运用实验体现概念的建构过程

——“离子反应”的教学与思考

《中学化学教学参考》2012、3

高中化学的起始课中就有不少化学概念，如必修1中的“物质的量”、“电解质与非电解质”、“离子反应”、“氧化还原反应”等。而目前较为普遍的教学现状是将概念教学简单处理成“一个定义，几点注意”的条目陈述，然后辅以大量习题训练，认为这是一种省时省力、便捷高效的教学。殊不知这一做法严重背离了概念的“本源”。概念是人们对事物本质属性的认识，是逻辑思维的最基本单元。这一特点决定了概念不是教师“讲”出来的，是学生自己通过对具体事实的体会并加以逻辑思考建构出来的，教师的作用只能是也必须是设计认识概念的教学过程，而这一过程的特点一是从表象入手，二是与思维联系。在这一过程中，化学实验通常是很好的载体，但如何用好实验是需要精心策划的。

本文以人教版必修1第二章第二节“离子反应”的教学以例，谈谈这一高中化学典型概念的教学处理。

一、            对化学反应的认识是认识离子反应的前概念。

科学概念的形成是有过程的。科学教育的意义不仅在于让学生掌握这些科学知识，更重要的是了解这些知识的产生过程，懂得这些知识的可信度——是绝对的还是可变的，这就是形成科学素养的过程。在学习“离子反应”概念之前，学生对电解质在溶液里进行的复分解反应不是没有认识的，这种认识就是学生的前概念，是“离子反应”教学设计的基础。教师要做的是让学生发现前概念的局限性，发现复分解反应并不是象他原先理解的那样是两种物质在反应，而是只有“部分”离子在反应。那么怎么才能发现这个问题呢？教学是从提问与实验开始的。

问题1：有4种物质：Ba(OH)₂、HCl、H₂SO₄、Na₂SO₄，都属于电解质（这是前一节已形成的概念），它们的溶液任意两两混合，可能有哪些反应发生？

学生能写出3个反应：Ba(OH)₂+2HCl = BaCl₂+2H₂O、Ba(OH)₂+H₂SO₄=BaSO4↓+2H₂O、Ba(OH)₂ +Na₂SO₄ = BaSO₄↓+2NaOH，然后请他们动手实验，验证一下这3个反应的发生。这里设计的问题与实验都很平实容易，意在激活学生的前认知，为下一问题作铺垫。

二、            如何通过实验让离子“看得见”？

学生在动手验证3个反应时会发现，除2个反应中有白色BaSO₄沉淀可以观察之外，Ba(OH)₂与HCl溶液的反应几乎没有明显现象，但从理论上知道反应在发生。因此，下一个问题自然产生了：

问题2：怎样让这个不易观察的反应“看得见”？

当学生还没有建立起“离子反应”概念时是不会想到要“看见”溶液中的离子的，所以教师的问题只能从他们的认知出发，先来解决实验中自然产生的问题。“自然”是概念教学中特别要重视的，因为这种“自然”就体现出学科知识本身的逻辑性和学生思维的逻辑性。学生用以往所学知识自然能想到使用指示剂酚酞可判断酸碱反应的发生，于是再次请他们实验验证：先在Ba(OH)₂溶液中滴入酚酞，重新做刚才3个反应，实验完成后填写表格：

表1  滴有酚酞的Ba(OH)₂分别与HCl、H₂SO₄、Na₂SO₄反应情况

不惜花时间将3个简单的复分解反应的试管实验做两遍是有意义的。在这样的前后对比中，具体物质逐渐退场，特定离子逐渐登台，慢慢进入学生的视线了，当然还要配以教师合理的提问启发。如：酚酞的红色让我们“看到”了溶液中的OH^-，那怎么理解红色褪去这一现象？如何用化学语言表达？（OH^- +H⁺=H₂O）从元素的来源看，如何理解BaSO₄白色沉淀的生成？如何用化学语言表达？（Ba²⁺+SO₄^2-= BaSO₄↓）Ba(OH)₂与Na₂SO₄溶液的反应中，OH^-没有变化，那么Na⁺会有变化吗？理由是什么？（可以从溶液电中性的角度分析。）这些问题带着学生从实验观察的表象出发，进行富有逻辑性、条理性的思维，逐步在头脑中将概念建构起来。

在Ba(OH)₂与HCl溶液反应时，我们通过酚酞红色褪去已知OH^- +H⁺=H₂O，那么Ba²⁺、Cl^-有没有变化呢？这是个有些挑战性的问题。溶液中的具体离子虽然我们的眼睛看不见，但上节课的学习中学生见过如何知道溶液中有无自由移动的离子——通过导电性实验。因此在此重现导电性实验。如果以数字传感器来做，则更能体现出滴加溶液时导电能力的动态变化过程，但这不是重点，用传统的灯泡暗亮来观察也可。因为两种做法的思维设计是一样的，只是技术手段不同。

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图1  Ba(OH)₂溶液中滴入盐酸时电导率的变化

那么到此为止，学生已初步建构起“微粒观”，认识到溶液中的这些复分解反应实质上某些离子间在反应，而另一些离子并没有参加反应。这一切都是他们亲眼“看到”的，因而真实可信，在这一基础上形成“离子反应”的概念便水到渠成，有理有据，大可不必搞成“写、改、删、查”的规则教学，那只是应试手段，并不是科学教育。

三、            如何通过实验让离子间的关系“看得见”？

还有一个新问题是刚才的系列实验中没有“看到”的。那就是Ba(OH)­₂与H₂SO₄溶液的离子反应是Ba²⁺+SO₄^2-= BaSO₄↓、OH^- +H⁺=H₂O，各自独立，还是存在关联？如果存在关联，那么怎样关联？Ba²⁺+ SO₄^2- + OH^- +H⁺= BaSO4↓+H₂O、Ba²⁺+ SO₄^2- + 2OH^- +2H⁺= BaSO4↓+2H₂O、Ba²⁺+ SO₄^2- + 3OH^- +3H⁺= BaSO4↓+3H₂O、2Ba²⁺+ 2SO₄^2- + OH^- +H⁺= 2BaSO4↓+H₂O……等若干离子方程式都能将那两个离子反应关联在一起并符合“方程式”所要求的守恒关系，那么哪个是真相呢？又要让实验事实说话了。

以电导率探头和pH计探头同时伸入Ba(OH)₂溶液，同时测定滴入H₂SO₄时两者的变化，得下图：

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图2  Ba(OH)₂溶液中滴入H₂SO₄溶液时电导率和pH的变化

分析图像可知，当pH≈7时意味着OH^- +H⁺=H₂O的反应完成，当电导率近似为零时意味着Ba²⁺+SO₄^2-= BaSO₄↓的反应也完成了，而它们几乎是同时的！也就是说2个离子存在着联系，OH^-耗完时Ba²⁺也耗完，从来源看，Ba(OH)₂=Ba²⁺+2OH^-，因此正确的离子方程式只能是Ba²⁺+ SO₄^2- + 2OH^- +2H⁺= BaSO4↓+2H₂O。

到此，通过实验更重要的是通过对实验现象的理性思维，离子反应的概念已基本形成，学生也因此体验到离子方程式书写的一般方法，其实只有一点，就是尊重反应的客观事实，实事求是地表达反应的实际情况，包括离子实际反应的计量关系。离子方程式的书写不再是规则的教学，而是对真实世界的简洁描述。

离子方程式除了简洁真实之外，它还有普适性的特点，这也是包含在离子反应这一概念中的，因此，有了下一个环节。

四、进一步比较离子方程式与化学方程式的特点与联系。

问题4：这些离子方程式还能代表哪些反应？

对于OH^- +H⁺=H₂O和Ba²⁺+SO₄^2-= BaSO₄↓这两个离子方程式，学生都能写出不止一个化学方程式与之对应，从而得出离子方程式不仅可以表示某一个具体的化学化应，还可以表示同一类型的离子反应的结论。但当他们考虑Ba²⁺+ SO₄^2- + 2OH^- +2H⁺= BaSO4↓+2H₂O所对应的化学反应时，似乎除了Ba(OH)₂与H₂SO₄的反应之外找不到其它了。也有同学想到了Ba(OH)₂溶液与NaHSO₄溶液的反应，但更多同学不同意。这里自然引发了学生进一步认识的兴趣，作为高一“离子反应”的起始课，我们也不必那么心急地给出答案，教师可将此布置成课后研究的作业，并请他们讲述得出结论的理由。从实施情况来看，学生确实动了脑筋，大部分同学的作业都表示应分哪种物质过量来讨论。总之，他们认识到离子方程式的书写不是依据教材上的那些规则，而是依据客观实际。这是科学教育应当教给学生的基本态度。

五、            几点建议

教育的最终目的是为了人的发展，而科学教育在培养人的理性思维上更是责无旁贷。概念教学如果没有了建构的过程，没有了对事实的观察，没有了理性的分析，只有书上的定义和强加给学生的注意事项，那就是不讲理的教学，与培养科学理性背道而驰。

新课程高中数学人教A版的主编寄语中说“数学概念、数学方法与数学思想的起源与发展都是自然的。如果有人感到某个概念不自然，是强加于人的，那么只要想一下它的背景，它的形成过程，它的应用，以及它与其他概念的联系，你就会发现它实际上是水到渠成、浑然天成的产物，不仅合情合理，甚至很有人情味。”这在高中化学概念中同样适用。而为学生设计出建构化学概念的教学环节是需要重构教材的，而能这么做的前提一是教学的目标要指向人的发展而非应试，二是教师要加强专业学习。