基于證據(jù)的概念構(gòu)建

徐守兵

關(guān)鍵詞：離子反應(yīng);離子方程式;概念

離子方程式作為一種重要的化學(xué)語(yǔ)言，其書寫規(guī)則早已形成了一種經(jīng)典的模式，一般有“四步法”和“三步法”兩種書寫方法。相應(yīng)地，教師們也常把教學(xué)設(shè)計(jì)的重心放在為如何將一種基礎(chǔ)化學(xué)語(yǔ)言（化學(xué)方程式或電離方程式）依據(jù)一定規(guī)則轉(zhuǎn)換成另一種高級(jí)化學(xué)語(yǔ)言（離子方程式）。這種教學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以使學(xué)生在短時(shí)間掌握一般離子方程式的書寫技能，不足是不少學(xué)生并不能真正理解離子反應(yīng)的概念，學(xué)習(xí)過(guò)程中微粒觀等化學(xué)觀念提升也很少。如今，面向開展以“素養(yǎng)為本”的新課程教學(xué)，更多的教師認(rèn)識(shí)到離子反應(yīng)等概念教學(xué)必須超越知識(shí)和技能，涵蓋更有深度的、可遷移性的理解，它應(yīng)該是師生通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察獲取證據(jù)再結(jié)合邏輯推理“協(xié)同思考”中構(gòu)建起來(lái)的。筆者發(fā)現(xiàn)，教學(xué)中多讓學(xué)生從宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出發(fā)，再?gòu)奈⒂^角度探析離子反應(yīng)的過(guò)程，結(jié)合定量的證據(jù)推理，進(jìn)而寫出富有動(dòng)態(tài)反應(yīng)過(guò)程的離子反應(yīng)方程式，可以較好地落實(shí)化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”等關(guān)鍵學(xué)科能力的要求。

一、究竟是誰(shuí)發(fā)生了反應(yīng)

從宏觀視角寫出常見酸、堿、鹽之間發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式并不困難，教師在教學(xué)中有意識(shí)地引領(lǐng)學(xué)生通過(guò)對(duì)宏觀現(xiàn)象的觀察，真切體驗(yàn)微觀反應(yīng)的過(guò)程，是從微觀視角寫出離子方程式的關(guān)鍵。教學(xué)可從一個(gè)個(gè)學(xué)生熟悉的實(shí)驗(yàn)再觀察和深入討論逐漸展開。

實(shí)驗(yàn)1：展示硫酸銅溶液、氯化鋇溶液，并將2mL0.1mol/L硫酸銅溶液和2mL 0.1mol/L氯化鋇溶液混合。

[教師]硫酸銅溶液中有哪些粒子？

[學(xué)生]硫酸根離子、銅離子、水分子。

[教師]溶液中銅離子分布均勻嗎？依據(jù)是什么？

[學(xué)生]均勻，整個(gè)溶液中藍(lán)色深淺一樣。

[教師]溶液中硫酸根離子分布均勻嗎？依據(jù)是什么？

[學(xué)生]也均勻，溶液處處顯電中性，帶正電荷的銅離子分布均勻，帶負(fù)電荷的硫酸根分布自然也是均勻的。

[教師]大家可以想象出氯化鋇溶液中自由移動(dòng)的氯離子、鋇離子吧？

[學(xué)生]不難想象。

[教師]兩種溶液混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)了嗎？依據(jù)是什么？

[學(xué)生]發(fā)生反應(yīng)了，因?yàn)橛^察到有白色沉淀產(chǎn)生，它是新物質(zhì)硫酸鋇。

[教師]反應(yīng)前后銅離子存在狀態(tài)有無(wú)實(shí)質(zhì)性變化？

[學(xué)生]反應(yīng)后上層溶液仍顯藍(lán)色，與反應(yīng)前相似，說(shuō)明反應(yīng)前后銅離子都是自由移動(dòng)的，無(wú)實(shí)質(zhì)性變化。

[教師]可以理解成銅離子并沒有真正參與化學(xué)反應(yīng)嗎？

[學(xué)生]贊同。通過(guò)測(cè)量溶液的導(dǎo)電性進(jìn)行間接表征。

[實(shí)驗(yàn)]

[實(shí)驗(yàn)操作]如圖1，向燒杯中加入一定量的Ba（OH）2溶液，滴加幾滴酚酞試液，再向燒杯中逐滴滴加稀H2S04溶液，攪拌，觀察溶液中的現(xiàn)象和小燈泡亮度的變化。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]反應(yīng)體系中出現(xiàn)白色沉淀，燈泡逐漸變暗直至完全熄滅，又過(guò)一段時(shí)間后酚酞褪色，再繼續(xù)滴加硫酸，再經(jīng)一段時(shí)間后燈泡又逐漸亮起。

[實(shí)驗(yàn)解釋]邊分析實(shí)驗(yàn)，邊畫出示意圖（如圖2）

[投影]溶液導(dǎo)電能力變化示意圖

[創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境]燈泡熄滅是否表征分散系不導(dǎo)電？

[學(xué)生]不一定，燈泡熄滅后一段時(shí)間，酚酞仍顯紅色，說(shuō)明溶液中仍存在自由移動(dòng)的OH-。此時(shí)導(dǎo)電性較弱，燈泡不亮了。

[教師]實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象能否較好幫我們判斷哪個(gè)離子方程式更合理？

[學(xué)生]可以想象補(bǔ)全燈炮熄滅到重新亮起這一段時(shí)間的導(dǎo)電性變化趨勢(shì)，但可能性并不唯一，所以并不能確定說(shuō)明哪個(gè)更合理。

[學(xué)生]要是有更靈敏的檢測(cè)手段測(cè)量分散系的導(dǎo)電性，就更好說(shuō)明了。

[教師]介紹一種更靈敏的檢測(cè)分散系中離子濃度的電導(dǎo)率儀。

[探究]如圖3，向燒杯中加入15mL約0.01mol/LBa（OH）2溶液，滴加幾滴酚酞試液。再向燒杯中逐滴滴加約0.1mol/L H2S04溶液，攪拌，觀察燒杯溶液中的現(xiàn)象和投影儀上溶液電導(dǎo)率的變化。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]溶液中出現(xiàn)白色沉淀，電導(dǎo)率逐漸減小，當(dāng)溶液紅色完全褪去的瞬間，電導(dǎo)率恰好達(dá)到最小，繼續(xù)滴加硫酸，電導(dǎo)率又逐漸變大（如圖4）。

[分析]電導(dǎo)率達(dá)到最底點(diǎn)時(shí)酚酞恰好褪色毫無(wú)爭(zhēng)辯地說(shuō)明體系中Ba2+s0}=BaS0、H++OH-=H20反應(yīng)具有精確的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，結(jié)合H2S04、Ba（OH）。電離產(chǎn)生離子之間的計(jì)量關(guān)系，應(yīng)當(dāng)是②Ba2+20H-+2H+S024-=BaS04 +2H20最合理。

本教學(xué)片斷中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)均非教材實(shí)驗(yàn)，圖1實(shí)驗(yàn)是我校早年研制的導(dǎo)電性測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中燈炮熄滅和酚酞褪色有一定的時(shí)問(wèn)錯(cuò)位，但結(jié)合基本的物理學(xué)知識(shí)和微觀想象，學(xué)生初步得出兩組離子反應(yīng)之間的協(xié)同性。圖2實(shí)驗(yàn)是筆者新近開發(fā)的數(shù)字化升級(jí)版實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)是使用了合適的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，實(shí)驗(yàn)的突破點(diǎn)是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)找到了合適的試劑濃度，實(shí)驗(yàn)的成功點(diǎn)是電導(dǎo)率的突變和酚酞褪色的時(shí)間恰好一致，實(shí)驗(yàn)的可靠性是已經(jīng)過(guò)我們的教學(xué)實(shí)踐檢驗(yàn)，教學(xué)的效果是學(xué)生們看到溶液的電導(dǎo)率發(fā)生突變時(shí)酚酞恰好褪色都會(huì)發(fā)生一片歡呼。

三、離子反應(yīng)的有序性

在真實(shí)的化學(xué)世界中，物質(zhì)往往是不純凈的，反應(yīng)的可能性往往也是多樣的，如變質(zhì)的亞硫酸和氫氧化鈉的反應(yīng)、變質(zhì)的氫氧化鈉和硫酸的反應(yīng)、氯化鈉和碘化鈉的混合液與硝酸銀的反應(yīng)等，揭示這些復(fù)雜體系離子反應(yīng)的多樣性和有序性，有助于離子反應(yīng)系統(tǒng)化知識(shí)的建立，有助于理解自然界變化的復(fù)雜性和簡(jiǎn)約性。以混合堿和鹽酸的反應(yīng)為例進(jìn)行教學(xué)分析。

問(wèn)題情境是從一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象差異性的分析導(dǎo)入的，教師分別向碳酸氫鈉溶液和碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸，前者立即產(chǎn)生了大量的氣泡，后者剛開始無(wú)明顯現(xiàn)象，一段時(shí)間后開始產(chǎn)生氣泡。教師有意設(shè)計(jì)的差異性對(duì)比實(shí)驗(yàn)自然激起學(xué)生的疑問(wèn)，碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸，產(chǎn)生的氣泡自然是二氧化碳，問(wèn)題是剛開始一段時(shí)間沒有氣泡產(chǎn)生發(fā)生了什么反應(yīng)？在學(xué)生們討論問(wèn)題的過(guò)程中，教師趁勢(shì)拋出一個(gè)問(wèn)題，如何“看見”開始時(shí)溶液中的反應(yīng)？聯(lián)系到碳酸鈉的俗名，學(xué)生們?nèi)菀紫氲降渭臃犹囈航o溶液染色。教師又分別向碳酸氫鈉溶液、碳酸鈉溶液中滴加了酚酞，然后做了類似的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，這次學(xué)生們觀察到向滴有酚酞的碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸時(shí)，剛開始滴加時(shí)溶液的紅色無(wú)明顯變化，溶液中也無(wú)明顯的氣泡，一段時(shí)間后溶液的顏色逐漸變淺，顏色和碳酸氫鈉中相似時(shí)開始明顯產(chǎn)生氣泡。宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象之間的聯(lián)系，使學(xué)生們?cè)谙胂笾小翱匆姟碧妓徕c和稀鹽酸微觀反應(yīng)的歷程：①CO2+H+=Hco3②HCO-+H+=H20+C02 ，再經(jīng)過(guò)理性的思考，學(xué)生對(duì)CO2、HCO;與H+結(jié)合力的大小也不難判斷，實(shí)際上也正是CO2與H+更大的結(jié)合力，才使得反應(yīng)開始后，溶液中雖然同時(shí)存在CO2-、HCO;，但H+還是主要和CO2一結(jié)合成HCO3。接下來(lái)，當(dāng)教師提出向碳酸鈉和碳酸氫鈉的混合溶液中滴加稀鹽酸反應(yīng)的有序性問(wèn)題時(shí)，學(xué)生們稍加思考便能作出正確回應(yīng)。

在隨后學(xué)習(xí)的氫氧化鈉和碳酸鈉混合液與鹽酸反應(yīng)的過(guò)程中，學(xué)生們想再次利用酚酞扮演宏觀和微觀的橋梁角色，實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與向滴有酚酞的碳酸鈉溶液中滴加稀鹽酸是相似的，因此分析微觀離子反應(yīng)的有序性是比較困難的。在教師的提議下，同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步引入了定量控制，向20mL含0.1mol/L NaOH溶液及0.1mol/L Na2C03溶液混合液的錐形瓶中滴加2～3滴酚酞，磁力攪拌器適當(dāng)速率攪拌，用酸式滴定管滴加0.1mol/L HCl溶液，觀察到較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)溶液的紅色無(wú)明顯變化，也無(wú)氣泡產(chǎn)生，當(dāng)溶液紅色幾乎褪去時(shí)，開始明顯產(chǎn)生氣泡，記錄此時(shí)消耗鹽酸的體積V1，繼續(xù)滴加鹽酸至溶液中無(wú)明顯氣泡產(chǎn)生時(shí)，記錄又消耗的鹽酸的體積V2，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)V1顯著大于V2，其比值約等于2。上述實(shí)驗(yàn)中定量手段的引入，有助于引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察從感性認(rèn)識(shí)走向理性探究，為學(xué)生想象微觀離子反應(yīng)的歷程提供了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。V1>V2，一方面說(shuō)明CO}得H+是分步進(jìn)行的，同時(shí)也說(shuō)明OH-得H+先于C02學(xué)生們經(jīng)過(guò)討論最終達(dá)成共識(shí)，稀鹽酸和混合堿反應(yīng)的過(guò)程應(yīng)當(dāng)分為3步，離子反應(yīng)依次為①H+OH-=H20，②CO2+H+=HCO3，③Hc0+H+=H20+C02。

心理學(xué)上認(rèn)為，概念是人腦對(duì)客觀事物本質(zhì)的反映，概念是思維活動(dòng)的結(jié)果和產(chǎn)物，同時(shí)又是思維活動(dòng)借以進(jìn)行的單元?？梢?，化學(xué)概念既是化學(xué)學(xué)科的基本要素，又是化學(xué)思維的基本單位，這就要求化學(xué)概念的學(xué)習(xí)和教學(xué)，不能只是聚焦于實(shí)驗(yàn)事實(shí)和技能，更不能連實(shí)驗(yàn)都不做或只是口頭描述，簡(jiǎn)單地將化學(xué)概念教學(xué)處理成“一個(gè)定義，幾個(gè)注意點(diǎn)”，并認(rèn)為可以通過(guò)大量習(xí)題的訓(xùn)練而達(dá)成對(duì)化學(xué)概念的深刻理解?；瘜W(xué)概念的教學(xué)要以形成學(xué)生的化學(xué)核心觀念為本，教學(xué)安排一般要從能夠?yàn)楦拍顦?gòu)建提供證據(jù)的實(shí)驗(yàn)觀察開始，教師適時(shí)提出一些事實(shí)性問(wèn)題引發(fā)學(xué)生的觀察和思考，討論中教師要有意識(shí)地將基于事實(shí)層面的思考與概念層面的思考有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)協(xié)同思考，促進(jìn)學(xué)生獲得對(duì)概念的深層次的理解，從而能將思考遷移到其它陌生的新情境中去，整個(gè)教學(xué)中教師要多用引導(dǎo)式教學(xué)，多鼓勵(lì)學(xué)生獨(dú)立探索并構(gòu)建意義。

使學(xué)生掌握精確的學(xué)科概念，是課堂教學(xué)成功與否的一個(gè)重要標(biāo)志。