促进“科学探究与创新意识”...硫酸钠溶液pH的变化及应用_王红轩.pdf
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1、促进“科学探究与创新意识”素养发展的高三复习课 探究亚硫酸钠溶液p H的变化及应用王红轩*(北京市第一七一中学 北京 1 0 0 0 1 3)摘要 以“探究N a2S O3溶液p H的变化及应用”教学设计为例,通过课堂教学设计与实施,建构以探究物质性质及变化为目的的科学探究思维模型,在解决实际问题的过程中形成发现多因素、求证多因素、分析多因素、应用多因素的思路与方法;通过课后作业设计与实施,对已有认知模型进行反思与修正,使“教、学、评”活动有机结合,促进学生“科学探究与创新意识”化学学科核心素养的逐步发展与提升。关键词 科学探究 创新意识 N a2S O3溶液 高三复习课 教学设计D O I:
2、1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 1 0 2 3 6 *通信联系人,E-m a i l:w a n g h o n g x u a n 1 7 1 1 2 6.c o m1 教学主题内容及教学现状分析本节课是高三一轮复习课,属于“水溶液中的离子反应与平衡”专题,以探究N a2S O3溶液在不同温度下p H的变化为主题,聚焦的核心知识包括:(1)电解质在水溶液中的行为,涉及了从电离、离子反应及化学平衡的角度认识电解质水溶液的组成、性质和反应;(2)电离平衡,涉及了水的电离平衡、溶液的酸碱性和p H;(3)水解平衡,涉及了盐类水解的
3、原理和影响盐类水解的主要因素。通过聚焦上述核心知识,帮助学生从溶液中存在的粒子、粒子间的相互作用、粒子间作用的结果等角度强化微粒观、变化观、平衡观等学科观念。本节课整合4个教材实验,包括测定溶液p H、探究盐类的水解、探究不同价态含硫物质的转化(新教材必修1中新增内容)、检验S O2-4等,内容涉及必修课程中元素化合物的性质、选修课程中化学反应原理以及相关实验操作等必备知识与技能。目前高三的教学多是直逼高考:(1)砸知识点,面面俱到;(2)刷题,所谓提高能力。教学跟着复习资料走,围着考题转,以得分为目的,几乎不顾及学科素养,也不理会“必备品格,关键能力”在学习活动中的建设和实践应用中的发展,造
4、成学生在能力立意、创新思维考查的真实问题情境下,不能合理调用已有知识与研究问题有效对接,其根本在于碎片化的知识难以应对结构化的真实问题,显示出“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”化学学科核心素养和“证据推理”“创新思维”科学探究思维品质的缺失1。基于此,设计了以科学探究为主题的复习课,通过组织学生开展关键能力活动,促进学生化学学科核心素养的发展。2 教学思想与创新点2.1 温故求新,创设真实探究情境,强化学科观念,发展学科素养在备考复习中,“温故”是落实学科核心知识的首要保障。聚焦核心知识可以将学生从大量的、碎片化的学习中解放出来,使学生能集中精力去理解核心知识的内涵和价值,围绕核心知
5、识建构知识体系,迁移应用核心知识分析和解决问题,为素养导向的教学提供时间上的保障2。复习课在聚焦核心知识的同时应避免学生形成思维定式,避免学生认为只要夯实基础知识、熟记规律或结论就可以解决实际问题。笔者发现复习课设计“温故遇新”环节可以激发学生学习兴趣,“温故求新”环节可以打开认识问题和思考问题的角度、丰富解决问题的方法、创设解决问题的思维路径,激发创新意识、培养创新思维。基于此,本节课设计了探究N a2S O3溶液在不同温度下p H的变化及应用,通过对溶液p H变化的预测与实测出现反常,发现新现象,引发新问题,做出新假设;通过对体系组成与粒子性质的重新分析,提出N a2S O3 除水解反应外
6、还可被空气中O2 氧化的新变化;通过设计探究方案证明新变化,对实验方案进行对比、优化,发现新方法;通过讨论油田水中的除氧问题,发现研究物质变化的新价值。通过“温故求新”,提升学生对水溶液中离子反应与平衡的系统性、多样性、复杂性的认识,摆脱思维定式的942 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)束缚,大胆创新,形成探究真实问题的思维路径,促进科学探究与创新意识、证据推理与模型认知化学学科核心素养的同步发展。2.2 发展科学探究的一般思维模型,提升解决复杂问题的能力科学探究与创新意识
7、化学学科核心素养分为四级水平,基于水平3的内容,教师在高中新课教学中带领学生可以建构出科学探究的一般思维模型,主要包含以下一级要素:提出问题、做出假设、设计实验、完成实验、记录现象收集证据、分析证据、得出结论。但随着高三复习的深入,学生解决复杂问题时需要对关键要素进行查找、梳理、分析,建构出相应的思维模型,最终选择不同的模型综合解释或解决复杂的化学问题。因此,需要对科学探究的一般模型进行发展和细化。3 学情分析(1)学生知道可从物质类别和化合价角度预测物质性质,知道水溶液中的离子反应主要包括酸碱反应、沉淀反应、氧化还原反应、络合反应等,但在解决实际问题的过程中,特别是面对复杂情境时,自主分析物
8、质体系组成、综合类别通性和价态升降的氧化还原角度3预测性质、分析多种变化的意识和能力均有待提升。(2)学生知道影响盐类水解平衡的因素,但多局限在单一因素的分析,针对复杂体系中的多因素分析以及多因素之间相互影响的分析能力有待提升。(3)学生知道科学探究的一般思维路径,了解其一级要素,但针对物质性质及其变化为主题的科学探究,缺乏更为具体的二级要素(如预测物质性质及其变化的角度、设计实验的试剂选择与干扰因素分析、复杂情境下化学变化的多样性对现象和结论的影响)及要素间的逻辑关系,最终导致解决较复杂的科学探究问题时缺乏更具体的思维路径。当实验事实与已有认知发生冲突时,学生的反思能力及进行探究的自觉性、逻
9、辑性、科学性、创新性均有待提升。(4)学生对定性实验的设计与分析自觉性较高,但对定量实验的设计与分析自觉性较为薄弱,从定性与定量相结合的角度设计实验、收集证据、得出结论的能力有待提升。4 教学目标(1)通过自主设计实验,探究N a2S O3溶液在不同温度下p H的变化,从定性与定量角度预测、设计、分析、改进实验,外显科学探究的思路与方法,内化创新、优化、反思意识,建构以探究物质性质及变化为目的的科学探究思维模型。(2)通过对复杂体系物质组成、性质、变化的多角度分析,通过预测与实测的差异,激发敏锐发觉旧思维角度与思维路径缺陷的意识,培养进行新颖推测和设想、探索新方法并进行周密论证的能力,提升科学
10、探究与创新意识、证据推理与模型认知的化学学科核心素养发展水平,提升对复杂体系中多因素综合分析的能力。(3)通过对油田水中的除氧问题提出解决思路与探究方案,体会研究N a2S O3溶液性质及变化的应用价值,结合科研成果,激发创新热情、培养创新意识。5 教学流程(表1)表1 教学流程T a b l e 1 T e a c h i n g p r o c e s s教学环节问题线设计意图(1)引入情境定性预测定量验证(1)预测2 5,N a2S O3溶液的p H7,说明理由。(2)设计实验验证。比较不同的测定方法有何区别 诊断预测物质性质有无角度。落实测定溶液p H的必备知识;通过比较实验方案,强化
11、优化意识(2)预测变化初步探究发现冲突(3)升温再冷却至2 5,p H如何变化?说明理由。(4)如何设计实验验证预测?展示并评价方案。(5)能否做到温度与p H的同步、实时监测?(6)依据数据,得出怎样的结论诊断能否利用反应原理预测条件对变化的影响。通过评价、比较方案,强化创新意识、优化意识。启发设计数字化实验获取证据,激发创新意识。通过预测与实际冲突,激发反思意识(3)深入探究得出结论建构模型(7)解决与变化相关的困惑时,思维路径是什么?提出对物质性质与变化的猜想。(8)如何设计实验证明氧化还原反应的发生?(9)总结影响p H变化的因素有哪些?多种因素有无主次之分?(1 0)能否对已有的科学
12、探究思维模型进行补充、细化,发展出二级要素诊断能否自主调用已有思维模型,为捕捉新的思维角度提供思维路径。建构证据与结论的“因果性、唯一性”关系;强化变量控制意识,从定性与定量相结合角度设计实验。建构一物多性质、多性质导致多变化、多变化分主次、分主次决定平衡移动结果的多因素分析思路。对已有认知模型进行发展、创新,使某一类科学探究问题的思路结构化(4)因势利导应用变化感悟价值(1 1)空气中的氧气对油气田的设备及管线会产生较严重的腐蚀。你能想到哪些方法除去氧气?(1 2)使用N a2S O3做除氧剂,除氧率与哪些因素有关?如何设计实验探究最佳除氧条件应用物质的性质解决实际问题,体会研究物质性质及变
13、化的应用价值。学以致用,分析复杂体系中的多因素影响,应用变量控制思想设计对比实验,培养科学探究能力05化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期6 教学实录6.1 引入情境,定性预测,定量验证 教师 展示N a2S O3的用途。请预测2 5 时,N a2S O3溶液的p H7,说明理由。学生 N a2S O3属于强碱弱酸盐,S O2-3发生水解,S O2-3结合水电离出的H+,使水的电离平衡正向移动,溶液中c(OH-)c(H+),故2 5 时,N a2S O3溶液的p H 7。教师
14、 现有0.1 m o lL-1 N a2S O3溶液,设计实验验证预测、记录现象、说明操作要点。学生 回答见表2。教师 这2种定量测定溶液p H的方法,有何区别呢?学生 p H计测定的数据更准确,如果溶液的p H有微小的变化,p H计可以测定出来。表2 测定溶液p H的方案、现象及操作要点T a b l e 2 E x p e r i m e n t a l s c h e m e,p h e n o m e n o n a n d o p e r a t i o n k e y p o i n t s o f p H d e t e r m i n a t i o n i n N a2S O
15、3 s o l u t i o n学生方案 实验现象操作要点多数:用p H试纸测定0.1 m o lL-1 N a2S O3溶液的p Hp H约为1 0蘸、点、比、读少数:用p H计测定0.1 m o lL-1 N a2S O3溶液的p Hp H=9.6 6取、浸、读6.2 预测变化,初步探究,发现冲突 教师 请预测该溶液升温至4 0,再冷却至2 5,p H如何变化。说明理由。学生 溶液中存在水解平衡:S O2-3+H2OH S O-3+O H-,水解反应为吸热反应,因此升高温度,平衡正向移动,c(O H-)增大,p H升高;降低温度,平衡逆向移动,c(O H-)减小,p H降低,当温度降至2
16、 5 时,溶液的p H重新回到9.6 6。教师 请设计实验检验预测是否正确。学生 方案见表3(多数小组设计为方案1,少数小组在此基础上改进出后2个方案)。表3 检验温度对溶液的p H影响的实验方案T a b l e 3 E x p e r i m e n t a l s c h e m e o f t h e t e m p e r a t u r e i n f l u e n c e o n p H o f N a2S O3 s o l u t i o n方案1取待测溶液于试管中,盖上双孔塞(用于插温度计及与大气连通)。用酒精灯加热试管,依据温度计示数停止加热,打开塞子,测p H方案2因酒
17、精灯加热温度不易控制,故将加热方式改为水浴加热方案3如果用p H试纸测定,蘸、点、比对的过程中,溶液温度会降低,影响测定结果;如果用p H计测定,因试管口太小,p H计无法浸入溶液中,故将试管改为锥形瓶 教师 如何将测温、测p H合二为一,对溶液的温度与p H做到同步、实时监测呢?(学生思考后,教师启发学生回顾新教材必修1验证次氯酸见光分解的数字化实验)学生 可通过数字化实验:借助三颈瓶,使用温度传感器和p H传感器同步测定。实验数据及结论见表4。表4 不同时刻、不同温度下溶液的p H及实验结论T a b l e 4 p H o f N a2S O3 s o l u t i o n a t d
18、 i f f e r e n t t i m e s,t e m p e r a t u r e s a n d e x p e r i m e n t c o n c l u s i o n s时刻温度/2 53 04 02 5p H9.6 69.5 29.3 79.2 5实验结论加热N a2S O3溶液,溶液的p H不升反降;与预测不符。同为2 5,2次溶液的p H竟然不一样;与预测不符6.3 深入探究,得出结论,建构模型 教师 为什么实测与预测不符呢?解决与变化相关的困惑时,思维路径是什么呢?学生 从前期学习中建构的研究物质变化的一般思维模型(见图1)开始重新分析:F i g.1 G e
19、 n e r a l t h i n k i n g m o d e l o f r e s e a r c h o n m a t e r i a l c h a n g e s图1 研究物质变化的一般思维模型物质 体 系 组 成 包 括 试 剂 与 环 境,试 剂 为N a2S O3溶液,环境为空气。空气中的O2有氧化性,而N a2S O3从化合价的角度判断具有还原性,因此可能发生了:2 N a2S O3+O22 N a2S O4,导致c(S O2-3)减小,水解平衡逆向移动,c(O H-)减小,溶液p H下降。在加热过程中,无法阻止环境中的O2与S O2-3发生氧化还原反应,故溶液p H
20、下降;降温至室温的过程中,依然无法阻止氧化还原反应的发生,导致p H继续下降。教师 请设计实验证明该氧化还原反应的发生。学生 检验S O2-4是否产生。活动过程见表5。教 师综 上,在 通 常 实 验 环 境 中,对 于N a2S O3溶液在不同温度下的p H变化,有哪些影响因素?如何影响?学生表面看只有温度是影响因素,但实际上氧化还原反应与水解反应同时发生,导致S O2-3浓度减小。温度和浓度均可影响溶液的p H。升温,使水解平衡正向移动,p H 增大;S O2-3浓度减小,使水解平衡逆向移动,p H减小。152 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/
21、w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)表5 检验S O2-4的实验方案与方案评价T a b l e 5 E x p e r i m e n t a l s c h e m e o f S O2-4 i n s p e c t i o n a n d i t s e v a l u a t i o n小组讨论,分组汇报学生评价教师点评方案1取少许溶液,滴加B a C l2溶液,若产生白色沉淀,则证明产生了S O2-4体系中含S O2-3,S O2-3与B a2+也可形成白色沉淀,干扰检验现象是推理的证据,证据与结论保证“因果性”和“唯一性”方案2取少许溶液,
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