强弱?

[学生]用铜和含有银的化合物溶液或银和硫酸铜溶液反应.

[学生讨论]得出金属与酸或与金属化合物溶液反应的原理均为金属活动性强的金属将金属活动性弱的金属(或氢)置换.

[教师总结]金属活动性顺序可以帮助我们判断一些反应能不能发生.

[拓展提高]大家桌上的表面皿中各有几小片未知纯金属,请大家利用桌上的药品,对该金属进行探究,推测该金属可能是什么?

[学生实验]将该金属分别与稀盐酸、硫酸铜等物质反应,并利用控制变量法对比该金属与其他金属和酸反应的速率.

[学生讨论]该金属活动性比什么金属弱,比什么金属强.

[拓展提高]我们初中所学的金属活动性顺序表并没有将所有的金属进行排列,还有很多金属并不在这个表里,如何进一步对该纯金属成分进行确认?我们可以通过计算的方式.已知该金属与酸反应后在溶液中显+2价,2.4 g该金属与酸充分反应生成0.1 g氢气,请同学们计算它的相对原子质量,并根据相对原子质量翻阅教材后面的元素周期表中相对原子质量的数据,大致确认该纯金属是什么.

设计意图:根据归纳得出的反应原理以及金属活动性顺序表,设计一系列问题,使学生能够运用金属活动性顺序表解答问题.通过对未知金属的探究,深入了解金属活动性的应用,并联系上一章利用化学方程式计算内容进行知识串联,培养学生对未知物质进行定性到定量研究的思维模式.

3 教学反思

本教学内容采用问题驱动模式,在置换反应原理的探究学习过程中,问题或情节环环相扣,学生自主通过实验获得新知识,完成对金属活动性知识的建构并将其进行灵活运用.整个过程学生的主体作用和教师的主导作用都得到充分的体现,围绕金属活动性的应用促进学生多角度分析和解决问题,引导学生建构对化学变化的结构化认识,形成认识化学反应的思路与方法,并发展对化学变化的定量认识和推理能力,促进化学学科思维的形成.由于金属活动性教学是金属的化学性质这节课中的一个片段,囿于课堂时间限制,无法对个别问题进行充分讨论,并做一定量的练习加以巩固,因此不够圆满.