基于真實情境的深度學習與思維發(fā)展

王長艷 李伏剛 陳瑞雪

摘要：基于對化學深度學習的研究，在模擬侯氏制堿的情境中思考、分析碳酸鈉工業(yè)制備的原料、原理問題，建立認識物質和分析轉化的學科視角;實驗探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質差異，思維有序地從定性和定量的角度分析混合物，提升真實情境下綜合復雜問題的解決能力，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞：制備Na2CO3;深度學習;思維發(fā)展

文章編號：1008-0546（2022）08-0047-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.010

化學深度學習的內涵為：“在教師引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，開展以化學實驗為主的多種探究活動，從宏微結合、變化守恒的視角，運用證據推理與模型認知的思維方式，解決綜合復雜問題，獲得結構化的化學核心知識，建立運用化學學科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。[1]”化學深度學習的根本目標是改變學生的學習方式，促進化學學科核心素養(yǎng)發(fā)展?；趯瘜W深度學習的研究，在進行元素化合物內容教學時，恰當選取真實生產生活情境，課堂中以具體知識為載體，以帶有驅動性的問題引領學生進行驅動思考、深度探究，將問題“情境化”，促使學生基于問題深度參與課堂學習，提升真實情境下綜合復雜問題的解決能力，發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)。

一、課程標準要求和教學內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對碳酸鈉和碳酸氫鈉內容的教學要求是：結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉及其重要化合物的主要性質，了解這些物質在生產、生活中的應用[2]。教材內容安排主線為展示碳酸鈉和碳酸氫鈉的主要用途→實驗比較碳酸鈉和碳酸氫鈉的溶解性→介紹碳酸鈉和碳酸氫鈉的主要物理性質→實驗對比碳酸鈉和碳酸氫鈉的熱穩(wěn)定性→科學史話介紹侯德榜和侯氏制堿法。教材內容的編排給出了研究碳酸鈉和碳酸氫鈉性質的基本方法——對比法，也給實際教學提供了豐富的情境素材，既可以從生活實際應用入手進行學習，又可以從實驗探究進入學習，還可以借助侯氏制堿法并結合工業(yè)生產深入學習。基于學生在初中學習過部分碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質，在本節(jié)前一部分運用對比法學習了氧化鈉與過氧化鈉的性質，碳酸鈉和碳酸氫鈉這部分教學內容可以在深入了解兩種鹽各自性質的基礎上進一步開放思維，以哪些物質之間的反應可以生成Na2CO3引發(fā)思考，從元素找尋物質，多角度分析實際工業(yè)生產的需求;以測定實驗室制備出的產品碳酸鈉含量引發(fā)師生間、生生間思維的碰撞，梳理出對于混合物進行定性、定量分析的思路。

二、教學目標和教學流程

（1）通過思考、分析碳酸鈉工業(yè)制備的原料、原理問題，進一步建立認識物質、分析轉化的學科視角。

（2）通過實驗探究碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質差異，進而思維有序地從定性、定量的角度分析混合物，促進科學探究與創(chuàng)新意識的化學學科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

（3）通過對純堿工業(yè)的發(fā)展史和侯德榜個人事跡的介紹，感悟“實干興邦”的重要意義，落實科學態(tài)度和社會責任的化學學科核心素養(yǎng)。

本節(jié)課的情境線、問題線、學生認識發(fā)展線設置如圖1所示。

三、教學過程

1.探秘侯氏制堿法

【展示】碳酸鈉和碳酸氫鈉的主要用途。

【提問】哪些物質之間的反應可以生成Na2CO3？

【回答】Na2O、Na2O2、NaOH都可以與CO2反應生成 Na2CO3。

【思路外顯總結】（見圖2）

【追問】依據哪些因素思考圖2所示反應是否能夠應用于工業(yè)生產中？

【思考】從原料來源、成本、生產工藝、安全性等選擇NaOH與CO2反應制備Na2CO3。

【展示】NaOH、Na2CO3成本價格。

【師】需要找到更加廉價易得的Na源。

【生】NaCl。

【提問】NaCl + NH3+ CO2+ H2O = NaHCO3↓+ NH4Cl此反應能發(fā)生的原因是什么？

NaHCO3→ Na2CO3轉化可以實現(xiàn)嗎？

【思考回答】反應能發(fā)生的原因是NaHCO3溶解度小，NaHCO3受熱質量減少，預測NaHCO3受熱能分解，產物可以用澄清石灰水鑒別。

設計意圖：從物質所含核心元素的角度尋找實現(xiàn)制備碳酸鈉的諸多反應，進而分析Na2CO3工業(yè)制備的原料、原理問題，建立認識物質、分析轉化的學科視角，提升證據意識、科學探究意識。

【師】很好，以上我們分析的反應原理就是侯氏制堿法的主要制備原理。

【展示】侯氏制堿法原理。

【師】侯氏制堿法又稱聯(lián)合制堿法，是我國化學工程專家侯德榜先生于1943年創(chuàng)立的。侯氏制堿法的創(chuàng)舉在于不僅可以獲得產品Na2CO3，還可以獲得產品 NH4Cl。

設計意圖：感悟侯氏制堿法的精妙，落實科學態(tài)度和社會責任的化學學科核心素養(yǎng)。

2.模擬侯氏制堿法制備Na2CO3

【展示】碳酸鈉實驗室制備過程。（見圖3）

反應原理：NH4HCO3+NaCl=NaHCO3↓+NH4Cl 2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2↑

【提問】產品中碳酸鈉的含量是多少呢？產品可能存在哪些雜質？

【回答】產品中可能存在沒有分解完全的 NaHCO3，還可能有NaCl、NH4Cl。

【繼續(xù)思考】依據資料NH4Cl溶解度大，受熱易分解，產品中可能有NaHCO3和NaCl。

設計意圖：從制備原理出發(fā)分析產品中可能存在的雜質，結合已有證據作出合理推斷。

【提問】如何知道產品中是否還存在NaCl 呢？

【回答】可以利用 AgNO3溶液鑒別產品中是否含有NaCl。

【展示說明】產品經硝酸酸化后滴加 AgNO3溶液后產生白色沉淀，產品中存在NaCl。

【追問】如何知道產品中是否還存在沒有分解的 NaHCO3呢？

【回答】還可以繼續(xù)受熱分解檢測分解產物。

設計意圖：基于已有認知、物質性質提出恰當的檢驗方法。

【師】還有沒有其他方法呢？我們再多了解一些 Na2CO3、NaHCO3的性質。

【展示】碳酸鈉和碳酸氫鈉溶解性的比較實驗。

【分組實驗】Na2CO3溶液、NaHCO3溶液分別與稀鹽酸、Ba（OH）2溶液的反應。

【說明】學生在分組實驗中發(fā)現(xiàn)，起始向Na2CO3溶液滴加稀鹽酸無明顯現(xiàn)象，繼續(xù)滴加產生氣泡，向 NaHCO3溶液滴加稀鹽酸即有氣泡產生;向 Na2CO3溶液、NaHCO3溶液中滴加 Ba（OH）2溶液均有白色沉淀生成。

【實驗原理分析】

Na2CO3+2HCl=2NaCl + H2O + CO2↑

Na2CO3+ Ba（OH）2=BaCO3↓+2NaOH

NaHCO3+ HCl=NaCl + H2O + CO2↑

NaHCO3+ Ba（OH）2=BaCO3↓+ NaOH + H2O

設計意圖：通過教師演示、學生預測、分組實驗進一步認識碳酸鈉、碳酸氫鈉的化學性質，發(fā)展科學探究核心素養(yǎng)。

3.產品成分鑒定

【師】現(xiàn)在我們對于Na2CO3和NaHCO3又多了一些認識。

【提問】如果產品質量是m克，如何知道其中是否還存在沒有分解的NaHCO3呢？

【分組思考】

【思考、分析】如果能知道產品中鹽酸反應產生 CO2的量是不是可以確定出是否含有NaHCO3呢？

【回答】應該可以。如果產品中含 NaHCO3，與鹽酸反應釋放出 CO2氣體的質量應該與純凈的 Na2CO3不相等。

【追問】但是產品中有NaCl，NaCl 的質量可以知道嗎？

【回答】雜質 NaCl 的質量可以通過產品與AgNO3溶液沉淀獲得AgCl 的質量確定下來。

【追問】還有其他方法嗎？

【回答】利用與Ba（OH）2溶液反應獲得沉淀BaCO3的質量也可以確定。

【師】我們想知道產品中是否還存在沒有分解的 NaHCO3，剛才大家的想法實際上一直在進行比較，是與什么進行對照的呢？

【回答】與純凈的Na2CO3進行比較。

【師】物理性質可以幫助我們確定產品中是否還存在沒有分解的NaHCO3嗎？

【回答】如果產品中雜質少利用顏色、狀態(tài)、溶解性不易判斷。

設計意圖：基于碳酸鈉和碳酸氫鈉的物理性質、化學性質提出完成對混合物進行定性說明NaHCO3存在、定量確定 Na2CO3含量的可行性，并在分析過程中完善認識思路。

【思路外顯和總結】（見圖4）

【師】通過上面的分析我們可以感受到以上的鑒別方法在實際操作中也都存在操作復雜的問題，且雜質如果含量不高不易獲得準確結果，那么還有其他方法嗎？

【展示】向一定濃度的 Na2CO3溶液中加入稀鹽酸過程中pH變化圖像（見圖5）。

【提問】依據 pH 的圖形走勢，Na2CO3溶液與稀鹽酸是怎樣進行反應的？

【傾聽、思考、分析】Na2CO3溶液與稀鹽酸反應是分段進行的。

【展示】向產品溶液中加入稀鹽酸 pH 變化圖像（見圖6）。

【提問】依據pH的圖形走勢，若產品中含有NaHCO3則在滴入稀鹽酸發(fā)生反應的兩個階段耗用鹽酸的體積大小關系是什么？

【分析、回答】若產品中不含有NaHCO3則分段所用稀鹽酸體積應是一樣大的，若含有NaHCO3，第二階段用的稀鹽酸會更多。

設計意圖：以向一定濃度的Na2CO3溶液中加入稀鹽酸后pH 變化的圖像為證據，分析Na2CO3溶液與稀鹽酸反應的過程，進而分析滴定法應用于Na2CO3含量測定的可操作性。

【師】我們也有一些現(xiàn)代儀器分析方法可以幫助我們確定產品中是否含有NaHCO3。

【展示】利用紅外光譜儀、X-射線衍射儀測定產品中是否含有NaHCO3的方法。

【說明】NaHCO3結構中獨有的氧氫結構會在紅外光的入射下特定的位置產生吸收峰，據此可知是否含有NaHCO3（見圖7）;每一種晶體物質都具有特定的晶體結構，用X射線照射試樣，試樣中的物質受激發(fā)后會在特定的位置出現(xiàn)吸收峰，通過樣品和純品的比對，就可以知道其中是否含有NaHCO3（見圖8）。

【提問】依據今天所學找出能夠實現(xiàn) Na2CO3、 NaHCO3轉化的方法。

【回答】向 Na2CO3溶液中加入少量鹽酸可以生成 NaHCO3。NaHCO3固體受熱分解得到Na2CO3。NaHCO3與NaOH溶液反應可以生成Na2CO3。

【師】還有其他方法嗎？

【展示】向飽和Na2CO3溶液中通入CO2。（見圖9）

【生】向飽和 Na2CO3溶液中通入 CO2也會生成 NaHCO3。NaHCO3溶解度小會在溶液中以固體形式析出。

設計意圖：從組成、性質認識 Na2CO3、NaHCO3相互轉化的方法，正鹽與酸式鹽相互轉化的一般規(guī)律。

四、教學效果及反思

碳酸鈉和碳酸氫鈉的學習基于教材內容，在真實情境中設計符合學生認知發(fā)展規(guī)律的遞進問題，開展了有效的基于問題的驅動思考、深度探究，促進了學科深度學習與學生思維發(fā)展。整節(jié)課思路清晰，具備以下特點：

1.重視情境創(chuàng)設，體現(xiàn)學科價值

“碳酸鈉和碳酸氫鈉”是繼“氧化鈉和過氧化鈉”之后學生需要掌握的另外兩種重要的鈉的化合物。本次學習以哪些物質之間的反應可以生成 Na2CO3引發(fā)思考，從元素找尋物質，多角度分析實際工業(yè)生產的需求;以測定實驗室制備出的產品Na2CO3含量引發(fā)師生間、生生間思維的碰撞，梳理出對于混合物進行定性、定量分析的思路。學生在教師創(chuàng)設的具有探究性、啟發(fā)性、生動性的情境中激發(fā)學習興趣，步步深入探究，凸顯了核心知識的應用價值。

2.關注問題解決，構建認識思路

本次學習從物質所含核心元素的角度尋找實現(xiàn)制備Na2CO3的諸多反應，進而分析Na2CO3工業(yè)制備的原料、原理問題，建立認識物質、分析轉化的學科視角;基于Na2CO3和NaHCO3的物理性質、化學性質提出完成對混合物中NaHCO3是否存在的證明。學生的認識思路在尋找性質差異、對比純凈 Na2CO3、思索證據是否充分中逐步完善形成，在進一步認識 Na2CO3和 NaHCO3的相關性質基礎上，建立了科學探究的思維模式。

3.致敬侯氏制堿，培植社會責任

本次學習的情境取自在實驗室模擬侯氏制堿法制備Na2CO3。在教學過程中適時將侯氏制堿法、侯德榜先生的事跡介紹給學生，學生在課堂學習中感受中國化學化工專家為國家發(fā)展所作出的貢獻，深悟自己身上承擔的社會責任，讓學科德育落地生根。

參考文獻

[1]胡久華，羅濱，陳穎.深度學習：走向核心素養(yǎng)[M].北京：教育科學出版社，2019，2-3.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：33-35.

[3]商建波，楊玉琴.基于真實情境的深度學習——以人教版九年級化學“溶液的形成”為例[J].化學教學，2020（12）：35-40.