化學生態課堂教學研究論文

　　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課堂教學，對硅酸鈉溶液與鹽酸或二氧化碳反應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。

　　關鍵詞：硅；實驗探究；生態課堂；證據推理

　　生態化學教學追求的是民主的、人文的、自主的、體驗的優質課堂［１］。我校提出的化學生態課堂教學的基本環節是“自主先學→組內研學→交流促學→反饋評學”，讓學生站在學習的中心，最終實現以提升學生化學核心素養、合作探究能力、綜合思維能力為指向的智慧發展。化學是一門以實驗為基礎的自然科學，尊重客觀事實，用事實說話，在化學生態課堂教學中，既要充分利用學生的已有經驗開展教學，又要對有些經驗，尤其是有疑惑的內容進行實證，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“無機非金屬材料的主角———硅”［２］為例加以說明。

　　１實物展示，創設問題情境

　　１．１實物展示

　　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，介紹完后根據含硅元素的物質類別歸類，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創設問題

　　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制取硅酸（理由是二氧化碳可以與水反應生成碳酸）；方案２：二氧化硅與氫氧化鈉溶液反應制取硅酸鈉，再用硅酸鈉與鹽酸發生復分解反應生成硅酸。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？請結合事實進行分析。學生在小組討論中得出結論，并給出反例進行實證：如果二氧化硅容易與水反應生成硅酸，那么在自然界中就不應該存在大量二氧化硅，沙灘上也不應該存在大量沙子，而應該變為“硅酸灘”了。

　　２實驗探究，實證物質性質

　　２．１探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液與鹽酸反應

　　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上，而聚合反應的速度又與氫氧根離子濃度和硅酸濃度密切相關［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。可以觀察到產生白色絮狀沉淀，當滴入約１０滴鹽酸時，觀察到試管內的物質迅速凝成凝膠狀固體，說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液與鹽酸確實能反應生成硅酸。

　　２．２探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液與ＣＯ２反應

　　２．２．１提出問題通過初三化學的學習，學生已經知道酸與鹽發生復分解反應時，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，那么弱酸能不能與Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反應呢？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溶液反應生成硅酸”的結論，老師卻認為小明的實驗結論不可靠，請指出原因并加以改進。２．２．２討論交流學生經過討論交流得出，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化制取二氧化碳的方法。（２）聯想到ＣＯ２與澄清石灰水反應的實驗，有學生提出可以將內壁涂有Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的小燒杯罩在酒精燈火焰上，觀察是否變渾濁。然而思維嚴謹的學生對這個方案產生質疑，將燒杯罩在酒精燈火焰上時，水被加熱揮發，Ｎａ２ＳｉＯ３固體析出也會出現渾濁現象，所以應該等燒杯冷卻后再加水，觀察產生的固體是否溶解。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，可以觀察到瓶蓋內的凝膠狀固體（如圖２所示），說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能與ＣＯ２反應生成硅酸。２．２．４拓展研究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能與ＣＯ２反應生成硅酸，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，該反應生成的鈉鹽與ＣＯ２的用量有關，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象。實驗現象表明，Ｈ２ＳｉＯ３能與Ｎａ２ＣＯ３溶液反應，說明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２氣體時，應該生成Ｈ２ＳｉＯ３與ＮａＨＣＯ３，而不是Ｎａ２ＣＯ３，化學反應方程式為Ｎａ２ＳｉＯ３＋２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＝２ＮａＨＣＯ３＋Ｈ２ＳｉＯ３↓［５］。查閱電離平衡常數可知，電離Ｈ＋的能力確實是Ｈ２ＣＯ３＞Ｈ２ＳｉＯ３＞ＨＣＯ－３，與實驗結果吻合。

　　２．３探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的優越性能

　　２．３．１體驗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。

　　２．４體驗ＳｉＯ２與ＨＦ的反應

　　由于ＨＦ易揮發且有毒性，與ＳｉＯ２的反應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。再引導學生結合兩性氧化物的定義分析得出，ＳｉＯ２不是兩性氧化物，應該屬于酸性氧化物。

　　３觀看視頻，激發愛國熱情

　　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”的迅猛發展。蘇州正在修建一座中國最大規模、最先進的半導體產業園。有專家預言，２０１８年是中國芯發展最為關鍵的一年，所以我們一定要努力學好本領，因為社會的發展需要我們，祖國的發展需要我們！

　　４小結提升，點明課堂主題

　　本節課主要學習了以二氧化硅為中心的轉化關系：沙子的主要成分是二氧化硅，而二氧化硅生產的玻璃、硅膠、光導纖維、太陽能電池、硅芯片等已經走進了千家萬戶，我們能理解在半導體工業中“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”，也足以體現硅在社會發展中的重要性，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

　　５．１教師首先要有實證意識

　　不少教師都積累了多年教學經驗，這些經驗主要來自于教材、教參、習題資料、報刊雜志和網絡資源等，但有些教師對這些經驗缺少批判性思維，直接“拿來主義”，教學上也停留在傳統的知識層面，缺少對學生方法的指導和能力的培養，這顯然是與當下以學科核心素養和關鍵能力為導向的課堂教學理念格格不入的。對于一些“經驗”的獲取，尤其是有關物質性質方面的經驗，我們一定要有實證意識，化學是一門以實驗為基礎的自然科學，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，再吸收其為有效經驗。很多時候，我們缺乏的不是研究和解決問題的方法，而是主動研究問題的意識。

　　５．２著力培養學生實證意識

　　在課堂教學中，教師要精心設計，引導學生運用事實和實驗手段進行實證。本節課中讓學生根據事實推理能否用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，以及Ｎａ２ＳｉＯ３溶液與ＣＯ２反應生成的鈉鹽，用對比實驗的方法體驗了Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的防火性和黏合性，較好地培養了學生的實證意識。

　　參考文獻

　　［１］沈世紅．生態化學：讓教育夢想照進課堂現實．南京：江蘇教育出版社，２０１５：９

　　［２］宋心琦．普通高中課程標準實驗教科書：化學１（必修）．北京：人民教育出版社，２００７

　　［３］王云生，陳永夏．化學教育，１９８４（６）：４２－４３

　　［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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