以结构化促进素养发展的教学研究——以“常见酸的化学性质”为例

王小文 陈 凯

一、教学主题内容及教学现状分析

（一）教学主题

“常见酸的化学性质”选自沪教版九年级《化学》下册第七章第二节，内容包括酸与活泼性金属、金属氧化物以及盐的化学变化，酸与酸碱指示剂作用内容位于第七章第一节，酸碱中和内容则置于后续章节中。这样的编排有利于知识建构，对于循序渐进的教学具有重要意义。但是在实际教学过程中，解决综合型生活议题往往需要应用酸的各类性质，同时需要三重表征、论证推理来实现思维升华、观念建构，这样实际拓展的教学对于资优生的培养具有重要意义。

（二）教学现状

首先，培养资优生的初中化学教学研究成果主要集中于初高中衔接的课题，如溶液[1-2]、蜡烛燃烧[3]。其次，通过文献分析发现，在教学中将酸的通性的微观本质分析与实验探究过程割裂[4-5]，并不能真正实现宏观辨识与微观探析的融合，导致学生无法针对一类物质的化学性质形成广泛联系、有序链接的结构化认知体系，所以在纸笔测验中面对实际问题解决时感到困难。

二、教学思想与创新点

《义务教育化学课程标准（2022 版）》提出基于核心素养的培养要求，加强课程内容的内在联系，突出课程内容结构化。内容结构化主要有以下三种形式：基于知识关联的结构化、基于认识思路的结构化和基于核心观念的结构化[6]。

（一）基于知识关联的教学内容结构化

学生在已有的学习经历中对酸的化学性质的认识比较琐碎，所以将酸的化学性质整合在真实情境中，外显宏微符相结合的思维方式，渗透物质的组成决定性质，性质决定用途的认识思路，促进知识结构化。知识关联的结构化需要基于已有知识储备进行建构，实现事实性知识的结构化建构，如图1所示。

图1 内容结构化建构

（二）基于认识思路的教学内容结构化

认识思路的结构化是从学科本质和规律对物质及其变化的认识过程的一种概括，如物质“结构、性质、应用”的关系[7]。以常见酸的化学性质为例，需要挖掘具体知识背后的本质及规律，凝练出初中化学认识一类物质的一般思路，如图2所示。

图2 认识化合物的一般思路

在认识具体物质过程中融入从科学风险视角的分析，明确应对风险议题的决策手段，也是兼顾知识与科学态度的一种认识思路。

（三）基于核心观念的结构化

学科观念建构的教学有利于学生洞悉化学学科的本质属性和内在规律，在此基础上能够更好地将原来孤立零散的知识联系起来，形成有意义的整体。观念是深藏在知识背后的一种思想，观念建构不能一蹴而就[8]，而需要潜移默化、广泛联系、层层推进。通过对酸的各种性质、反应类型和产物类别的分析，促进变化观的建构；以绘制微粒分布图的方式加深对微粒观的理解。这些新知建构均要应用学生较熟悉的微粒、元素、化学方程式、质量守恒定律等先修知识。学生在已有知识与问题解决之间进行关联，最终实现观念结构化[8]。

三、教学目标

1.在实验探究中了解酸的化学性质，从微观视角分析酸的通性的本质原因，逐步建构以酸为中心议题的结构化知识体系。

2.能运用研究物质性质的一般思路与方法，从物质类别视角，初步预测常见酸的性质，设计实验方案，分析、推理、解释有关实验现象。

3.在与酸有关的科学风险问题分析过程中形成基于风险进行决策的科学思路，提升风险决策能力，树立合理使用日化用品和解决生活问题的科学态度。

四、教学流程

本节课教学流程如图3所示。

图3 教学流程图

五、教学实录

（一）宏微结合，理解除垢剂的酸性

[师]家中水垢、锈迹等给人带来烦恼，今天就让我们一起探究除去这些污垢的方法，让家变得更干净卫生。

[展示]除垢剂标签，如图4所示。

图4 除垢剂的标签

[师]从除锈剂标签可知其呈酸性。如何设计简单方案来检验这瓶“水垢清洁剂”的酸碱性？

[演示实验]将紫色石蕊试剂滴入无色除垢剂中。

[师]商场里卖的除垢剂一般呈蓝色，需要用吸附法除色或采用pH 计来避免原有颜色对现象观察产生影响。

[师]紫色石蕊变红与酸溶液中哪一种离子有关？请说出理由。

[生]从溶质的元素组成看，都有氢元素，所以推测紫色石蕊变红与H+有关。

[师]现提供两个硫酸分子、两个氯化氢分子，请同学们分别绘制出稀盐酸和稀硫酸中离子分布图。绘图时注意溶液中阴阳离子电荷总数相同。

[学生绘图]微粒分布示意图如图5所示。

图5 学生绘制酸分子产生的离子示意图

[师]溶质是分子，溶解之后产生了离子，是不是与溶液中水分子作用有关呢？完善酸溶液中微粒分布图。

[学生绘图]盐酸和硫酸中的微粒分布示意图，如图6所示。

图6 学生绘制的酸溶液中微粒分布示意图

教师点评：在真实的除垢情境中，通过导电性测定实验、微粒分布示意图绘制等活动培养宏微结合思维，以此帮助理解酸溶液的化学性质与H+有关，为后面进一步理解酸的通性的本质奠定基础。

（二）标签解读，认识除垢剂的使用禁忌

[师]使用任何日化用品前，都需要仔细研读标签上的注意事项，明确化学品的使用禁忌。请仔细观察除锈剂和水垢清洁剂的标签，你有哪些发现？金属和酸反应的剧烈程度可能受哪些外界因素影响？利用控制变量法，设计实验验证酸的浓度对反应剧烈程度的影响。

[学生实验]利用如图7所示装置进行分组实验，观察现象。

[师]反应物的浓度会影响反应剧烈程度，适当地提高盐酸的浓度可以提高不锈钢表面的光洁度，但是浓度过高则会降低除锈的效果[9]。盐酸浓度高，挥发性强，这会为除垢带来一定的风险。

[师]由金属离子和酸根离子组成的物质是盐。在实验室中，利用活泼金属与酸反应生成盐和氢气的性质来制取氢气。宏观现象源于微观本质，以铁和稀硫酸反应为例，结合所给资料，分析反应中哪些微粒将发生改变？请设计实验方案并验证。

[资料]10%硫酸溶液的pH 约为0，10%硫酸亚铁溶液的pH 约为3.7。SO42-与Ba2+结合会产生不溶于水和酸的白色沉淀BaSO4。

[学生分析]根据溶液颜色的改变，判断铁单质变成了Fe2+，并猜测酸溶液中改变的是H+。验证方法为：将铁加入到少量的硫酸溶液中，测反应前后溶液的酸碱性变化。

[学生实验]用pH 计测量反应前后溶液的pH 值。向反应后溶液中滴加氯化钡溶液，观察实验现象，分析得出结论。

[师]由宏观现象可知，酸能与活泼金属反应。从微观视角看，酸溶液中改变的是H+。基于以上分析，绘制出该反应前后溶液中的微粒分布示意图。

[学生绘图]学生绘制的反应前后溶液中的微粒分布示意图，如图8所示。

图8 学生绘制的硫酸与铁反应前后溶液中的微粒分布示意图

教师点评：解读除垢剂标签，既可以渗透科学风险意识，还能够揭示酸与活泼金属反应的性质，以此设计实验来探究浓度对反应速率的影响，初步了解调控化学反应的方法。通过实验探究、分析推理进一步确定酸溶液具有共同化学性质的原因。在方程式书写、物质类别判断和微观探析中逐步构建结构化认知。

（三）除垢实践，除垢剂功能探究

[师]铁锈（主要成分是氧化铁）质地疏松，易吸收水分和空气，导致铁生锈越来越严重，所以要及时去除。除垢剂需要具备什么性质呢？

[学生讨论]（1）除垢剂能和氧化铁反应且不产生新的难溶性沉淀。（2）加入的除垢剂要足量。（3）除垢剂和氧化铁反应的产物不能污染环境。

[师]使用除锈剂时存在潜在的危险，我们需要有防范意识。利用金属氧化物和酸反应生成盐和水的性质除去锈垢。以硫酸和氧化铁反应为例，绘制出该反应前后溶液中的微粒分布示意图。

[学生绘图]学生绘制反应前后溶液中的微粒分布示意图，如图9所示。

图9 学生个案绘制的硫酸与氧化铁反应前后微粒分布示意图

[师]在第二章学习硬水软化时，我们知道水中可溶性钙镁化合物是导致水硬度变化的主要物质，而煮沸软化法恰是将这些钙镁化合物转变为难溶物质。结合已学知识，难溶性含钙化合物最有可能是什么？如何证明这一猜想？

[学生猜测]碳酸钙，用盐酸与之反应，产生的气体能使澄清石灰水变浑浊。

[师]以碳酸钙与稀盐酸反应为例，结合所给资料，你认为酸溶液中改变的是哪一种离子？如何证明？如何检验氯离子是否改变？画出反应前后溶液中的微粒分布示意图，分析变化异同。

[资料]硝酸银可用于检验盐酸或在溶液中能产生Cl-的化合物，生成AgCl 白色沉淀。

[学生绘图]学生绘制的CaCO3与盐酸反应前后溶液中的微粒分布示意图，如图10所示。

图10 学生个案绘制的反应前后溶液中微粒分布示意图

教师点评：将酸与某一种物质的反应拓展到一类物质的反应。

（四）衔接后续，探究酸碱中和的除垢功能

[师]水垢的另一种主要成分是氢氧化镁，运用除垢的一般思路，氢氧化镁也应该和酸反应。

[演示实验]氢氧化镁分别和稀盐酸、稀硫酸反应。

[学生观察]白色固体消失了。

[师]盐酸、硫酸都能溶解水垢，也是氢离子发挥了作用。

教师点评：水垢成分复杂，酸能与金属、盐、碱等发生反应，将研究物质性质的思路与方法进行迁移，为后续探究中和反应做铺垫。

（五）总结升华，拓展除垢剂成分的生活视野

[师]物质的组成决定性质。由于酸溶液中都含有氢离子，所以表现出相似的化学性质。但是阴离子不同，不同酸的性质也有差异性。请从物质类别角度总结盐酸、硫酸等酸性物质化学性质上的通性，并预测醋酸的化学性质与用途。

[生]总结酸的通性，并预测醋酸也具有酸的通性，可用于除去水垢。

[师]实践证明用醋酸除垢的时间较长，你们认为是何缘故？

[生]生活中使用的醋酸浓度低、酸性弱。

生活中常见的酸溶液的pH 值，如图11所示。

图11 生活中常见酸溶液的pH

[师]酸性强弱与酸的浓度有一定的关系。酸的浓度对物质的性质和用途有重要影响，如胃液中的盐酸，合适的浓度可以促进食物消化，但是浓度过大，身体也会不舒服。生活中一般用柠檬酸作为水垢的清洗剂，柠檬酸做除垢剂的优点有哪些？

[学生讨论]柠檬酸酸性较强，除垢速度快；食品级，无害环保；呈现固态，便于储存和运输等。

[师]酸的化学性质在一定程度上体现了酸的腐蚀性，但是对人类而言并非只有坏处。生活中要能从化学视角辩证地认识物质性质，要有防范风险意识以及规避风险能力。

教师点评：观念显性化有助于加深对知识的结构化认知。联系生活实际并不只是“知道”，还在于实践和比较。

六、教学反思

学生在课后交流时提及最大收获就是可以类比酸化学性质的研究思路与方法认识其他类物质。一方面，从不同途径体验化学变化的证据，认识调控化学反应快慢的方法；另一方面，从宏微结合视角认识物质性质背后的本质，在结构、性质和用途联系的整体架构中触类旁通，解决实际问题。

学生拓展了认识知识的视角。（1）教科书外知识的适当补充，并没有增加学生的学习负担，反而有利于对概念的深入理解；（2）课堂上做的实验都短小精练，非常适合独立操作；（3）科学风险视角的融入，在知识学习之外，增加了对社会和生活的思考。教师在教学过程中感受到了加强科学风险教育的意义，在本节课中学生不仅要面对常规化学实验药品的危险性和操作不当可能带来的风险，还要关注日化用品、化工生产中的安全隐患[10]，在潜移默化中超越知识，逐步构建发现风险、认识风险、分析风险、理解风险以及规避潜在风险的结构化认识体系[11]。此外，本课多处拓展的信息、数据、知识旨在带领学生感受科学知识的不确定性和复杂性，这有助于补充完善学科知识结构，对资优生发展意义重大。但是本节课课堂内容容量大，需要学生对资料进行分析理解，部分学生有跟不上的现象，需要在后续教学中反思改进。