基于调控思想建构化学反应认知模型

1教学内容分析《义务教育化学课程标准（2022年版）》提出要引导学生多视角认识化学反应，结合实例认识合理利用、调控化学反应的重要性[1]。这说明研究化学反应应包含认识化学反应、调控化学反应、体现学科价值三个维度。其中调控化学反应是将反应原理转化为学科价值的重要手段。基于以上认识，笔者尝试建构“认识-调控-价值”认知模型，使化学反应的认识过程结构化和具有可迁移性。“中和反应”选自人教版义务教育化学教科书第十单元课题2，是以酸和碱的性质为基础的一类化学反应，主要内容包括：认识中和反应及其本质，了解其在生活生产中的应用。在教材实验10＼～15中，“慢慢滴人”“恰好变成无色”等都蕴含着调控思想，在运用中和反应原理解决实际问题时也都需要定量调控。可见，中和反应是基于调控思想建构认知模型的重要载体。目前已有很多教师针对“中和反应”这一主题做了不同的教学尝试，比如设计冰醋酸或草酸与NaOH固体反应的创新实验证明水的生成，设置驱动性问题链进行深度探究来发展高阶思维[3]，借助数字化手段认识反应过程中的ΔpH变化4等。这些教学设计都能帮助学生理解中和反应，发展证据推理能力，但也存在如下不足：（1）已有数字化实验均单指中和反应的微观特征，未能从宏微结合视角辨识水的生成；（2）已有教学研究大多只停留在认识中和反应原理的层面，没有发展“合理调控才能创造价值”的观念并建构认知模型，不利于学生的迁移应用以及学科认知方式的发展。2教学设计思路2.1创设气-固反应体系，开展数字化实验盐酸和NaOH溶液反应没有明显现象，难以从宏观视角辨识水的生成。本课例创新设计了由HCI气体和NaOH固体组成的气-固反应体系，利用相对湿度传感器表征水的生成，形成对中和反应本质的宏观认识，同时针对相对湿度数据进行深度探讨，深化学生对中和反应本质的理解。该数字化实验精准应对了“有水生成”这一“隐”点，并将隐点转化成了发展学生逻辑思维、创新精神和证据推理能力的着力点。2.2发展调控意识，建构认知模型本课例融合中和反应应用实例，创设一系列实验探究活动，引导学生运用类比、归纳、推理等科学方法，形成“初步认识中和反应$$系统认识中和反应$$运用反应原理”的认识线和“发展调控意识$$制定调控策略$$运用调控策略”的调控线。基于认识发展调控，基于调控创造价值，最终逐步建构“认识-调控-价值”中和反应认知模型，其建构过程见图1。图1中和反应认知模型的建构过程3教学目标（1）结合数字化手段，通过常见酸碱反应的实验探究，发展运用对比、分析、归纳、推理等科学方法认识中和反应的能力。能正确阐述中和反应的本质。（2）通过对应用中和反应解决真实问题原理的分析，发展化学反应调控意识。能正确利用中和反应原理定量调控溶液酸碱度，体会中和反应的应用价值，建构和完善“认识-调控-价值\"认知模型。（3）通过应用认知模型解决实际问题，发展迁移能力，感受化学学科对社会可持续发展的重要价值，培养社会责任和担当。4教学流程教学流程见表1。表1教学流程5教学实录5.1结合实例，初建模型[播放视频]某胃药广告。[师]展示胃药包装盒（图2）。胃酸的主要成分是什么？胃药中哪种成分能治疗胃酸过多？它属于什么类别的物质？[生]胃酸主要成分是盐酸，胃药中的Al（OH），可以治疗胃酸过多，它是一种碱。［演示实验]模拟治疗胃酸过多的对比实验——将药片分别加入到等体积水、稀盐酸中，见图3。图3胃药的对比试验[师]观察到什么现象？得出什么结论？[生]胃药在水中不溶解，但在稀盐酸中消失了，说明发生了反应。[师]请同学们寻找胃药包装盒中关于“用量”的说明。如果未按规定用药，可能会有什么影响？[生]成人一次1粒，一日3次。如果不按规定用药，服用过多会导致没有足量胃酸来消化食物；服用过少会仍然存在胃酸过多的症状。[师]很好。这说明运用化学原理解决实际问题时，需要通过定量调控来发挥其价值，概括如图4所示。图4初级认知模型5.2深度探究，完善模型5.2.1认识中和反应（1）多组实验，发现规律。[师]用于治疗胃酸过多的Al（OH），能用其他的碱代替吗？酸和碱的反应是否具有普遍性呢？[学生实验]探究不同的酸和碱的反应，记录实验现象。[追问]第2组实验没有明显现象，有什么方法可以判断反应是否发生了呢？［生]指示剂。[学生活动]完善实验设计并记录，见表2。表2探究酸和碱能否反应的实验方案[评价]稀盐酸和NaOH溶液反应的特征：看似风平浪静，实则暗流涌动；若要一探究竟，还需善假于物。（“物”指酸碱指示剂）[师]通过以上实验总结，判断化学反应能否发生有哪些角度？[学生活动]思考、归纳。[生]可以从反应物消耗和新物质生成两个角度判断。对于没有明显现象的化学反应，可借助其他检验试剂显性化。[师]以上事实隐约显现了酸碱反应有共性。虽然探究所有酸碱反应并归纳概括其共性是无法做到的，但通过对有限事例的本质探究，发现其内在规律并加以推演是可行的。（2）宏观视角辨识产物。[师]上述第1组实验生成的白色沉淀为BaSO4

，可推测另一产物为H2O。那么，稀盐酸和ΔNaOH溶液反应的产物是什么呢？[生]根据质量守恒定律，猜测产物是NaC1和H2O，。[师]第2组实验得到无色溶液，直观上NaCl溶于水并不可见，生成的H2O虽可见，但反应前溶液也含有H2O。怎样设计实验证明生成了水呢？[学生活动]思考、讨论。[生1称量反应前后水的总质量，若总质量增加，说明生成了水。[教师评价]理论上看这个思路可行，但是需要把水分离出来借助天平称量，较为繁琐。[师]由于稀盐酸和NaOH溶液中都有大量的溶剂水，干扰我们对生成的水的观察。能不能设计一种实验方案，直接“看见”生成的水呢？[生2]把NaOH溶液换成NaOH固体，稀盐酸换成HCl气体。[教师评价]充分肯定学生这一创新思维。[实验用品]HCI气体、NaOH固体、圆底烧瓶、相对湿度传感器、铁架台等。[演示实验]向充满HCI气体的圆底烧瓶中快速加入少量NaOH固体，塞紧塞子，如图5所示。图5实验装置示意图[师]请同学们认真观察并梳理实验现象，见图6、图7。图6“花椰菜\"状固体图7相对湿度随时间变化曲线图8pH随时间变化曲线[生]瓶内有白雾生成，固体粘在圆底烧瓶内壁，相对湿度增大都说明生成了H2O;NaOH片状固体表面生成“花椰菜”状固体，说明生成了NaCl。[小结]在宏观视角下，我们可以借助反应现象、可视化数据等认识中和反应。（3）微观视角认识本质。[师]在酸和碱反应过程中，水是如何生成的呢？[演示实验]向NaOH溶液中滴加稀盐酸，利用pH传感器测定ΔpH变化，见图8。[师]从pH变化曲线可推知，反应过程中OH-

与H*

结合生成了H2O。[播放视频]ΔNaOH溶液和稀盐酸反应的微观过程。[生]在水溶液中，ΔNaOH解离出Na+

和OH-

，HCl解离出H+

和cl-

。反应本质是H+

和ΩoH-结合生成H2O而Na+

和Cl-

并没有结合。[师]事实上气态HCI是以分子形式存在的，只有在水的作用下才能解离出H+

和cl-

。在之前的实验中，固态NaOH和气态HCl又为何能够发生反应呢？[再次展示]相对湿度变化曲线。[生]反应开始前相对湿度不为0，说明体系中含有少量的水。［师]分析正确！正是由于少量水的存在，使得HCl能够解离出H+

和cl-

。加上NaOH固体具有吸水性，其表面相对湿润，为H+

和ΩoH-

的结合创造了有利条件，反应得以进行。同时，生成的水又能促进反应继续进行。[小结]符号表征：HCl+NaOH=NaCl+H2O□（4）总结规律。[学生活动]回顾酸和碱的定义及其结构特征，认识到组成结构的相似性决定了性质的相似性。类比写出本节课涉及的其他酸和碱反应的化学方程式：3HCl+Al（OH）3=AlCl3+3H2OH2SO4+Ba（OH）2=BaSO4↓+2H2O[师]酸和碱反应都生成了盐和水，这类反应属于中和反应。[学生活动]观察NaCl，AlCl3

和BaSO4

在组成上的共同特征，归纳出“盐”的概念。［小结］中和反应：酸+碱一$$盐+水。本质：H++OH-⟶H2O。[追问]既然酸和碱反应具有普遍性，用于治疗胃酸过多的Al（OH）3

能否换成NaOH呢？[生]不能。NaOH碱性太强，有腐蚀性。[师]利用化学原理解决实际问题时，同时要考虑物质自身性质。（5）定量分析成分[师]回顾本节课的第2组实验，稀盐酸和NaOH溶液反应得到无色溶液，其溶质成分是什么呢？[生］一定有NaCl，可能还有HCl。[学生实验]探究溶质成分。[实验材料]仪器：试管、胶头滴管、镊子。试剂：紫色石蕊溶液、镁条、大理石。[学生活动]设计实验方案，进行实验探究，并将对应的现象、结论填入表3中。表3探究溶质成分的实验方案[师]实验方案的选择应基于什么原则？［生]围绕着“盐酸是否存在”，即以酸的性质为准则。[师]向NaOH溶液中滴加稀盐酸的过程中，溶质成分是如何变化的？结合图8pH曲线中的a、b、c点进行阐述。[生]a点pHgt;7，酸少量，溶质成分为NaCl、NaOH;b点pH=7，酸恰好，溶质成分为NaCl；c点pHlt;7，酸过量，溶质成分为NaCl、。[小结]酸或碱的用量不同，导致溶液的酸碱性不同，溶质成分也不同。[师]请同学们总结中和反应的探究思路以及认识视角。[生]思考、交流。[师］概括同学们的观点：能反应思路认识视角-宏观中和反应成分确定微观5.2.2调控中和反应，体会学科价值（1）探究调控策略。［师]治疗胃酸过多时，服用胃药后胃液中仍有胃酸剩余，即酸过量，pHlt;7。而处理碱性废水时，需要酸碱恰好完全反应，pH=7。如何调控酸碱恰好完全反应呢？用稀盐酸和NaOH溶液的反应来模拟碱性废水的处理过程。提出问题：酸和碱采用哪种方式混合？如何调控酸和碱反应的程度？引导学生从仪器、试剂的选择以及操作等层面思考调控方法。［学生活动]对比原实验装置，探究调控方案并绘制实验装置图，见图9。图9调控中和反应的装置示意图[师]评价学生绘制的装置图，见图10。图10学生绘制的调控反应装置示意图[学生实验]处理碱性废水的模拟实验。设计实验方案并记录，见表4。表4调控中和反应的实验方案[实验材料]仪器：烧杯、胶头滴管、玻璃棒。试剂：稀盐酸、ΔNaOH溶液、酚酞溶液。[师］“溶液瞬间变为无色”说明了什么？[生]变色很突然，稀盐酸容易过量。[师]为了更好地控制用量，应该怎么调控滴加速率？[生]先快后慢。[师]以上调控过程，我们既考虑了用量的问题，又考虑了速率的问题。请同学们总结中和反应的调控策略。[生]思考、交流。[师]概括同学们的观点：定量一一指示剂视角调控方法仪器中和反应速率操作（2）完善认知模型。[师]基于对中和反应的认识，通过调控中和反应才能体现其价值。[学生活动]结合认识与调控中和反应的一般思路、视角与方法，小组合作，以思维导图的形式绘制“认识-调控-价值\"认知模型。[生]讨论、绘制并展示。[师]评价思维导图，修正、补充，最终呈现完整的认知模型，如图11所示。图11“认识-调控-价值\"中和反应认知模型5.3拓展迁移，应用模型[师]农业生产中，常常需要改良酸性土壤（假设土壤中的酸为硫酸）以适应作物生长。请同学们选择合适的改良试剂并简述理由，制定调控方案。[生]试剂选择：熟石灰。理由：能与酸发生中和反应，且成本低、腐蚀性低。化学方程式：Ca（OH）2+H2SO4=CaSO4

+2H2O;调控方案：查阅适宜农作物生长的土壤pH范围。测定土壤ΔpH。少量多次，均匀撒入，翻耕土壤，实时监测pH。［总结]本节课，我们进行了一系列探究活动，逐步建构了“认识-调控-价值”中和反应认知模型。从中我们发现，学科知识的价值体现首先要基于对物质转化规律的认识，进而才能实现物质转化的调控。研究化学反应通常有“化学反应认识-化学反应调控-学科价值体现”三个领域的内容。三者的相互关系可概括如图12所示。图13基于“认识-调控-价值”认知模型的板书设计通过建构化学反应认知模型可以实现知识的结构化，在今后的学习中，我们可以将其作为学习工具加以利用，以提高学习效果，更好地解决化学问题。[课后作业]结合以往所学的化学反应，尝试利用“认识-调控-价值”认知模型梳理知识体系，进一步完善认识与调控视角。［板书设计]通过以上课堂活动，逐渐呈现出如下的知识结构图，见图13。6教学效果与反思（1）数字化实验是认识中和反应的重要手段。本课例中，在学生认识H+

和ΩoH-

结合生成H2O后，教师追问“固态NaOH和气态HCl为何能够发生反应\"引发认知冲突，促使学生关注相对湿度数据并深度思考。中和反应宏观酸+碱→盐+水认识微观（H+OH→HO）视↑配（定量）恰好无色调控方法搅操作指示剂现象价值治疗胃酸过多、处理酸（碱）性废水、改良酸性土壤等这一过程启发了学生要保持严谨求实的态度，抓住本质看问题，在问与答的互动中，学生的质疑与批判、分析与推理等高阶思维得以发展。此外，实验中出现的“白雾”“花椰菜”状固体等现象，也使学生感叹化学的奇妙，激发了学习兴趣。（2）本课例注重发展反应调控意识。基于调控思想