素养导向下建立元素及化合物的认知模型—以人教版《活泼的金属单质—钠》为例

素养导向下建立 元素及化合物的认知模型— 以人教版 《活泼的金属单质—钠》为例

姬丽娜

杭州市余杭实验中学 311100

摘要：本文从物质类别角度出发，以金属钠的性质研究为例，以“分类-预测-实验-解释-结论”为研究路径，建立元素及其化合物性质的研究模型。本文概述了《活泼的金属单质—钠》的教学过程和教学反思。

关键词：物质类别 元素 化合物 预测 实验 证据推理

1. 教材分析

1. 内容分析

《活泼的金属单质—钠》位于人教版第二章第一节，作为元素化合物知识学习的第一课。第一章已经学习了物质的分类及转化、氧化还原反应、离子反应等知识。借助于第一章所学知识，可以让学生运用物质类别角度根据物质通性预测钠可能具有的一些性质，也可以从氧化还原角度理解钠的还原性，也可以从离子反应的微观角度理解反应的宏观实验现象。无机物种类较多，不可能一一研究，教材选取几种典型元素及其化合物进行学习，因此教学过程中引导学生建构研究的思路和方法显得尤为重要。本节是学生第一次系统学习以元素为核心的无机化合物知识，作为元素及其化合物知识的开篇，方法引导更为重要。引导学生建构研究元素及其化合物的方法和思路，对后续氯、铁、氮及其化合物等知识的学习起到了引领作用。

2. 学情分析

本校学生的基础一般，在现行高考改革制度下化学选考学生预计比例不高，高一化学教学中主要以落实基础为主。

知识层面上，学生已经具备了物质的分类和转化、氧化还原反应、离子反应等知识，为更好地理解氧化还原反应过程中的得失电子情况，在氧化还原反应学习之前，已经将原子核外电子排布内容前置学习。在初中的学习中，已经介绍过铁、铜等金属，学生已经初步接触过金属的研究方法。^[1]基于以上分析，学生能够从钠属于金属单质这一类别对钠的性质进行初步预测，能够根据金属活动性顺序理解金属具有某些通性和特性。也具备了将原子核外电子排布与强还原性联系起来的逻辑能力，同时也具备通过离子反应的角度建立微观变化和宏观现象之间建立联系的能力。

心理层面上，高一年级的学生对高中化学的学习充满兴趣，特比是对化学实验充满了期待，具有较强的探索意识；从能力层面上，高一的学生具备一定的观察和分析问题的能力，具有较好的思考与质疑的能力，初步了解金属的研究方法，初步具备设计实验方案的能力和一定的动手操作和合作学习的能力。^[2]

二、教学思路

本课以科学探究为核心，围绕“结构决定性质”，从物质类别角度出发，建立元素及其化合物性质的研究模型。以“建构主义”理论为依据，以学生的认知需求为逻辑主线设计本课的教学环节，让学生亲历“预测-实验-分析-再预测-实验-解释-结论”的过程。

现象相符

设计实验

物质分类

性质预测

现象不符

实验验证

现象预测

验证性质

现象相符

现象预测

设计实验

实验验证

分析原因

现象不符

三、教学目标

1、了解钠的物理性质和化学性质，能正确书写化学方程式。

2、以钠的性质学习为线索，初步形成金属及其化合物的研究思路。

3、通过对实验现象的观察和分析，形成证据推理意识。

4、根据预测性质设计实验，培养求实、创新的良好品质。

5、通过对钠与水、钠与硫酸铜溶液反应本质的理解，建立微观变化与宏观现象之间的联系。

四、教学过程

1、情境引入

【教师活动】

大海是一个巨大的物质资源库，海水中除了水之外，最多的元素是钠和氯。钠元素在自然界中分布很广，在海水中储量极为丰富，钠元素在自然界中都是以化合态存在，常见的是钠盐，自然界中没有单质钠存在。

直到1807年，英国化学家戴维用电解法首次获得了钠单质。

【学生活动】倾听、了解

【设计意图】通过介绍，让学生认识自然界的丰富资源，知道人们对物质性质了解的过程。通过对化学史的了解，感受化学的贡献和魅力。

2、物质研究的一般流程

【设计意图】钠的学习是高中化学元素及其化合物知识学习的第一课，因此帮助学生建立物质性质学习的基本思路显得尤为重要，为后续元素化合物的学习打好基础。

3. 钠的物理性质

【演示实验1】教师用小刀切开一小块钠，并迅速用保鲜膜包裹其中的一半，让学生对比观察钠切开表面的颜色变化，补充钠的物理性质。

【学生活动】通过“观察”和“查阅”了解钠物理性质：

学生通过观察小组桌面上试剂瓶里的钠，查看书本相关数据，描述钠的物理性质。

通过对演示实验现象的观察，补充钠的物理性质。

【设计意图】通过对比观察和书本信息的查阅，让学生知道物理性质研究的基本方法。

4. 钠的化学性质

[预测化学性质]

【教师活动】引导学生从结构和物质类别的角度分别对钠的化学性质进行推断和预测。

【学生活动】（1）根据钠原子的核外电子排布，推测钠具有还原性。

（2）对钠进行分类，根据金属单质的通性，预测钠可能会发生的反应。主要预测结果如下：

①与非金属单质反应，如O₂、Cl₂；

②与不活泼金属的盐发生置换反应；

③与酸反应置换出H₂；

【设计意图】根据结构推测性质，初步建立结构决定性质的基本思路。

第一章已经学习物质的分类和物质的通性，分类是为物质性质的研究提供便利的，在此基础上，学生能够根据已有认知金属的通性推测钠可能具有的性质。

[实验验证化学性质]

【教师活动】通过实验逐条验证钠的性质，并引导学生对现象进行分析。

验证实验1：

1、与非金属单质反应，以O₂为例

【实验探究1】（演示）

<1>钠在常温下与氧气反应。

<2>钠在坩埚中加热与氧气反应。

【学生活动】观察实验现象，总结归纳。

【设计意图】引导学生建立通过实验验证物质性质的研究思路。根据对比实验，知道条件不同，产物可能不同。

验证实验2：

2. 与不活泼金属的盐发生置换

【实验探究2】（演示）

【教师活动】钠与硫酸铜溶液反应，引导学生预测实验现象。

实际现象与预测不符，设置问题链，引导学生思考和分析原因。

1. 反应前烧杯中的物质有哪些？

2. 蓝色絮状沉淀是什么物质？

3. 钠可能与什么物质发生了反应，可能的产物是什么？如何检验？

【学生活动】

（1）预测实验现象：有红色固体析出，蓝色溶液变浅。

（2）观察实验现象：没有红色固体析出，有蓝色絮状沉淀产生。

（3）实际与预测现象不符，思考并分析可能的原因，提出假设，设计实验验证。

【设计意图】根据金属活泼型顺序预测实验现象，知道化学反应有一定的规律，有侧重地观察。

实际观察到的现象与预测现象不符，使学生产生认知冲突，促进学生深入思考。通过对实验现象的分析， 培养学生的证据推理能力，能依据证据对物质变化提出假设。

再预测再验证3：

【教师活动】

引导学生注意实验安全，预测钠与水反应的可能会产生的实验现象。指导学生完成钠与水反应的实验，并引导学生从“位置、形态、动静、声音、颜色”等角度观察实验现象，并根据现象分析原因。

思考：

（1）根据元素组成推测产生的气体可能是什么？

（2）根据化合价升降守恒，推断产生的气体可能是什么？

（3）根据分析结果写出钠与水反应的化学方程式。

任务：请结合上述两个实验现象，写出钠与硫酸铜溶液反应的化学方程式。

解释：Cu²⁺水溶液中与水形成Cu(H₂O)₄²⁺，因而Na优先与水反应而不与Cu²⁺反应。

总结：金属Na无法从盐溶液中置换出金属，但可以从熔融状态的盐中置换出金属。

【学生活动】

再次预测：钠与水反应的可能产物和检验方法。

【实验探究3】

（1）（学生实验）四人一小组，完成钠与水反应的实验，观察并记录实验现象，反应完成后往溶液中滴加两滴酚酞，观察现象。

（2）对现象分别作出相应解释。

（3）分析产物并写出化学方程式。

【设计意图】根据假设，进一步设计实验，通过分析推理再一次预测实验现象，根据预测，通过亲自动手实验并观察现象加以证实或证伪，进一步建立实验验证物质性质的研究思路。

除了预期的现象，对额外观察到的现象一一进行分析，进一步培养学生的证据推理能力。

根据元素组成和氧化还原角度推断气体的成分，培养守恒观念。

通过原因解释和熔融盐置换，理解钠与硫酸铜反应的特殊现象与金属通性并不矛盾，明白金属有通性也有各自的特性。

【教师活动】

钠与水反应本质剖析：

本质：钠置换出水电离出的H⁺

思考：（1）钠能否与酸反应？（2）与水相比较，预测剧烈程度如何？

（3）写出钠与盐酸反应的离子方程式。

师：出于安全考虑，课堂上不做该实验。

【设计意图】从微观角度对钠与水反应的本质的理解，类比推断理解钠与酸的反应，并能通过分析推理预测宏观实验现象，建立微观与宏观之间的联系。

5、性质小结

（1）金属钠的物理性质

（2）金属钠的化学性质

a、 与活泼非金属单质反应（如O₂、Cl₂）

b、 H₂O反应

c、 与酸反应

d、 与盐（熔融）反应

700-800^oC

TiCl₄+4Na = Ti+4NaCl

思考：以上反应哪些属于氧化还原反应？钠作什么剂？体现什么性质？

【设计意图】通过对钠性质的实验验证，归纳钠的性质，并与事先预测的性质比较，知道物质性质研究的一般思路。从氧化还原角度归纳钠的强还原性，结合钠原子的核外电子排布，形成结构决定性质的观念。

6、问题解决

思考下列问题并解释原因：

1.钠在自然界为什么没有游离态？

2.钠为什么保存在煤油或石蜡油中？

3.CCl₄能否用于保存钠？

（CCl₄ 密度1.595g/cm³(20℃)外观无色液体，性质稳定）

4. 钠单质着火后能用水灭火吗？

切下的多余的钠为什么要放回试剂瓶？

【设计意图】能依据钠的性质，解释前面情境中的一些问题，解决钠的存在、保存、灭火、安全等实际问题。

7. 用途介绍

【设计意图】使学生拓宽视野，感受化学对社会发展的重大贡献。

5. 教学反思

1. 主线清晰，形成研究模型。本节课以物质类别指导性质预测为起点，融合结构决定性质的观念，以实验探究为核心，以“预测性质—预测现象—实验验证—解释总结”为主线，通过钠的性质的学习，帮助学生建构了金属元素及其化合的性质学习的模型，提供了元素及其化合物性质的研究过程和思路，为后续氯、氮、铁等元素的学习拓开了思路。

2. 以实验为基础。在本堂课的教学中，实验开展较为充分，演示实验通过多媒体移动展台的方式呈现，极大地提高了可视度，学生实验学生积极参与，极大地提高了学生学习化学的积极性。让学生意识到实验是探究物质性质的重要途径。在实验的过程中，注重培养学生的安全意识。课堂上充分发挥实验的探究功能，通过钠与硫酸铜溶液反应的现象预测与实际不符，使学生产生强烈的认知冲突，激发探索的欲望，进一步设计实验和预测实验现象。同时通过对现象的解释，也让学生理解物质有通性也有特性，相互之间并不矛盾。

3、以情境为主线。以钠在自然界中的存在形式和钠的首次制备为情境导入，钠的结构和性质的系统学习，在本课的结束前通过问题解决的方式，让学生自己理解自然界中钠元素的存在形式，以及钠单质的“年轻态”，进一步理解性质决定存在形式。同时也将上课过程中学生可能存在疑虑设计成问题，让学生通过思考应用钠的性质自行解决，成分理解性质决定了保存方式，同时也培养了安全意识。

4、落实核心素养。通过对物质分类进行性质预测，通过性质预测现象，在实验过程中，对现象分析解释得出结论，培养证据推理的能力。实验现象与预测现象不符时，尊重事实、客观分析，并设计新的实验，培养实事求是的科学态度、科学探究与创新能力。从离子角度通过对宏观现象的微观解释和对反应的本质理解，建立宏观与微观的桥梁。

参考文献：

1. 谌霞.仿真系统辅助中学化学实验教学的研究[J]温州大学硕士论文,2012

[2] 苏建立.“金属钠的性质与应用”的教学设计和反思[J]·教学设计研究,2016(3):69-70