周朝晖 沈蓉

摘要： 以人教版高中化学必修1“金属的化学性质”第二课时“金属与水的反应”教学为例，依据课程标准和教材合理调整教学内容，增加“镁与水反应”、“钠与硫酸铜溶液反应”等实验探究活动，运用POE教学策略，采用翻转课堂的教学模式，有效培养了学生的化学学科核心素养。

关键词： 化学学科核心素养; 实验创新; 翻转课堂; 教学设计

文章编号： 1005-6629（2019）2-0054-05            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

合理组织化学教学内容、精心设计实验探究活动、创设真实问题情境、充分利用现代信息技术辅助教学等是实现“素养为本”的化学课堂的有效手段。基于这一思路，笔者选择“金属与水的反应”一节内容进行了教学改革尝试。

1  教学分析

“金属与酸和水的反应”是人教版高中化学必修1第三章第一节“金属的化学性质”第二课时的教学内容。第三章是在学习了物质的量、氧化还原反应和离子反应等概念之后，开始具体地学习元素化合物的知识。元素化合物知识既可以为前面的理论知识补充感性认识材料，又可以为化学必修2介绍的物质结构、元素周期表、化学反应能量等理论知识打下重要的基础。初中介绍了金属活动性顺序，学生初步了解金属与酸或盐溶液反应的规律，第二课时让学生通过实例来认识金属与水的反应及其一般规律。教材中只安排了钠与水的反应实验和科学探究——设计铁与水蒸气反应的实验装置。笔者在听课过程中，发现大多数教师仅根据教材提供的教学素材来安排教学活动。活动一： 演示实验——钠与冷水的反应（观察现象、分析原因、书写化学方程式）;活动二： 科学探究——设计还原铁粉与水蒸气反应装置并实验。一次听课后，随机向一组学生问两个问题： （1）金属与水反应有什么规律？（2）若将一小块钠投入硫酸铜溶液会有什么现象？第一个问题，多数学生只能回答钠能与水反应，铁与水蒸气能反应，而不能总结出金属与水反应的一般规律;第二个问题，所有学生都回答钠表面会有红色固体析出。为什么教师花一节课时间按教材提供的教学素材组织教学，而学生没有掌握金属与水反应的一般规律？学生为什么不能通过钠与水反应的事实建构钠与盐溶液反应的认知模型？如何设计“金属与水的反应”的教学内容才能有效培养学生化学学科核心素养？

笔者对以上三个问题做了深入思考。钠与水反应的实验可以加深学生对金属性质的认识，增强学生观察和分析问题的能力;探究设计铁与水蒸气反应的实验装置可以培养学生高阶思维能力和实践（科学探究）能力及创新意识。仅通过钠与水的反应和铁与水蒸气的反应让学生归纳、总结出金属与水反应的一般规律，认知过程中思维跨度大。因此，在教学中应补充镁与水反应实验，为学生提供更丰富的有关金属与水反应的实验事实，促进学生自主建构金属与水反应规律的认知模型，以完善模型认知的环节。为了加深学生理解掌握钠与水反应的实质、让学生自主建构钠与盐溶液反应的认知模型，教学中还要补充钠与硫酸铜溶液反应的实验探究环节。这一环节有利于拓展“证据推理与模型认知”的应用，可以提升认知模型的价值功能。此外，还应增加铁与水蒸气反应在生活、生产中应用等素材，以培养“科学态度与社会责任”这一核心素养。

2  教学目标

依据课程标准和教学内容，制定如下教学目标：

（1） 通过实验探究掌握钠与硫酸铜溶液反应的原理，正确描述实验现象并分析产生该现象的原因。

（2） 通过铁与水蒸气反应实验装置的设计与优化，增强科学探究能力和创新意识。

（3） 通过钠、镁、铁等与水反应现象和原理归纳金属与水反应的一般规律，构建并完善金属与水及盐溶液反应的一般模型。

（4） 通过铁与水蒸气反应在生活、生产中应用的事例，体会化学在日常生活、生产中的价值。

3  教学策略

3.1  运用POE教学策略

POE（PredictObserveExplain，预测-观察-解释）教学策略实质是要求学生事先根据自身的生活经验及已知化学知识对将要进行的实验合理预测，充分暴露学生前概念中的积极成分和错误成分，为后续提供合理的教学设计[1];通过教师演示实验或学生切身体验实验过程，引发学生认知冲突，从而触发学生对概念认知的转变;学生在最后阶段通过对比预测的实验现象与实际观察的实验现象，采取分组交流讨论形成科学合理的解释，最终实现概念转变，调整个人认知结构。本节课在组织“探究钠与硫酸铜溶液反应原理”的教学环节中运用了这一策略，激发了学生学习兴趣和探究欲望，让学生基于证据推理钠与硫酸铜溶液反应的原理，自主建构钠与盐的水溶液反应的认知模型，有效培养了学生的科学态度和探究能力。

3.2  采用基于“微课”的翻转课堂教学模式

高一学生对化学实验有浓厚的兴趣，但是动手实验操作能力较弱、自主设计实验装置能力不强。本节安排实验内容较多（共有4个），还有一个科学探究（学生自主设计铁与水蒸氣反应的实验装置），若这些内容都安排在课堂上进行，很难在一个课时内完成。为了解决这一矛盾，本节教学还采用基于微课的翻转课堂这种教学模式，将钠与水的反应、镁与水的反应的现象、原理以及设计铁与水蒸气反应实验装置等内容前置，要求学生通过课前微课自主学习，并完成相应思考题和进阶练习，发现有价值的问题。课堂上重点完成三项任务： 一是分组实验探究“钠与硫酸铜溶液的反应原理”;二是展示交流铁与水蒸气反应的实验装置图，并提出优化设计方案;三是归纳总结金属与水反应的一般规律。这种翻转课堂模式有效地拓展了课堂教学的时间和空间，增大了课堂的容量，为课堂中知识的延伸和发散创造了条件。

4  教学流程设计

POE教学策略与翻转课堂教学模式的结合为教学设计提供了指导，具体教学过程如图1所示。

在本节课教学设计的课前学习过程中，提供事先已录制的关于钠与水的反应、镁与水的反应的微课视频，同时微课内容中还设置了一系列循序渐进的任务，有效降低学生课前学习难度。学生可通过观看微课视频，初步认知钠、镁与水反应的现象、原理及符号表征。

课堂教学过程中，首先通过引入对钠与硫酸铜溶液反应的实验探究，引发学生认知冲突，重新调整认知结构，巩固对钠与水反应实质的认识。其次在教师引导下，通过设计铁与水蒸气实验装置并进行评价、改进，发散学生思维，培养学生的创新意识;通过钢铁淬火图片展示、“淬火炼剑”视频的播放，突出化学学科的社会价值，培养学生的社会责任感。最后教师启发学生对所学知识进行归纳推理，总结出金属与水反应的一般规律，构建知识体系。

5  课堂教学实录及评析

5.1  微课发布

教师基于云平台的教师终端设计微课内容，并通过云平台将其发送至学生的移动智能终端（平板电脑）。本节微课由微视频（8分20秒）和进阶练习两部分组成。具体设计思路如表1所示。

5.2  课堂教学

5.2.1  教学环节1： 回顾微课，巩固知识

[教师]展示学生课前微课学习、进阶练习完成情況。提问： 一小块钠投入滴有酚酞的水中，能观察到哪些现象？

[学生]钠块浮于水面上并熔成小球，四处游动，有“嘶嘶”响声，溶液变成红色。

[教师]你能写出钠与水反应的化学方程式吗？

[学生]在平板电脑上书写钠与水反应的化学方程式：

2Na+2H2O2NaOH+H2↑

评析： 通过重温微课内容，检验学生学习成果，巩固所学知识，建立钠与水反应的宏观认知并会进行符号表征。

5.2.2  教学环节2： 实验体验，深化知识

[教师]若将一小块钠投入硫酸铜溶液，请预测实验现象并写出相关反应的化学方程式。

[学生1]钠表面出现红色固体物质，反应的化学方程式为：

2Na+CuSO4Cu+Na2SO4

[学生2]溶液中出现蓝色絮状沉淀，反应的化学方程式为：

2Na+2H2O2NaOH+H2↑

2NaOH+CuSO4Cu（OH）2↓+Na2SO4

[教师]两位同学预测实验现象及反应原理不同，哪位同学的预测是正确的呢？让我们共同通过实验来验证。

[分组实验]钠与硫酸铜溶液的反应。

向烧杯中倒入约100mL 5%的CuSO4溶液，用镊子从煤油中取出绿豆大小的钠块，并用滤纸吸干表面的煤油后投入CuSO4溶液中，盖上玻璃片，观察实验现象。

[学生]实验结束后，通过平板拍照上传照片。回答观察到的实验现象： 钠浮在水面，熔成小球，四处游动，有“嘶嘶”响声，溶液中有蓝色絮状沉淀生成。

[教师]通过实验我们知道，钠投入硫酸铜溶液中，并没有生成红色固体，而是生成了蓝色的沉淀，这是为什么呢？

[学生]讨论、回答： 金属钠性质非常活泼，投入硫酸铜溶液中先接触到水，直接与水反应生成氢氧化钠，氢氧化钠与硫酸铜发生复分解反应生成氢氧化铜沉淀。

[教师]回答得很好。硫酸铜溶液中铜离子以水合铜离子形式存在，所以将金属钠投入到硫酸铜溶液中后，钠主要是与水反应，而且钠与水反应太快导致铜离子与钠基本上没有太多接触机会。请同学们思考，能不能控制反应条件实现金属钠与铜盐的置换反应呢？

[学生]分组讨论、交流，提出以下可能的实验方案：

（1） 钠与硫酸铜直接接触;

（2） 用一种与金属钠不反应的溶剂代替水，溶解硫酸铜或其他铜盐。

[教师]钠与铜盐在无水条件下可以通过升温熔融实现钠置换出铜，但是要隔绝空气避免钠与氧气反应，这个条件在教室难以实现。查阅文献资料[2]可知，溴化铜可以溶解在丙酮中，而丙酮与钠不反应。

[演示实验]从煤油中取出钠块并用滤纸吸干其表面煤油，用小刀切一小块钠放在表面皿上，切面向上，迅速向切面上滴加几滴溶有溴化铜的丙酮饱和溶液，观察现象。

[学生]观察现象，回答钠块切面上出现较多红色物质。

[教师]有人做过相同实验，并进一步检测出红色固体就是铜。实验证明，同学们提出的实验方案是可以实现的。

评析： 本环节运用POE策略，引发学生的认知冲突，激发学生学习兴趣和探究欲望，让学生自主建构钠与盐溶液反应的认知模型;有利于拓展“证据推理与模型认知”的应用，可以提升认知模型的价值功能。通过钠与铜盐置换反应的系列实验探究，培养学生科学探究与创新意识等学科核心素养。

5.2.3  教学环节3： 设计实验，建构新知

[教师]请同学们按照微型化、绿色化、环保型等方面的要求，根据平板电脑上虚拟实验室中提供的可选择仪器，展示课前设计的铁粉与水蒸气反应的实验装置图。

[学生]运用虚拟实验室中提供的药品及仪器搭建实验装置（药品： 水、湿棉花、铁粉;仪器： 铁架台、硬质玻璃管、试管、圆底烧瓶、酒精灯、导管、橡皮塞、水槽和装有肥皂液的蒸发皿等）。上传实验装置图。

[教师]引导学生分析、评价不同实验装置的优缺点。

[学生]采用加热湿棉花产生水蒸气与铁粉反应的装置相较于分别加热水产生水蒸气和加热铁粉的实验装置，前者更加简化，减少了一个加热装置。

[教师]用加热湿棉花产生水蒸气也有缺点，装有湿棉花的试管部位温度不能迅速升高，反应需要时间较长。可用硫酸铜晶体（CuSO4·5H2O）代替湿棉花加热产生水蒸气与铁粉反应。

[演示实验]改进实验装置图如图2所示。点燃酒精灯，预热后集中在硫酸铜晶体和还原铁粉之间部位加热，等蒸发皿中肥皂液里有较多肥皂泡产生时，用燃着的火柴靠近肥皂泡。一段时间后，移开蒸发皿，停止加热，观察试管中铁粉的变化。

[学生]汇报实验现象，书写铁与水蒸气反应的化学方程式。

评析： 借助虚拟实验室，让每个学生都能积极参与，搭建装置高效、灵活。丰富、自由的尝试提升了学生设计实验、评价实验和改进实验的能力。学生的科学探究能力、创新意识和发散思维等学科核心素养得到了很好的培养。

5.2.4  教学环節4： 联系生活，学以致用

[教师]展示钢铁淬火图片，并播放“淬火炼剑”视频。

[学生]观看、思考。

评析： 展示、播放铁制品的淬火处理的图片和视频，让学生感受化学在生产、生活中的应用价值，培养学生学习化学的兴趣和学好化学的社会责任感。培养了“科学态度与社会责任”这一核心素养。

5.2.5  教学环节5： 归纳小结，反思提升

[教师]请同学们根据学习过的几种不同金属与水反应的条件及现象，归纳总结金属与水反应的一般规律。

[学生]回顾钠、镁、铁与水反应的化学方程式，思考、分享： ①随着金属活动性减弱，与水反应的条件（反应温度）越来越苛刻;②反应产物都有H2。

[教师]同学们对金属与水反应的规律有了初步认识。在金属活动性顺序表中氢前的金属能与水反应，但反应的条件越来越苛刻，像K、 Ca、 Na等非常活泼金属遇冷水就剧烈反应;氢后的不活泼金属（如Cu、 Hg、 Ag、 Pt、 Au等）不与水反应。在今后学习中，还会进一步了解这方面的知识。

评析： 增加镁与水反应案例，学生可以自主利用金属活动性顺序表来认识金属与水反应的规律。通过总结与归纳，有利于将碎片化的知识点串联起来，帮助学生习得具有逻辑性、系统性的知识体系。

5.2.6  教学环节6： 在线诊断，内化知识

[教师]引导学生在线练习，统计并组织学生讨论。

评析： 利用电子书包进行自我诊断、思考与交流，巩固和内化知识，同时提升学生利用化学知识解决问题的能力。

参考文献：

[1]邓琳， 王后雄. POE教学策略在化学概念教学中的应用[J]. 中学化学， 2016， （3）： 1～3.

[2]舒常青. 金属钠置换出铜的几种实验方案比较[J]. 化学教学， 2014， （3）： 61.