基于“四重表征”模式 培養學生學科素養
——以“探究鹽酸與碳酸鈉、碳酸氫鈉反應”的教學為例

李健榮

（東莞松山湖未來學校 廣東東莞 523112）

一、問題的提出

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。《普通高中化學課程標準（2017 年版2020年修訂）》提出，化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”5個方面。［1］如何理解化學學科核心素養的內涵和概念？如何在課堂教學中培養學生的化學學科核心素養？這些都是化學教育工作者面臨的重要問題。課堂教學是培養學生化學核心素養的主要途徑，教師需要選擇合理的教學內容，挖掘教學內容中蘊含的學科核心價值，采用合適的教學模式和教學策略，從而達到培養學生學科核心素養的目的。

碳酸鈉、碳酸氫鈉是鈉的重要化合物，也是高中學習元素化合物的重要內容。人教版教材的內容中，就二者的外觀、溶于水的熱量變化、熱穩定性及溶液堿性進行了探究，對兩者和稀鹽酸的反應僅要求寫出反應的離子方程式。但教材對如何組織“碳酸鈉、碳酸氫鈉與稀鹽酸的反應探究”并未提出建議。在實際的教學中，教師進行演示實驗，一般是向等物質的量的碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液中加入等濃度等體積的稀鹽酸，然后根據氣泡產生的快慢進行粗糙的對比，再從微觀角度解釋反應快慢的原因。筆者認為，該教學過程缺乏嚴謹的證據支撐。

本文挖掘“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應”背后所蘊含的化學學科核心價值，以“四重表征”教學模式為基礎，創設真實且富有價值的問題情境，通過3個“遞進式實驗”，逐步使學生理解碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的機理，從而培養學生的化學學科核心素養。

二、教學設計

1.教學思想

錢揚義主編的《化學概念與化學“學科關鍵詞”的學習與認知》一書中，對化學“四重表征”教學模式進行了具體的介紹，即宏觀表征、微觀表征、符號表征和曲線表征。［2］在定性和定量的實驗探究過程中，都會涉及到實驗現象記錄等宏觀表征，解釋實驗現象等微觀表征，書寫化學方程式等符號表征，在連續性的定量測量實驗中會生成與反應過程相匹配的曲線圖像等曲線表征。因此，科學探究的過程與“四重表征”有著緊密的聯系。［3］

“探究鹽酸與碳酸鈉、碳酸氫鈉反應”一課以“四重表征”教學模式進行設計（見圖1）。通過碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應并使氣球膨脹的實驗，發現碳酸鈉與鹽酸反應的速率較慢（宏觀表征）；引導學生從微觀的角度猜測碳酸鈉與鹽酸反應的機理（微觀表征）；用pH傳感器繪出反應過程中溶液的pH變化曲線，驗證微觀猜想（曲線表征）；促使學生建立微粒觀，從而寫出碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的離子方程式（符號表征）。

圖1 本節課中“四重表征”的教學思想

2.“四重表征”教學模式與化學學科核心素養的聯系

培養學生化學學科素養是化學教學的重要目標，宏觀辨識與微觀探析是“四重表征”中的兩個表征方式，曲線表征能將宏觀現象與微觀本質通過曲線的形式抽象地表示。變化的曲線有利于學生理解化學變化的動態過程，培養學生的變化觀念與平衡思想。數字化技術實驗能將傳統化學實驗中無法直接觀察到的現象和變化，通過反應曲線呈現出來，使其變得可視化，為實驗證據的收集提供了新的途徑，有利于培養學生證據推理的素養。“四重表征”教學模式促使學生從多個維度認識研究對象的性質、特征及其相互轉換，能建立起有效的化學學科認知模型。因此，“四重表征”教學模式為在課堂中培養學生化學學科核心素養提供了有效途徑。

本節課的“四重表征”與化學學科核心素養的關系見圖2。

圖2 本節課的“四重表征”與化學學科核心素養的關聯

3.教學目標

本節課的教學目標如表1所示。

表1 基于化學學科核心素養確定的教學目標

三、教學過程

1.新課導入——自制泡沫滅火器，模擬滅火過程

【引入】發生火災時，我們常會用泡沫滅火器進行滅火。同學是否思考過泡沫滅火器的工作原理是什么？

【教師】展示泡沫滅火器的說明書，請學生結合說明書提供的信息分析泡沫滅火器的工作原理。

【學生】閱讀說明書后知道，泡沫滅火器中有兩個容器，分別盛放碳酸氫鈉溶液和酸性液體。當使用泡沫滅火器時，將滅火器倒轉使兩種液體充分混合產生二氧化碳，從而滅火。

【趣味實驗】向裝有100 mL 飽和碳酸氫鈉溶液和5 mL洗滌劑的塑料瓶（塑料瓶的瓶口連接一根橡膠導管）中放置一支裝有20 mL 6 mol/L 鹽酸溶液的試管。倒轉塑料瓶并將橡膠導管對準火焰根部，觀察到火焰熄滅（見圖3）。

圖3 用自制泡沫滅火器模擬滅火過程

2.實驗初探——碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液與鹽酸的定量實驗

【提問】NaHCO3和Na2CO3都能與酸反應放出CO2。為什么泡沫滅火器使用的是NaHCO3而不是Na2CO3？

【學生】提出猜想：碳酸氫鈉與酸反應的速率可能更快。因為放出同等體積的二氧化碳，碳酸氫鈉消耗的鹽酸要比碳酸鈉消耗的鹽酸的量少。

【追問】如何驗證同學們的猜想？

【學生活動】用“實驗裝置拼圖”，設計碳酸氫鈉、碳酸鈉與鹽酸反應實驗的方案。各小組展示設計方案，由其他小組成員進行點評，最終選出最優方案（見圖4）。

圖4 使用自主研發的“實驗裝置拼圖”設計實驗方案

【定量實驗】實驗裝置如圖5 所示。在滴定管夾兩側夾兩根硬質玻璃管，用帶有針筒的橡膠塞塞緊玻璃管的下端。向兩硬質玻璃管中分別倒入10 mL 0.1 mol/L 碳酸鈉溶液和10 mL 0.1mol/L 碳酸氫鈉溶液，用氣球套緊玻璃管的上端。用針管向兩支硬質玻璃管中注入10 mL 0.1mol/L 鹽酸溶液，觀察到裝有碳酸鈉溶液玻璃管的上方的氣球無明顯變化，而裝有碳酸氫鈉溶液玻璃管上方的氣球迅速變大。隨后將針筒中剩余的10 mL 0.1 mol/L 鹽酸溶液全部注入到玻璃管中，觀察到兩只氣球都膨脹變大。

圖5 碳酸鈉溶液、碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應的定量實驗

【教師】根據上述實驗的現象，同學們可以得出什么結論？

【學生】套在裝有碳酸氫鈉溶液玻璃管上方的氣球先膨脹變大，所以碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應的速率更快。

3.實驗再探——驗證碳酸鈉與鹽酸反應的微觀機理

【提問】在碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的定量實驗中，為什么第一次注入10 mL鹽酸時盛碳酸鈉溶液的玻璃管中沒有氣體產生？第二次注入剩余的10 mL鹽酸時卻有氣體產生？

【學生】提出猜想：從化學方程式中可以觀察到，NaHCO3與鹽酸反應只需要一個H+，而Na2CO3與鹽酸反應需要兩個H+，所以Na2CO3獲取第一個H+變成NaHCO3，然后NaHCO3再獲取一個H+變成H2CO3，最終放出CO2。在剛剛的定量實驗中，鹽酸是分兩次注入到硬質玻璃管中的，也從側面說明Na2CO3與鹽酸反應放出CO2時分兩步進行。

【提問】同學們提出Na2CO3與鹽酸反應可能是分兩步進行的，我們如何驗證這個猜想？

【數字化實驗】實驗裝置如圖6所示。用0.1 mol/L鹽酸滴定25 mL 0.1 mol/L 碳酸鈉溶液，測量溶液中的pH 變化，并通過電腦記錄并顯示滴定過程中溶液的pH 隨時間變化的曲線（見圖6、圖7、圖8）。觀察到曲線中有兩個突變點，說明Na2CO3與鹽酸反應是分步進行的。其中第一個突變點的pH值為8.20，與0.05 mol/L NaHCO3溶液的pH（8.39）基本相同，這就證明Na2CO3與鹽酸反應時先轉變為NaHCO3，再轉變為碳酸，最終放出CO2。

圖6 用鹽酸滴定碳酸鈉溶液并測定溶液pH的實驗裝置

圖7 用pH計測量0.05 mol/L碳酸氫鈉溶液的pH

圖8 用鹽酸滴定碳酸鈉溶液時pH變化曲線

【教師】根據上述實驗現象，同學們可以得出什么結論？

4.聯系生活——碳酸鈉、碳酸氫鈉在生產、生活中的價值

【總結】本節課我們一起研究了碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液與鹽酸反應的實質。通過定量實驗和數字化實驗，我們理解了與H+反應的微觀機理。更為重要的是，我們初步建立了探究物質性質、反應及其相互轉換的思維模式。

【教師】碳酸鈉、碳酸氫鈉在生產、生活中有重要的應用。例如：我們經常服用的維生素C泡騰片是利用碳酸氫鈉與有機酸的反應實現藥片的自動崩解。純堿是一種重要的化工原材料，在19世紀中期，歐美各國將純堿的制造方法壟斷起來，中國工業所需要的純堿完全依賴進口。為了打破歐美各國的壟斷局面，我國著名的化工開拓者侯德榜先生經過上千次的嘗試終于探索出制堿的新工藝，降低了成本，這種制堿法被命名為“侯氏制堿法”。

四、教學評價與成效分析

1.問題研究方法

教學完成后，采用學生問卷調查法，從教學目標和化學學科核心素養的方面調查學生對本節課的反饋與評價，從而獲得定量的數據。定量數據采用SPSS 23.0進行分析。

本次調查選取了東莞市某高中127名學生作為測試對象，測試對象的綜合成績和化學單科成績較好。

本次調查問卷采用李克特5 點量表計分法，共有24題，選項包括十分同意、同意、一般、不同意、非常不同意，分值分別計為5、4、3、2、1 分。發放了127 張問卷，回收問卷127張，回收率為100%。

2.調查結果與分析

該問卷的Alpha 為0.821，信度較好，問卷的統計數據具有較高的可靠性（見表2）。

由表2 的問卷調查反饋可知，學生通過本節課的學習，化學學科核心素養落實情況較好，平均分均在4.5以上。

表2 問卷統計和數據分析

第8、9題的得分均在4.5以上，說明在課堂中使用數字化實驗得到學生的認同，有助于學生認知化學反應的機理和本質，為學生觀察實驗現象和收集實驗數據提供了新的途徑，對于培養“證據推理”的核心素養起到很好的促進作用。第5、6 題的平均得分為4.659，說明學生對于通過動態曲線分析化學反應十分感興趣。同時，動態曲線可以直觀地呈現過程，有利于學生動態地分析化學變化，促使“變化觀念”的建立。根據上述問卷數據的分析，說明“四重表征”中的曲線表征對于培養學生化學學科核心素養具有更大的價值。

為保證問卷數據的有效性和科學性，問卷的第4、7、13、20、21題為反向題，平均得分都在1.7以下，其中第4 題的平均得分為1.658，分值相對其他反向題較高。造成該現象的主要原因是本節課知識性層面的內容學生在之前的學習中已經掌握（離子方程式的書寫和碳酸鈉、碳酸氫鈉的部分性質），學生在課堂中收獲的知識性內容并不多，從而造成第4題（反向題）得分相對偏高的情況。第22 題的得分為4.771，得分較高，說明學生在知識層面雖然收獲較少，但認為本節課驗證猜想的方法十分嚴謹，學生的科學探究的思維得到了一定的提升。

五、教學反思

根據研究結果可以發現，“四重表征”教學模式對培養學生化學學科核心素養有較好的效果，為培養學生的學科素養提供了有效途徑。

結合本節課的教學思想、教學模式、教學內容和教學效果，在課堂上落實學生化學學科核心素養的培養需要做好以下3個方面：

1.創設真實且富有價值的問題情境

真實、具體的問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，為培養學生化學學科核心素養提供了真實的表現機會。因此，教師在教學中應重視創設真實且富有價值的情境。本節課用泡沫滅火器創設情境，層層設問深挖“為什么滅火器使用的是碳酸氫鈉而不是碳酸鈉？”充分發揮真實情境的價值。

2.制訂科學的教學目標

學生化學學科核心素養的發展是持續進步的過程，合理的教學目標是在課堂教學中落實核心素養的保障，同時也是對教學效果評價的重要標準。在制定教學目標時，應當著重分析化學學科核心素養的內涵與教學內容、學情的聯系，將學科核心素養的要求轉變為教學目標，從而將素養的培養落實到教學活動中。

3.發揮化學實驗的獨特價值

在本節課中，如何幫助學生認識碳酸鈉與鹽酸反應的機理？如何使學生“看到”溶液中離子是如何反應的？數字化實驗有著不可替代的作用。本節課通過三個遞進式實驗：“模擬滅火器”“碳酸鈉、碳酸氫鈉與鹽酸反應的定量實驗”和“數字化實驗測定溶液的pH 變化”，增進學生對科學探究的理解，使化學知識的學習、科學探究能力的形成與化學學科核心素養的發展有機地結合。