基于核心素養(yǎng)的“離子反應”進階學習
——以魯科版新教材為例

□葉 晨 張文華

（1.杭州第十四中學，浙江杭州 310006；2.華中師范大學化學學院，湖北武漢 430079）

在過去的十多年里，進階學習因其理論體系完整地呈現了學生對科學核心概念的理解過程，一直是國際科學教育的關注點。進階學習借助經驗模型，將學生先前的經驗和后續(xù)學習概念的延伸發(fā)展進行了緊密聯系，設計了螺旋式發(fā)展的學習路徑[1]。循序漸進的學習路徑幫助學生構建核心概念學習的思維模型，逐步內化為個體獨特的學習行為和學習素養(yǎng)。進階學習層級水平并不是課程標準在每個學習階段的簡單劃分，而是依據特定學習者群體的認知發(fā)展規(guī)律和知識經驗儲備進行科學性、系統性的規(guī)劃和設定。本文選用“離子反應”學習主題，以2019 年版山東科學技術出版社出版的普通高中化學教科書（簡稱魯科版）必修一和選擇性必修《化學反應原理》為研究對象，探討新教材基于進階學習理論的知識體系的構建。

一、必修一模塊《離子反應》的進階學習

（一）教材體系解讀

2019 年版魯科版教材必修一第2 章第2節(jié)為《電解質的電離、離子反應》。教材從“聯想?質疑”欄目開始，選用“藥用泡騰片在水中立刻產生大量氣體”為導入情境，引發(fā)思考：“為什么干燥的泡騰片不產生氣體，而放入水中會立刻釋放氣體？”教材選用真實的生活情境，激發(fā)學生對現象的深入思考，自然引導學生進入新概念的學習。教師可以直接在新授課的教學中運用此情境，操作簡單，現象明顯，緊扣主題。

在“離子反應的含義”主題中，“觀察?思考”欄目設置了稀硫酸與氫氧化鋇溶液反應的電導率實驗，通過對實驗事實和數據的推理，分析并歸納該反應的本質是離子濃度的降低?！敖涣?研討”欄目引導學生合作學習，分析“稀硫酸溶液與氫氧化鈉溶液、硫酸銅溶液與氫氧化鈉溶液、碳酸鈉溶液與稀鹽酸”等5 組溶液混合后反應的實質，特別提示學生從混合前后電解質溶液所產生的離子種類變化、離子數量變化兩個維度進行探討。教材以實驗為基礎，引導學生從實驗現象和實驗數據出發(fā)，通過對數據的推理，分析證據、結論和本質之間的邏輯關系，深入理解離子反應的實質。

在“離子方程式”主題中，“方法引導”欄目以稀硫酸溶液與氫氧化鋇溶液的反應為例，引導學生掌握離子方程式的書寫方法?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》對于“證據推理與模型認知”素養(yǎng)維度，提出學生需要建立認知模型，并運用模型解釋化學反應，揭示反應的本質和規(guī)律[2]4。教材呈現了兩種離子方程式的書寫方法，一種是傳統課堂教學的思維模式，另一種是核心素養(yǎng)導向下的方法引導，詳見表1。對比舊版本，新教材在此強調方法和技巧的傳授，引導學生建立微粒觀，學會用符號正確表征離子反應的本質。

表1 離子方程式書寫的方法引導

在“離子反應的應用”主題中，學生需要達成以下兩個維度的進階學習水平：（1）利用離子反應檢驗某種或某些離子的存在情況；（2）將離子反應運用于物質的除雜和分離。教材在“活動?探究”欄目中特意設置了“食鹽的精制”實驗，并強調此實驗為“學生必做實驗”，不能由教師的演示實驗或其他教學手段所代替。教材呈現了完整的實驗探究流程，包含了實驗原理分析→實驗目的設定→實驗用品選擇→實驗方案設計，總結了“利用離子反應除去雜質的思路和方法”，培養(yǎng)了學生的科學探究與創(chuàng)新意識。教材在“概括?整合”欄目中，引導學生采用思維導圖的模式，歸納、總結、分析溶液體系的基本思路。

（二）進階學習水平設定

在本節(jié)主題的學習之前，學生認知起點主要由以下兩方面構成：（1）初中科學的“水與常見的溶液”相關知識、生活中常見的酸性物質與堿性物質、四大基本反應的理解與應用；（2）高中的課程體系“物質的量濃度”的應用、物質與元素的分類體系和電解質的電離行為。根據現行化學課程標準、高一學生的學情分析與選擇性必修模塊進階學習的需要，以核心素養(yǎng)為導向，現將必修一“離子反應”進階學習劃分為以下4個水平，詳見圖1。

圖1 必修一“離子反應”進階水平設定

基于學生認知體系建構的螺旋式發(fā)展，必修一“離子反應”是化學反應原理模塊的基石，教師在進行新課教學時，應著重于離子反應核心概念的理解教學和問題分析模型的初步構建。

二、選擇性必修模塊《離子反應》的進階學習

（一）教材體系解讀及進階學習水平設定

2019 年版魯科版教材的《化學反應原理》第3 章《物質在水溶液中的行為》第4 節(jié)為《離子反應》。學生的前側知識為必修一中“電解質電離理論和離子反應簡單理論”、選擇性必修模塊中“弱電解質的電離平衡和鹽類的水解平衡”。教材提出電解質在水溶液中的行為可能存在電離平衡、水解平衡或沉淀溶解平衡，不同電解質的離子之間可能存在多樣化的反應體系，具體編排體系詳見圖2。

通過對選擇性必修教材編排體系進行研究，教師在實際教學中應重點發(fā)展以下三個維度的化學學科核心素養(yǎng)：“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)維度，形成微粒觀，建立微粒之間相互作用的視角，認識、預測并解釋物質在水溶液中的行為；“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)維度，形成變化觀，用平衡思想分析復雜水溶液體系中的微粒變化，解釋自然界、生產生活中的現象，解決實際問題；“證據推理與模型認知”素養(yǎng)維度，形成電解質溶液認知的科學模型，建立宏觀與微觀、證據與結論的辯證關系[2]33-36。基于化學學科核心素養(yǎng)導向、教材解讀和學情分析，對選擇性必修模塊的“離子反應”進階學習水平進行了科學設定，詳見圖3。

（二）進階學習的教學流程設計

圖2 選擇性必修模塊“離子反應”教材知識體系

圖3 選擇性必修“離子反應”進階水平設定

進階學習是以實驗和事實為基礎，在系統性的教學引導下，隨著時間的推移，培養(yǎng)更深層次核心概念、科學理論等的理解與應用能力[3]。本文節(jié)選“物質制備與純化”主題的“交流?研討”中新增內容“從海水中提取二氧化碳”，以進階學習理論為導向，設計了“拯救小丑魚行動——從海水中提取二氧化碳”的15分鐘核心教學流程。

1.進階學習起點

學生初步完成離子反應大概念的框架構建，基本達成了圖3中的進階水平1和2。

2.預期進階學習終點

形成基于學習者個體特點的理論模型和經驗模型，解決實際的離子反應問題。

3.教學流程設計思路

教學活動要與核心素養(yǎng)、核心概念和基本問題之間保持高度統一性，目的是以事實促進學生對核心概念的理解，進而內化為核心素養(yǎng)，詳見圖4。問題設置要點：把核心概念以“是什么、為什么、怎么樣”這樣的驅動性問題的形式表達出來。

圖4 核心素養(yǎng)、核心概念和基本問題之間的聯系

4.基于問題鏈的教學流程設計

問題情境：海水呈弱堿性，但是近年來，過量溫室氣體二氧化碳的排放導致海水酸性增強，影響了多種海洋生物的生存，對海洋生態(tài)系統造成了嚴重的威脅。英國《生物學通訊》雜志研究顯示，由于空氣中的二氧化碳含量增加致使海水酸性增強，本世紀末海洋中的小丑魚可能失聰。

問題一：海水中含有HCO3-，為什么呈弱堿性？

學生活動設計：數據推理和模型認知，H2CO3Ka1=4.2×10-7，Ka2=5.6×10-11，通過對比HCO3-Kh和Ka2的大小，形成弱酸酸式根離子在水溶液中電離和水解行為的認知模型。

問題二：為什么過量的二氧化碳排放會降低海洋表層水的pH？

學生活動設計：變化觀念，空氣中CO2增多導致海水CO2濃度上升，進而引起H2CO3濃度上升，促進了H2CO3的電離。

問題三：珊瑚礁的主要成分是碳酸鈣，是海洋固碳行為的一種重要產物，但是隨著海水酸性增加，珊瑚礁遭受了大面積的破壞，請用相關化學原理來分析此海洋環(huán)境問題。

學生活動設計：建立多樣化的微粒觀，正確用化學符號表征實際化學反應過程。

問題四：哪些環(huán)境條件改變會引起海水pH 的變化？如何使海水pH 恢復正常，從而拯救小丑魚？

學生活動設計：平衡思想與變化觀念，運用化學平衡原理分析實際問題。

問題五：科學家提出用陽離子交換膜的三室電滲析法從海水中提取二氧化碳，裝置圖詳見圖5，此方法的設計原理是什么？寫出相關的電極反應式和離子方程式。

圖5 三室電滲析法裝置示意圖

學生活動設計：綜合運用電化學原理、離子反應理論評估方案的合理性。

問題六：怎樣對B 室的海水進行處理，從而得到可以直接排放的合格海水？

學生活動設計：認識化學、生活和環(huán)境的緊密聯系，體會STEM教育理念。

提升與遷移：歸納離子反應理論的科學模型，詳見表2。

表2 復雜離子反應體系的思維模型

此模塊內容所涉及的知識點比較廣，難度比較大，對學生的思維水平、問題分析和問題解決能力要求比較高。教師在實施教學過程中，要注重以問題為導向的啟發(fā)式教學手段，時刻關注學生的課堂反饋情況，及時調整教學進度，不可盲目追求教學目標的完成。

三、進階學習在高中化學課程體系中的重要作用和借鑒意義

普通高中化學課程由必修課程、選擇性必修課程和選修課程組成，其中必修課程是普通高中學生發(fā)展的共同基礎，是選擇性必修課程的先行知識體系[2]8。選擇性必修課程是必修課程的進階學習，很多核心概念在必修課程和選擇性必修課程中重復出現，但是難度、深度和廣度有所增加。

高中化學課程體系內容繁多、體系復雜，教師若直接呈現知識不僅不利于學科素養(yǎng)的培養(yǎng)，還會削弱學生學習化學的積極性，增加學生的學業(yè)負擔。教師應當重點關注核心概念的教學與理解。核心概念其本身具有整合性、普適性、遷移性和進階性，在不同學段中會重復出現，并隨著學習的推進而不斷加深[4]?；诤诵母拍畹倪M階學習能有效引導學生更深入地學習相關化學主題，提升學生化學學科的核心素養(yǎng)。教師可以依據課程標準劃分的核心素養(yǎng)水平，多維度地整合核心概念的進階學習，注重核心概念之間的意義連接，關注學生個體獨特的概念發(fā)展途徑，從而實現不同個體學習者的進階預期。