基于微粒觀教學(xué)促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解
——以“沉淀溶解平衡”為例

福建省泰寧縣第一中學(xué)(354400) 黃清輝

福建教育學(xué)院化學(xué)教育研究所(350025) 張賢金 吳新建

沉淀溶解平衡是繼化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡后的又一個(gè)平衡理論，它是中學(xué)化學(xué)基礎(chǔ)理論的一個(gè)重要組成部分，是近年來高考的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)沉淀溶解平衡概念的認(rèn)識(shí)存在偏差，究其根源，是因?yàn)閷W(xué)生未在頭腦中形成化學(xué)學(xué)科觀念。實(shí)施學(xué)科觀念建構(gòu)的教學(xué)，有助于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情、促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的深入理解，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。微粒觀是學(xué)科觀念核心要素，學(xué)生微粒觀建構(gòu)將有助于學(xué)生深入理解知識(shí)的教育價(jià)值，有利于解決當(dāng)前化學(xué)知識(shí)的相關(guān)問題。本文基于微粒觀的視角，結(jié)合 “沉淀溶解平衡”的課堂教學(xué)，探討在化學(xué)課堂教學(xué)中如何對(duì)學(xué)生進(jìn)行學(xué)科觀念教育，以達(dá)到對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解。

1 微粒觀的內(nèi)涵與教育價(jià)值

化學(xué)是一門建立在原子、分子、離子等微觀層次上認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、變化、制備及應(yīng)用的自然學(xué)科。 《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) (2017年版)》明確指出：要引導(dǎo)學(xué)生深入學(xué)習(xí)化學(xué)的基本原理和方法，形成發(fā)展學(xué)科核心觀念?；瘜W(xué)學(xué)科核心觀念，不是指某個(gè)具體的化學(xué)知識(shí)，也不是指許多化學(xué)知識(shí)的組合，而是指學(xué)生通過對(duì)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，在深入理解化學(xué)概念、原理，認(rèn)識(shí)化學(xué)的現(xiàn)象本質(zhì)，理解化學(xué)變化規(guī)律的基礎(chǔ)上所形成基本的觀念性的認(rèn)識(shí)。化學(xué)學(xué)科微粒觀是化學(xué)基本觀念的核心部分，微粒觀核心內(nèi)容主要有：一是微粒包含分子、原子、離子等類別；二是物質(zhì)是由微粒構(gòu)成；三是微粒不斷運(yùn)動(dòng)和變化；四是微粒之間存在相互作用；五是微粒間相互作用是造成物質(zhì)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性質(zhì)和變化的關(guān)鍵因素。利用微粒觀教學(xué)有利于幫助學(xué)生將認(rèn)識(shí)的視角從宏觀走向微觀，從現(xiàn)象走向本質(zhì)，逐漸將具體概念知識(shí)的學(xué)習(xí)內(nèi)化為學(xué)生的化學(xué)學(xué)科觀念，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)展學(xué)生微觀認(rèn)識(shí)物質(zhì)水平、發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究精神、發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新品質(zhì)和創(chuàng)新能力等學(xué)科教育價(jià)值。

2 基于微粒觀建構(gòu)的“沉淀溶解平衡”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

運(yùn)用微粒觀分析沉淀的生成、轉(zhuǎn)化和溶解；明確沉淀生成與轉(zhuǎn)化的本質(zhì)；初步建立解決 “沉淀溶解平衡”的一般思路；運(yùn)用微粒觀分析日常生產(chǎn)、生活中與 “沉淀溶解平衡”的相關(guān)問題；體驗(yàn)化學(xué)微粒觀、平衡觀、轉(zhuǎn)化觀的教育價(jià)值。

2.2 教學(xué)思路設(shè)計(jì)

在學(xué)習(xí) “沉淀溶解平衡”之前，學(xué)生已經(jīng)對(duì)強(qiáng)弱電解質(zhì)、化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡等核心概念有了一定的認(rèn)識(shí)。在教學(xué)過程中，教師要充分引導(dǎo)學(xué)生利用已有的學(xué)科知識(shí)、學(xué)科思維、學(xué)科觀念，解決身邊的化學(xué)問題，體驗(yàn)化學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。本文在教學(xué)過程中，以NaCl飽和溶液溶解平衡的探究實(shí)驗(yàn)作為引入，過渡到氫氧化鎂懸濁液存在另一種平衡—— “沉淀溶解平衡”，然后就 “沉淀溶解平衡”的特征、平衡的表達(dá)式、溶度積常數(shù)的概念及相關(guān)計(jì)算、“沉淀的溶解”與轉(zhuǎn)化、“沉淀溶解平衡”的應(yīng)用等展開學(xué)習(xí)。教學(xué)中，采用 “問題情境－實(shí)驗(yàn)探究”教學(xué)模式，環(huán)環(huán)相扣的教學(xué)方式進(jìn)行知識(shí)層層推進(jìn)，通過分析微觀粒子的種類和數(shù)目變化，逐步將核心問題的探究引向深入。

2.3 教學(xué)過程設(shè)計(jì)

2.3.1 環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境，引入概念

問題情境1：如何證明可溶性固體存在溶解平衡?

實(shí)驗(yàn)探究1：取4mLNaCl飽和溶液，滴加1～2滴濃鹽酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并分析原因。

設(shè)計(jì)意圖：通過引導(dǎo)學(xué)生分析飽和氯化鈉溶液中存在微粒的種類，并結(jié)合固體溶解平衡及化學(xué)平衡Qc與K等相關(guān)知識(shí)，讓學(xué)生明白增大氯離子濃度，促使飽和氯化鈉溶解平衡逆向進(jìn)行，氯化鈉在該環(huán)境下溶解度減小，導(dǎo)致氯化鈉晶體析出。

問題情境2：粗鹽提純過程中，用過量的氫氧化鈉溶液除去鎂離子，使之轉(zhuǎn)化為氫氧化鎂沉淀，那么所得溶液中鎂離子濃度是否為零?怎么證明氫氧化鎂固體是否溶于水，是否存在類似可溶性固體溶解平衡體系?

實(shí)驗(yàn)探究2：取少量的氫氧化鎂固體于小燒杯中，加入適量的蒸餾水后，用玻璃棒攪拌。靜置后，取上層清液于兩支試管中，分別向其滴入幾滴無色酚酞溶液及飽和氫氧化鈉溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并分析原因。

設(shè)計(jì)意圖：通過觀察酚酞溶液變紅，學(xué)生很容易明白氫氧化鎂固體有少量溶解，氫氧化鎂溶解的部分電離出使酚酞變紅的氫氧根離子；加入氫氧化鈉溶液后觀察白色沉淀生成，學(xué)生很容易認(rèn)識(shí)到氫氧化鎂存在溶解平衡。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生對(duì)“沉淀溶解平衡”的概念有了真實(shí)的體驗(yàn)，通過對(duì)體系中微粒的分析，促進(jìn)學(xué)生對(duì)“沉淀溶解平衡”建立有更深層次的理解。

2.3.2 環(huán)節(jié)二：知識(shí)遷移，深化概念

問題情境3：①什么是化學(xué)平衡?化學(xué)平衡有哪些特征?化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式如何書寫?②以氫氧化鎂為例，闡述什么是 “沉淀溶解平衡”?“沉淀溶解平衡”有哪些特征?③ “沉淀溶解平衡”及其常數(shù)表達(dá)式怎樣書寫?該平衡常數(shù)又稱為什么?④氫氧化鐵、碘化銀的 “沉淀溶解平衡”及其Ksp表達(dá)式怎樣書寫?⑤觀察硫酸鋇的 “沉淀溶解平衡”表達(dá)式與硫酸鋇的電離方程式有何區(qū)別?

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有化學(xué)平衡知識(shí)，在加深理解平衡理論的同時(shí)，逐步將探究的問題引向?qū)Α俺恋砣芙馄胶狻北举|(zhì)的學(xué)習(xí)與理解，在潛移默化中學(xué)習(xí)并掌握新知識(shí)。教學(xué)過程中，通過引導(dǎo)學(xué)生對(duì)溶液中微粒種類、數(shù)目、存在形態(tài)的分析，幫助學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解。

問題情境4：根據(jù)表1中難溶物的溶度積常數(shù)(25℃)，回答以下問題。

(1)表格中物質(zhì)Ksp有什么特點(diǎn)?

(2)不同難溶電解質(zhì)Ksp越小，表示該物質(zhì)溶解能力越小?

(3)某溶液中含F(xiàn)e3＋為0.1mol/L，求下列情況溶液的pH。①開始沉淀時(shí)，溶液的pH；②Fe3＋完全沉淀時(shí)(當(dāng)被沉淀的離子濃度小于10－5mol/L，即認(rèn)為沉淀完全)溶液的pH。

表1 難溶物的溶度積常數(shù)

設(shè)計(jì)意圖：通過表格呈現(xiàn)Ksp的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生明白可以用Ksp表示其溶解能力，但是不同物質(zhì)間，由于構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間比例關(guān)系不一定相同，所以不能直接利用Ksp數(shù)值大小比較溶解能力；設(shè)計(jì)利用Ksp公式進(jìn)行簡單計(jì)算，進(jìn)一步理解Ksp與微粒間濃度的相互聯(lián)系。

2.3.3 環(huán)節(jié)三：問題解決、深化認(rèn)知

問題情境5：

①鑒別碳酸鈉和碳酸氫鈉用什么試劑?能否用氯化鈣溶液?②硝酸銀溶液和氯化鈉溶液混合時(shí)，一定有沉淀生成嗎?③如何判定一定濃度的微粒間混合形成沉淀?④向含等濃度的氯離子、溴離子、碘離子、鉻酸根離子的混合溶液中逐滴加入等濃度的硝酸銀溶液，則產(chǎn)生沉淀的離子依次順序是什么?

實(shí)驗(yàn)探究3：分別往碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液中滴入氯化鈣溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生建立知識(shí)模型：溶液混合時(shí)，首先要根據(jù)混合瞬間溶液中離子Qc與Ksp的相對(duì)大小判斷混合過程中是否產(chǎn)生沉淀，即Qc＞Ksp，則有沉淀生成。在混合液中加入同一種離子，產(chǎn)生沉淀的順序，不能直接根據(jù)Ksp的大小，而應(yīng)看哪種物質(zhì)的Qc先達(dá)到其溶度積常數(shù)，誰先沉淀。

問題情境6：①水垢中含有CaSO4，是一種難溶于酸堿的物質(zhì)，該如何除去?②某工廠排放廢水中常含有Cu2＋、Pb2＋、Hg2＋等重金屬離子，最適宜加哪種物質(zhì)除去這些離子?③牙釉質(zhì)的主要成分Ca10(PO4)6OH(羥基磷酸鈣)，它是一種難溶電解質(zhì)，為什么吃糖容易形成蛀牙?為什么用含氟牙膏可以更好地保護(hù)牙齒?④醫(yī)療上的鋇餐主要成分是硫酸鋇，能否用碳酸鋇代替硫酸鋇?⑤從復(fù)分解反應(yīng)的視角判斷氯化銀和溴化鈉溶液，溴化銀和碘化鉀溶液混合是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?

實(shí)驗(yàn)探究4：向試管中加入1mL0.1mol/L的氯化鈉溶液，滴入幾滴0.1mol/L的硝酸銀溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；再往試管中繼續(xù)滴加幾滴0.1mol/L的溴化鈉溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；最后往試管中繼續(xù)滴加幾滴0.1mol/L的碘化鈉溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：聯(lián)系生產(chǎn)生活中的實(shí)際例子，讓學(xué)生通過分析溶液中微粒的變化，充分感受到“沉淀溶解平衡”是真實(shí)存在的，不同沉淀之間是可以相互轉(zhuǎn)化的。

問題情境7：在氫氧化鎂懸濁液中加入適量的氯化銨晶體，充分振蕩，沉淀會(huì)溶解嗎?如果會(huì)，沉淀溶解是銨根離子直接與OH－反應(yīng)造成的，還是銨根水解生成H＋與OH－反應(yīng)造成的?

實(shí)驗(yàn)探究5：分別取兩支滴有酚酞的氫氧化鎂懸濁液的試管，向一支試管中滴入氯化銨溶液，充分振蕩，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；向另一支試管中滴入醋酸銨溶液，充分振蕩，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)意圖：探究銨根離子對(duì)氫氧化鎂沉淀影響，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“沉淀溶解平衡”、電離平衡、水解平衡等相關(guān)知識(shí)充分分析溶液中存在的微粒及微粒間的相互作用。在此過程中，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析、解決問題的能力，提升微觀探析、平衡思想、科學(xué)探究等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

4 基于微粒觀教學(xué)促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解的建議與反思

4.1 培養(yǎng)微粒觀認(rèn)識(shí)事物的學(xué)習(xí)品質(zhì)，促進(jìn)對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) (2017年版)》指出：普通高中的培養(yǎng)目標(biāo)是進(jìn)一步提升學(xué)生綜合素質(zhì)，著力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)，使學(xué)生具有科學(xué)文化素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)能力，具備自主發(fā)展能力。品質(zhì)指人的素質(zhì)和物品的質(zhì)量，其中人的素質(zhì)指人的健康、智商、情商、逆商和知識(shí)、文化、道德素養(yǎng)等。學(xué)習(xí)品質(zhì)包括學(xué)習(xí)行為、學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)能力等方面。化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，實(shí)驗(yàn)探究有助于學(xué)生培養(yǎng)觀察、思考、分析問題及解決問題的學(xué)習(xí)品質(zhì)。化學(xué)核心概念、原理如弱電解質(zhì)電離平衡、鹽類水解、“沉淀溶解平衡”都具有較強(qiáng)的抽象性、理論性，學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中對(duì)核心知識(shí)的學(xué)習(xí)普遍感到恐懼，很容易停留在記憶的層面上。教學(xué)過程中可以借助Flash動(dòng)畫幫助學(xué)生透過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析微粒之間相互作用，深入理解概念、原理的實(shí)質(zhì)，轉(zhuǎn)變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，進(jìn)而養(yǎng)成從微粒觀的角度分析問題。在化學(xué)教學(xué)中，教師如何正確合理地培養(yǎng)學(xué)生基于微粒觀認(rèn)識(shí)事物的學(xué)習(xí)品質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解，是目前化學(xué)課堂教學(xué)中面臨的一個(gè)重要課題。

4.2 建構(gòu)微粒觀分析問題的思維模型，促進(jìn)對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解

為了讓學(xué)生明確用微粒觀認(rèn)識(shí)事物的思維方式，在實(shí)驗(yàn)探究、小組合作交流中對(duì)微粒觀思考方法優(yōu)化后，教師引導(dǎo)學(xué)生明確化學(xué)反應(yīng)原理與微粒性質(zhì)間的內(nèi)在聯(lián)系，以化學(xué)反應(yīng)原理為依據(jù)，從微粒的存在、微粒之間相互作用、微粒性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)原理之間的內(nèi)在聯(lián)系的綜合維度，構(gòu)建微粒觀分析問題的思維模型。及時(shí)內(nèi)化為學(xué)生解決生產(chǎn)生活中實(shí)際問題的思維工具。具體思維模型為：反應(yīng)體系中存在哪些溶質(zhì)和溶劑——體系中存在哪些分子、離子等形式的微粒及微粒的數(shù)量——這些微粒間是如何相互作用——往體系中加入試劑 (分析試劑中存在微粒的種類、數(shù)量)——試劑中微粒與原體系微粒發(fā)生反應(yīng)機(jī)理(借助已有化學(xué)平衡理論)——造成體系微粒種類和數(shù)量如何變化——宏觀現(xiàn)象變化——解決生產(chǎn)生活中實(shí)際問題例子。

4.3 構(gòu)建微粒觀解決問題的教學(xué)模式，促進(jìn)對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解

基于微粒觀的教學(xué)最重要的是將微粒觀與學(xué)科知識(shí)、學(xué)生已有認(rèn)知、教學(xué)目標(biāo)有機(jī)結(jié)合起來，并具體落實(shí)到教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)和教學(xué)策略的選擇當(dāng)中。教師要充分意識(shí)到每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)的意圖是如何引導(dǎo)學(xué)生將認(rèn)識(shí)事物的視角從宏觀走向微觀，從現(xiàn)象走向本質(zhì)的，發(fā)展學(xué)生從微觀角度認(rèn)識(shí)和理解物質(zhì)及其變化，進(jìn)而形成化學(xué)學(xué)科的觀念。教師在教學(xué)過程中，從微粒觀的視角深入理解化學(xué)學(xué)科核心知識(shí)，并對(duì)涉及微粒觀教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行一個(gè)整體設(shè)計(jì)，采用問題情境創(chuàng)設(shè)與實(shí)驗(yàn)探究相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度進(jìn)行定性與定量分析發(fā)現(xiàn)問題，提出假設(shè)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，運(yùn)用結(jié)論解釋問題，有計(jì)劃有目的地推進(jìn)微粒觀教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的深度理解。