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化学生态课堂教学研究论文
摘要：以“无机非金属材料的主角———硅”为例，阐述了利用客观事实、化学实验等方式进行实证的化学生态课堂教学，对硅酸钠溶液与盐酸或二氧化碳反应的实验进行了较为深入的研究，在实践中取得了理想的教学效果。
关键词：硅；实验探究；生态课堂；证据推理
生态化学教学追求的是民主的、人文的、自主的、体验的优质课堂［１］。我校提出的化学生态课堂教学的基本环节是“自主先学→组内研学→交流促学→反馈评学”，让学生站在学习的中心，最终实现以提升学生化学核心素养、合作探究能力、综合思维能力为指向的智慧发展。化学是一门以实验为基础的自然科学，尊重客观事实，用事实说话，在化学生态课堂教学中，既要充分利用学生的已有经验开展教学，又要对有些经验，尤其是有疑惑的内容进行实证，可以采用客观事实、化学实验等方式进行。下面以人教版《化学１（必修）》第四章第一节“无机非金属材料的主角———硅”［２］为例加以说明。
１实物展示，创设问题情境
１．１实物展示
课前播放含硅元素实物美图的视频，让学生直观感知硅元素的实用性，学生在观看时快速融入课堂情境。上课时，学生积极展示课前精心准备好的含硅元素的实物，介绍完后根据含硅元素的物质类别归类，展示的实物主要有玻璃、陶瓷、水泥、混凝土、沙子、水晶饰品、玛瑙、光导纤维、硅胶、太阳能电池或芯片等，还有学生带来了阳光罐、太阳能电池玩具并进行现场演示。展示时，学生的热情高涨，非常兴奋，他们用实物证明了硅元素的重要用途。
１．２创设问题
刚才展示的实物中，在自然界最为常见的是沙子，沙子的主要成分是二氧化硅，以二氧化硅为原料可以制得很多其他的产品。比如要想制得硅胶，需要先制得硅酸，硅酸难溶于水，那么如何以二氧化硅为基础原料来制取硅酸呢？你能想到哪些方案？学生分析后，得出２种方案。方案１：二氧化硅与水直接反应制取硅酸（理由是二氧化碳可以与水反应生成碳酸）；方案２：二氧化硅与氢氧化钠溶液反应制取硅酸钠，再用硅酸钠与盐酸发生复分解反应生成硅酸。教师引导学生分析，如果方案１可行，那么成本就很低，就无需用方案２了，那么方案１可行吗？请结合事实进行分析。学生在小组讨论中得出结论，并给出反例进行实证：如果二氧化硅容易与水反应生成硅酸，那么在自然界中就不应该存在大量二氧化硅，沙滩上也不应该存在大量沙子，而应该变为“硅酸滩”了。
２实验探究，实证物质性质
２．１探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液与盐酸反应
从硅酸溶液变成胶体，再凝成胶冻，这些变化都建立在硅酸聚合的基础上，而聚合反应的速度又与氢氧根离子浓度和硅酸浓度密切相关［３］。为了寻求较佳的实验条件，以满足课堂教学的需要［４］，使实验现象尽可能快速、明显，选用饱和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液和６～７ｍｏｌ／Ｌ盐酸进行分组学生实验。向小试管中加入１滴管饱和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液，逐滴滴入盐酸，边滴边振荡。可以观察到产生白色絮状沉淀，当滴入约１０滴盐酸时，观察到试管内的物质迅速凝成凝胶状固体，说明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液与盐酸确实能反应生成硅酸。
２．２探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液与ＣＯ２反应
２．２．１提出问题通过初三化学的学习，学生已经知道酸与盐发生复分解反应时，生成新酸与新盐，生成新酸的酸性一般弱于原来的酸，即强酸制弱酸。盐酸是强酸，能与Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反应，那么弱酸能不能与Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反应呢？碳酸是一种常见的弱酸，那么如果向Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２，情况如何呢？小明同学通过图１组合实验装置进行实验，进而得出“ＣＯ２能与Ｎａ２ＳｉＯ３溶液反应生成硅酸”的结论，老师却认为小明的实验结论不可靠，请指出原因并加以改进。２．２．２讨论交流学生经过讨论交流得出，根本原因是通入Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的气体中含有ＨＣｌ气体，所以导致实验结论不可靠。如何进行改进呢？学生想到的办法：（１）中间增加ＮａＨＣＯ３溶液的洗气装置或优化制取二氧化碳的方法。（２）联想到ＣＯ２与澄清石灰水反应的实验，有学生提出可以将内壁涂有Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的小烧杯罩在酒精灯火焰上，观察是否变浑浊。然而思维严谨的学生对这个方案产生质疑，将烧杯罩在酒精灯火焰上时，水被加热挥发，Ｎａ２ＳｉＯ３固体析出也会出现浑浊现象，所以应该等烧杯冷却后再加水，观察产生的固体是否溶解。２．２．３实验探究由于直接向饱和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２气体，需要通气约８分钟，再静置一段时间才能观察到凝胶状固体，时间过长，不适合课堂演示。为了使反应更快速、有趣，用３５０ｍＬ软饮料瓶收集满２瓶ＣＯ２气体，拧紧瓶盖备用。课堂演示时，邀请一名学生与教师同时进行实验探究，比一比谁做得更快、更好。让学生先操作，拧开瓶盖，向瓶内加入２滴管饱和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液，拧紧瓶盖，迅速振荡饮料瓶，可以观察到饮料瓶逐渐变瘪，并能感知到瓶壁略变热，说明该反应放热。振荡１分钟左右，将瓶子倒置在桌上约１分钟，拧开瓶盖，可以观察到瓶盖内的凝胶状固体（如图２所示），说明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能与ＣＯ２反应生成硅酸。２．２．４拓展研究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能与ＣＯ２反应生成硅酸，生成什么钠盐呢？学生猜想可能是Ｎａ２ＣＯ３或ＮａＨＣＯ３，受到Ｎａ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＝２ＮａＨＣＯ３知识的影响，许多人认为，该反应生成的钠盐与ＣＯ２的用量有关，通入少量ＣＯ２气体时，生成Ｎａ２ＣＯ３，通入足量ＣＯ２气体时，生成ＮａＨＣＯ３。那实际情况如何呢？将生成的硅酸凝胶用玻璃棒搅碎后，加入蒸馏水，振荡，弃去上层液体，重复２～３次。向洗净后的硅酸中加入蒸馏水，振荡，分为２等份，一份加入足量饱和Ｎａ２ＣＯ３溶液，另一份加入等量水做对比实验。将２份混合物充分振荡，为了加快反应速率，可以在酒精灯火焰上适当微热，观察到加有饱和Ｎａ２ＣＯ３溶液的硅酸逐渐溶解，而加入等量水的硅酸无明显现象。实验现象表明，Ｈ２ＳｉＯ３能与Ｎａ２ＣＯ３溶液反应，说明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液中通入ＣＯ２气体时，应该生成Ｈ２ＳｉＯ３与ＮａＨＣＯ３，而不是Ｎａ２ＣＯ３，化学反应方程式为Ｎａ２ＳｉＯ３＋２ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ＝２ＮａＨＣＯ３＋Ｈ２ＳｉＯ３↓［５］。查阅电离平衡常数可知，电离Ｈ＋的能力确实是Ｈ２ＣＯ３＞Ｈ２ＳｉＯ３＞ＨＣＯ－３，与实验结果吻合。
２．３探究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的优越性能
２．３．１体验Ｎａ２ＳｉＯ３的防火性能２位学生分别夹取用饱和ＮａＣｌ溶液浸泡晾干的布条和用饱和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液浸泡晾干的布条，同时置于酒精灯火焰上，可以观察到前者迅速燃烧，而后者难以燃烧，说明Ｎａ２ＳｉＯ３防火性能好，可用做防火剂。２．３．２体验Ｎａ２ＳｉＯ３的黏合性能事先准备好用饱和ＮａＣｌ溶液黏合的２块毛玻片和用饱和Ｎａ２ＳｉＯ３溶液黏合的２块毛玻片，放置３天。让２位学生分别用力将其分开，可以观察到前者很容易就分开，而后者根本无法分离，说明Ｎａ２ＳｉＯ３溶液有很强的黏合性能，可用做黏合剂。再因势利导，分析盛装ＮａＯＨ溶液的试剂瓶不能用玻璃塞的原因，学生恍然大悟。
２．４体验ＳｉＯ２与ＨＦ的反应
由于ＨＦ易挥发且有毒性，与ＳｉＯ２的反应不宜在教室进行实验探究，可以让学生观看视频，体验ＳｉＯ２与ＨＦ的反应。再引导学生结合两性氧化物的定义分析得出，ＳｉＯ２不是两性氧化物，应该属于酸性氧化物。
３观看视频，激发爱国热情
通过观看剪辑的视频，让学生了解由二氧化硅可以制得硅，晶体硅可用来制硅太阳能电池和硅芯片，了解我国芯片的国情和近年来“中国芯”的迅猛发展。苏州正在修建一座中国最大规模、最先进的半导体产业园。有专家预言，２０１８年是中国芯发展最为关键的一年，所以我们一定要努力学好本领，因为社会的发展需要我们，祖国的发展需要我们！
４小结提升，点明课堂主题
本节课主要学习了以二氧化硅为中心的转化关系：沙子的主要成分是二氧化硅，而二氧化硅生产的玻璃、硅胶、光导纤维、太阳能电池、硅芯片等已经走进了千家万户，我们能理解在半导体工业中“从沙滩到用户”的含义。人们将２０世纪后半叶以来的时代称为“硅时代”，也足以体现硅在社会发展中的重要性，硅元素确实无愧于“无机非金属材料的主角”的称号。
５教学反思
５．１教师首先要有实证意识
不少教师都积累了多年教学经验，这些经验主要来自于教材、教参、习题资料、报刊杂志和网络资源等，但有些教师对这些经验缺少批判性思维，直接“拿来主义”，教学上也停留在传统的知识层面，缺少对学生方法的指导和能力的培养，这显然是与当下以学科核心素养和关键能力为导向的课堂教学理念格格不入的。对于一些“经验”的获取，尤其是有关物质性质方面的经验，我们一定要有实证意识，化学是一门以实验为基础的自然科学，实验是检验真理的唯一标准，所以只要条件允许，一定要用实验进行验证，再吸收其为有效经验。很多时候，我们缺乏的不是研究和解决问题的方法，而是主动研究问题的意识。
５．２着力培养学生实证意识
在课堂教学中，教师要精心设计，引导学生运用事实和实验手段进行实证。本节课中让学生根据事实推理能否用ＳｉＯ２直接与水制备硅酸，用化学实验手段研究Ｎａ２ＳｉＯ３溶液能否与盐酸或ＣＯ２反应，以及Ｎａ２ＳｉＯ３溶液与ＣＯ２反应生成的钠盐，用对比实验的方法体验了Ｎａ２ＳｉＯ３溶液的防火性和黏合性，较好地培养了学生的实证意识。
参考文献
［１］沈世红．生态化学：让教育梦想照进课堂现实．南京：江苏教育出版社，２０１５：９
［２］宋心琦．普通高中课程标准实验教科书：化学１（必修）．北京：人民教育出版社，２００７
［３］王云生，陈永夏．化学教育，１９８４（６）：４２－４３
［４］阳智纯．化学教学，２００８（７）：１１－１３
［５］刘怀乐．教学仪器与实验，２００８（９）：３６－３７
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