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化學生態(tài)課堂教學研究論文
摘要：以“無機非金屬材料的主角———硅”為例，闡述了利用客觀事實、化學實驗等方式進行實證的化學生態(tài)課堂教學，對硅酸鈉溶液與鹽酸或二氧化碳反應(yīng)的實驗進行了較為深入的研究，在實踐中取得了理想的教學效果。
關(guān)鍵詞：硅；實驗探究；生態(tài)課堂；證據(jù)推理
生態(tài)化學教學追求的是民主的、人文的、自主的、體驗的優(yōu)質(zhì)課堂［１］。我校提出的化學生態(tài)課堂教學的基本環(huán)節(jié)是“自主先學→組內(nèi)研學→交流促學→反饋評學”，讓學生站在學習的中心，最終實現(xiàn)以提升學生化學核心素養(yǎng)、合作探究能力、綜合思維能力為指向的智慧發(fā)展。化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，尊重客觀事實，用事實說話，在化學生態(tài)課堂教學中，既要充分利用學生的已有經(jīng)驗開展教學，又要對有些經(jīng)驗，尤其是有疑惑的內(nèi)容進行實證，可以采用客觀事實、化學實驗等方式進行。下面以人教版《化學１（必修）》第四章第一節(jié)“無機非金屬材料的主角———硅”［２］為例加以說明。
１實物展示，創(chuàng)設(shè)問題情境
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課前播放含硅元素實物美圖的視頻，讓學生直觀感知硅元素的實用性，學生在觀看時快速融入課堂情境。上課時，學生積極展示課前精心準備好的含硅元素的實物，介紹完后根據(jù)含硅元素的物質(zhì)類別歸類，展示的實物主要有玻璃、陶瓷、水泥、混凝土、沙子、水晶飾品、瑪瑙、光導纖維、硅膠、太陽能電池或芯片等，還有學生帶來了陽光罐、太陽能電池玩具并進行現(xiàn)場演示。展示時，學生的熱情高漲，非常興奮，他們用實物證明了硅元素的重要用途。
１．２創(chuàng)設(shè)問題
剛才展示的實物中，在自然界最為常見的是沙子，沙子的主要成分是二氧化硅，以二氧化硅為原料可以制得很多其他的產(chǎn)品。比如要想制得硅膠，需要先制得硅酸，硅酸難溶于水，那么如何以二氧化硅為基礎(chǔ)原料來制取硅酸呢？你能想到哪些方案？學生分析后，得出２種方案。方案１：二氧化硅與水直接反應(yīng)制取硅酸（理由是二氧化碳可以與水反應(yīng)生成碳酸）；方案２：二氧化硅與氫氧化鈉溶液反應(yīng)制取硅酸鈉，再用硅酸鈉與鹽酸發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)生成硅酸。教師引導學生分析，如果方案１可行，那么成本就很低，就無需用方案２了，那么方案１可行嗎？請結(jié)合事實進行分析。學生在小組討論中得出結(jié)論，并給出反例進行實證：如果二氧化硅容易與水反應(yīng)生成硅酸，那么在自然界中就不應(yīng)該存在大量二氧化硅，沙灘上也不應(yīng)該存在大量沙子，而應(yīng)該變?yōu)椤肮杷釣绷恕?/p>
２實驗探究，實證物質(zhì)性質(zhì)
�。玻碧骄浚危幔玻樱椋希橙芤号c鹽酸反應(yīng)
從硅酸溶液變成膠體，再凝成膠凍，這些變化都建立在硅酸聚合的基礎(chǔ)上，而聚合反應(yīng)的速度又與氫氧根離子濃度和硅酸濃度密切相關(guān)［３］。為了尋求較佳的實驗條件，以滿足課堂教學的需要［４］，使實驗現(xiàn)象盡可能快速、明顯，選用飽和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液和６～７ｍｏｌ／Ｌ鹽酸進行分組學生實驗。向小試管中加入１滴管飽和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液，逐滴滴入鹽酸，邊滴邊振蕩。可以觀察到產(chǎn)生白色絮狀沉淀，當?shù)稳爰s１０滴鹽酸時，觀察到試管內(nèi)的物質(zhì)迅速凝成凝膠狀固體，說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液與鹽酸確實能反應(yīng)生成硅酸。
�。玻蔡骄浚危幔玻樱椋希橙芤号cＣＯ２反應(yīng)
２．２．１提出問題通過初三化學的學習，學生已經(jīng)知道酸與鹽發(fā)生復(fù)分解反應(yīng)時，生成新酸與新鹽，生成新酸的酸性一般弱于原來的酸，即強酸制弱酸。鹽酸是強酸，能與Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反應(yīng)，那么弱酸能不能與Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反應(yīng)呢？碳酸是一種常見的弱酸，那么如果向Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２，情況如何呢？小明同學通過圖１組合實驗裝置進行實驗，進而得出“ＣＯ２能與Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反應(yīng)生成硅酸”的結(jié)論，老師卻認為小明的實驗結(jié)論不可靠，請指出原因并加以改進。２．２．２討論交流學生經(jīng)過討論交流得出，根本原因是通入Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的氣體中含有ＨＣｌ氣體，所以導致實驗結(jié)論不可靠。如何進行改進呢？學生想到的辦法：（１）中間增加ＮａＨＣＯ３溶液的洗氣裝置或優(yōu)化制取二氧化碳的方法。（２）聯(lián)想到ＣＯ２與澄清石灰水反應(yīng)的實驗，有學生提出可以將內(nèi)壁涂有Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的小燒杯罩在酒精燈火焰上，觀察是否變渾濁。然而思維嚴謹?shù)膶W生對這個方案產(chǎn)生質(zhì)疑，將燒杯罩在酒精燈火焰上時，水被加熱揮發(fā)，Ｎａ２ＳｉＯ３固體析出也會出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，所以應(yīng)該等燒杯冷卻后再加水，觀察產(chǎn)生的固體是否溶解。２．２．３實驗探究由于直接向飽和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２氣體，需要通氣約８分鐘，再靜置一段時間才能觀察到凝膠狀固體，時間過長，不適合課堂演示。為了使反應(yīng)更快速、有趣，用３５０ｍＬ軟飲料瓶收集滿２瓶ＣＯ２氣體，擰緊瓶蓋備用。課堂演示時，邀請一名學生與教師同時進行實驗探究，比一比誰做得更快、更好。讓學生先操作，擰開瓶蓋，向瓶內(nèi)加入２滴管飽和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液，擰緊瓶蓋，迅速振蕩飲料瓶，可以觀察到飲料瓶逐漸變癟，并能感知到瓶壁略變熱，說明該反應(yīng)放熱。振蕩１分鐘左右，將瓶子倒置在桌上約１分鐘，擰開瓶蓋，可以觀察到瓶蓋內(nèi)的凝膠狀固體（如圖２所示），說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能與ＣＯ２反應(yīng)生成硅酸。２．２．４拓展研究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能與ＣＯ２反應(yīng)生成硅酸，生成什么鈉鹽呢？學生猜想可能是Ｎａ２ＣＯ３或ＮａＨＣＯ３，受到Ｎａ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＝２ＮａＨＣＯ３知識的影響，許多人認為，該反應(yīng)生成的鈉鹽與ＣＯ２的用量有關(guān)，通入少量ＣＯ２氣體時，生成Ｎａ２ＣＯ３，通入足量ＣＯ２氣體時，生成ＮａＨＣＯ３。那實際情況如何呢？將生成的硅酸凝膠用玻璃棒攪碎后，加入蒸餾水，振蕩，棄去上層液體，重復(fù)２～３次。向洗凈后的硅酸中加入蒸餾水，振蕩，分為２等份，一份加入足量飽和Ｎａ２ＣＯ３溶液，另一份加入等量水做對比實驗。將２份混合物充分振蕩，為了加快反應(yīng)速率，可以在酒精燈火焰上適當微熱，觀察到加有飽和Ｎａ２ＣＯ３溶液的硅酸逐漸溶解，而加入等量水的硅酸無明顯現(xiàn)象。實驗現(xiàn)象表明，Ｈ２ＳｉＯ３能與Ｎａ２ＣＯ３溶液反應(yīng)，說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２氣體時，應(yīng)該生成Ｈ２ＳｉＯ３與ＮａＨＣＯ３，而不是Ｎａ２ＣＯ３，化學反應(yīng)方程式為Ｎａ２ＳｉＯ３＋２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＝２ＮａＨＣＯ３＋Ｈ２ＳｉＯ３↓［５］。查閱電離平衡常數(shù)可知，電離Ｈ＋的能力確實是Ｈ２ＣＯ３＞Ｈ２ＳｉＯ３＞ＨＣＯ－３，與實驗結(jié)果吻合。
２．３探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的優(yōu)越性能
�。玻常斌w驗Ｎａ２ＳｉＯ３的防火性能２位學生分別夾取用飽和ＮａＣｌ溶液浸泡晾干的布條和用飽和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液浸泡晾干的布條，同時置于酒精燈火焰上，可以觀察到前者迅速燃燒，而后者難以燃燒，說明Ｎａ２ＳｉＯ３防火性能好，可用做防火劑。２．３．２體驗Ｎａ２ＳｉＯ３的黏合性能事先準備好用飽和ＮａＣｌ溶液黏合的２塊毛玻片和用飽和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液黏合的２塊毛玻片，放置３天。讓２位學生分別用力將其分開，可以觀察到前者很容易就分開，而后者根本無法分離，說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液有很強的黏合性能，可用做黏合劑。再因勢利導，分析盛裝ＮａＯＨ溶液的試劑瓶不能用玻璃塞的原因，學生恍然大悟。
�。玻大w驗ＳｉＯ２與ＨＦ的反應(yīng)
由于ＨＦ易揮發(fā)且有毒性，與ＳｉＯ２的反應(yīng)不宜在教室進行實驗探究，可以讓學生觀看視頻，體驗ＳｉＯ２與ＨＦ的反應(yīng)。再引導學生結(jié)合兩性氧化物的定義分析得出，ＳｉＯ２不是兩性氧化物，應(yīng)該屬于酸性氧化物。
３觀看視頻，激發(fā)愛國熱情
通過觀看剪輯的視頻，讓學生了解由二氧化硅可以制得硅，晶體硅可用來制硅太陽能電池和硅芯片，了解我國芯片的國情和近年來“中國芯”的迅猛發(fā)展。蘇州正在修建一座中國最大規(guī)模、最先進的半導體產(chǎn)業(yè)園。有專家預(yù)言，２０１８年是中國芯發(fā)展最為關(guān)鍵的一年，所以我們一定要努力學好本領(lǐng)，因為社會的發(fā)展需要我們，祖國的發(fā)展需要我們！
４小結(jié)提升，點明課堂主題
本節(jié)課主要學習了以二氧化硅為中心的轉(zhuǎn)化關(guān)系：沙子的主要成分是二氧化硅，而二氧化硅生產(chǎn)的玻璃、硅膠、光導纖維、太陽能電池、硅芯片等已經(jīng)走進了千家萬戶，我們能理解在半導體工業(yè)中“從沙灘到用戶”的含義。人們將２０世紀后半葉以來的時代稱為“硅時代”，也足以體現(xiàn)硅在社會發(fā)展中的重要性，硅元素確實無愧于“無機非金屬材料的主角”的稱號。
５教學反思
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不少教師都積累了多年教學經(jīng)驗，這些經(jīng)驗主要來自于教材、教參、習題資料、報刊雜志和網(wǎng)絡(luò)資源等，但有些教師對這些經(jīng)驗缺少批判性思維，直接“拿來主義”，教學上也停留在傳統(tǒng)的知識層面，缺少對學生方法的指導和能力的培養(yǎng)，這顯然是與當下以學科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力為導向的課堂教學理念格格不入的。對于一些“經(jīng)驗”的獲取，尤其是有關(guān)物質(zhì)性質(zhì)方面的經(jīng)驗，我們一定要有實證意識，化學是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學，實驗是檢驗真理的唯一標準，所以只要條件允許，一定要用實驗進行驗證，再吸收其為有效經(jīng)驗。很多時候，我們?nèi)狈Φ牟皇茄芯亢徒鉀Q問題的方法，而是主動研究問題的意識。
５．２著力培養(yǎng)學生實證意識
在課堂教學中，教師要精心設(shè)計，引導學生運用事實和實驗手段進行實證。本節(jié)課中讓學生根據(jù)事實推理能否用ＳｉＯ２直接與水制備硅酸，用化學實驗手段研究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能否與鹽酸或ＣＯ２反應(yīng)，以及Ｎａ２ＳｉＯ３溶液與ＣＯ２反應(yīng)生成的鈉鹽，用對比實驗的方法體驗了Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的防火性和黏合性，較好地培養(yǎng)了學生的實證意識。
參考文獻
［１］沈世紅．生態(tài)化學：讓教育夢想照進課堂現(xiàn)實．南京：江蘇教育出版社，２０１５：９
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［４］陽智純．化學教學，２００８（７）：１１－１３
［５］劉懷樂．教學儀器與實驗，２００８（９）：３６－３７
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