核心素养导向的“固体物质的溶解度”教学_姚远远.pdf

优质课例*江苏省教育科学“十四五”规划2 0 2 1年度重点课题“后疫情时代的国际科普教育比较研究 基于多维视角的实证研究范式”(B/2 0 2 1/0 1/6 1);南京市属高校“十四五”市级重点建设项目“化学类专业思创融合教育教学创新团队”*通信联系人,E-m a i l:z h e n j i a n g c h e n k a i 1 2 6.c o m核心素养导向的“固体物质的溶解度”教学*姚远远1 龚颖潮2 曹美玲2 陈 凯3*(1.南京师范大学附属中学邺城路初级中学 江苏南京 2 1 0 0 1 9;2.江宁区教研室 江苏南京 2 1 1 1 0 0;3.南京晓庄学院环境科学学院 江苏南京 2 1 1 1 7 1)摘要 通过氯化钠和硝酸钾溶解性的实验,引导学生体验固体物质在一定条件下溶解是有限度的,当改变条件时溶解限度也会随之改变。进一步设计实验测定一定条件下硝酸钾的溶解度,帮助学生理解溶解度的概念及其影响因素,应用技术开展数据的采集、图像的表征,初步构建溶解度认知模型,发展学生化学学科核心素养,并能应用溶解度曲线图解决简单问题。关键词 溶解度 变量 技术应用 证据推理 模型建构D O I: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 2 0 0 6 1 1 教学主题内容及教学现状分析“溶液”部分的学习可为学生在初中阶段发展“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”等化学学科核心素养奠定基础,本议题教学多通过微观可视化视角支持学生对溶液体系、溶解过程的理解1;联系生活实际的项目化教学设计成为近年来教学创新的趋势2-3。“溶解度”的概念形成比较抽象,很多学生在学完后依旧存在很多迷思4 只能死记硬背定义和解决常考题目,毕竟很多新课只是直白地灌输,并未充分挖掘溶解度中的变量视角,而且缺少实验数据的支撑,忽略了溶解度概念形成的过程以及溶解度数据的来龙去脉,所以基于定量实验视角改进溶解度教学,提供了“证据推理”和“模型建构”维度的素养导向思路。2 教学思想与创新点义务教育化学课程关注空气、金属(合金与矿石)与溶液三大类混合物体系,都有从定性到定量的认识视角,而且定量视角各有特色5。“溶解度”与体积分数、质量分数有相近之处 本质上都是一种比例关系,但是分析思路的最大差异在于有外在条件的控制和要求,正因如此,能力和方法要求都有所提升。学生关于“溶解度”的学习容易出现一些迷思。主要集中在不知道物质溶解度的决定性因素是什么;学生容易只考虑了溶剂或溶质其中之一的影响而忽视另一个。此外学生容易对溶解度的概念认识不清,不能准确掌握概念中所包括的多重变量关系,导致处理问题时随意增减限定条件。所以当教师在进行知识的讲解时,应该着重从概念去解析。本节课重点在于固体物质溶解度的概念教学,主要从如下几个方面突破重点(如图1所示):让学生在系列实验中体验控制变量的应用6。F i g.1 C o n s t r u c t i o n o f t h e c o n c e p t o f s o l u b i l i t y图1 溶解度概念的建构 限于篇幅,教科书提供具体的溶解度数据来让学生绘制溶解度曲线,学生对溶解度曲线的绘制仅仅依靠现成的数据而缺少对数据来源的认识,未免美中不足。化学概念不仅是基础知识的组成部分,还承载着发展学生思维的功能7。本节课的教学设计中通过实验活动让学生体会到数据是怎么得来 在实验事实和数据中追根溯源,在数据分析中构建模型的科学思维8,同时也有效地解决了学生关于“溶解度”的迷思。学生应用坐标纸一点点描绘硝酸钾和氯化钠的922 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)溶解度曲线图,比简单地观察更能体会温度变化影响下的溶解度变化趋势,也更加能体验到数据对模型构建的促进作用。所有物质的溶解度都随温度的升高而升高吗?应用数显温度计方便捕捉即时温度,借助浊度计让学生认识到随温度变化的溶解度特例,将数字化实验的自动记录绘图与手绘对比,从中感受到技术对科学探究的支持作用。3 教学目标(1)通过分组实验,感悟一定条件下固体物质的溶解过程是有限度的,进一步理解饱和溶液的含义以及结晶的现象。(2)通过设计实验测定一定条件下硝酸钾溶解的限度,进一步明确控制变量分析物质性质的重要性,提升证据推理意识,并通过变量认识溶解度模型。通过数字化实验仪器的应用,体验表征手段对认识物质的意义和基于证据认识物质的途径。(3)了解溶解度的含义,学会列表法以及溶解度曲线图表示溶解度的方法。加深结晶方法以及溶解度概念的理解,初步构建外界影响下的变化观念,接受溶解过程中的平衡思想启蒙。4 教学流程(如图2所示)F i g.2 T e a c h i n g p r o c e s s图2 教学流程5 教学实录5.1 体验一定条件下溶解是有限度的【教师演示】首先我们取一定量的水,向其中加入少量的氯化钠,搅拌,请同学们仔细观察烧杯中的固体,请问固体全部溶解了吗?【学生】全部溶解。【讲解】接下来,我们继续向烧杯中加入氯化钠固体,请同学们继续观察烧杯中的固体,固体有全部溶解吗?【学生】没有全部溶解。【教师讲解】那么就说明固体在一定量的水中溶解是有限度的,我们将此时不能继续溶解氯化钠的溶液称之为氯化钠的饱和溶液,老师继续向烧杯中加水,继续搅拌加快溶解速率,请同学们继续观察烧杯中的固体。【学生】烧杯中的固体越来越少,直到现在固体完全溶解。【教师讲解】实验告诉我们,一定条件下氯化钠固体的溶解是有限度的,但是当改变什么条件时溶解的限度也会发生改变呢?【学生】改变水的量溶解限度会发生改变。【教师讲解】还能通过其他方法改变溶解限度03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期吗?请同学们拿起实验框中装有硝酸钾溶液的烧杯,用玻璃棒进行搅拌,仔细观察烧杯中的固体,有全部溶解吗?【学生】没有全部溶解。【教师讲解】这就说明一定条件下硝酸钾的溶解也是有限度的,我们将此时不能继续溶解硝酸钾的溶液称之为硝酸钾的饱和溶液。【教师提问】除了加水你还有什么方法让其中未溶解的硝酸钾固体继续溶解呢?【学生】升温。【教师讲解】接下来请同学们仔细阅读学案上分组实验1的步骤,阅读好后开始实验并将实验现象记录下来。【实验步骤】(1)加热装有硝酸钾溶液的烧杯,边加热边搅拌,观察烧杯中固体的变化情况;(2)待硝酸钾固体完全溶解后,停止加热,将小烧杯放入盛有冷水的大烧杯中冷却。【学生】阅读实验步骤,分组实验。【教师提问】请你回答你们组看到的实验现象?【学生】加热升温后硝酸钾固体完全溶解,放到冷水中又有硝酸钾晶体析出。【教师小结】这就说明温度升高,硝酸钾的溶解能力增强了,温度降低,硝酸钾的溶解能力降低了。【教师提问】这一组实验告诉我们,一定条件下硝酸钾固体的溶解也是有限度的,但是当改变什么条件时溶解的限度也会发生改变呢?【学生】温度。5.2 测定一定条件下溶解的限度【教师设问】不同物质在一定条件下溶解限度可能是不一样的,你能否设计实验测定一定条件下硝酸钾的溶解限度呢?【教师提示】在设计实验时,我们需要考虑控制变量,同学们在设计方案时考虑清楚需要控制哪些变量,以及测定的量是什么。请同学们交流讨论。【学生】讨论交流,汇报实验方案:一定温度下,取1 0 g的水,向水中慢慢加入硝酸钾至刚好饱和,测量溶解的硝酸钾的质量。【教师讲解】在刚刚这位同学的回答中,他控制了哪些变量9?【学生】一定温度、一定量的溶剂、饱和状态。【教师提问】我们要测的是什么量?【学生】溶解的质量。【教师讲解】接下来请同学们仔细阅读学案上分组实验2的步骤1 0,阅读好后开始实验并将实验数据记录下来。【实验步骤】(1)用量筒量取1 0 m L水倒入干净的小烧杯中;(2)取出装有5 g K N O3的自封袋(质量约为0.5 g),慢慢倒入水中,不停地搅拌,直到不再溶解为止,用温度计测量此时溶液的温度为;(3)将装有剩余的K N O3的自封袋直接放在电子天平上称量,记录质量为;(4)数据处理:在温度为时,1 0 g水中最多溶解K N O3的质量为。【学生】汇报现象:t=2 1,剩余固体为2 g,1 0 g水中最多溶解3.5 g的硝酸钾。【教师讲解】当然如果时间允许,需要多次测量取平均值,以确保实验准确性。【教师设问】我们能否采用一个逆向思维的过程1 1,定溶剂和溶质的量,通过实验找到刚好达到饱和状态时的温度呢?【教师演示】烧杯中加入了1 0 g水和1 2 g硝酸钾,加热使其完全溶解,借助于数显温度计测量此时的温度,请你读出此时的温度。【学生】9 5。【教师提问】这个温度是我们要找的刚好达到饱和时的温度吗?【学生】不是。【教师提问】我们需要对它进行降温,看到什么现象说明溶液刚好饱和呢?【学生】刚好有固体析出时。【教师讲解】我们对烧杯外壁略微湿润加快冷却,借助于磁力搅拌器使其均匀冷却;当老师看到刚好有固体析出时,会按下温度变化的暂停键。【教师提问】老师看到有细小的固体出来了,请你读出此时的温度。【学生】此时的温度大约为6 5.4。【教师讲解】这样我们就测得了在温度为6 5.4 时,1 0 g水最多溶解1 2 g硝酸钾。当然最好还是测量3次,取平均值,老师在课前测量3次取平均值,温度大概在6 4.4。【教师讲解】老师在课前还做了1 0 g水刚好完全溶解3.0,6.0,9.0,1 5.0 g硝酸钾时的温度,如表1所示。我们会发现采用逆向思维的过程,实132 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)表1 1 0 g水刚好完全溶解不同质量的硝酸钾时的温度T a b l e 1 T h e t e m p e r a t u r e w h e n 1 0 g w a t e r j u s t c o m p l e t e l y d i s s o l v e s K N O3 o f d i f f e r e n t m a s s硝酸钾的质量/g3.06.09.01 2.01 5.0水的质量/g1 0.01 0.01 0.01 0.01 0.0温度/1 6.43 7.85 3.56 4.47 5.8验数据更丰富,操作更简便。5.3 表征溶解的限度【教师引导】刚刚实验中用的是1 0 g溶剂,毕竟质量太少,能溶解溶质太少;溶剂太多,也不易称量。化学学科一般规定溶剂为水,质量为1 0 0 g,就在初中阶段得到了一个比较标准 固体溶解度。【教师提问】你能否给固体溶解度下一个定义?【学生】在一定温度下,某固态物质在1 0 0 g溶剂里达到饱和状态时所溶解的质量。【教师提问】你能根据刚刚的这一组实验数据,算出硝酸钾在这些温度下的溶解度吗?【学生】计算表2中的溶解度。表2 硝酸钾在不同温度时的溶解度T a b l e 2 S o l u b i l i t y o f K N O3 a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s硝酸钾的质量/g3.06.09.01 2.01 5.0水的质量/g1 0.01 0.01 0.01 0.01 0.0温度/1 6.43 7.85 3.56 4.47 5.8溶解度/g 【教师提问】表格中3 0 g的含义是?【学生】1 6.4 时,1 0 0 g水中最多溶解3 0 g硝酸钾。【教师讲解】将表格最后2行提取出来,就可以用列表法表示硝酸钾固体的溶解度。若想知道8 0 时硝酸钾的溶解度,能从表格里获取吗?表格的数据比较有限,那我们可以采用数学上的什么方法呢?【学生】绘制图像。【教师讲解】我们称之为溶解度曲线图,以温度为横坐标,溶解度为纵坐标。不过我们今天的实验限于仪器的精度和大家初次接触实验的匆忙,测得