“溶解度曲線”模型的認(rèn)識(shí)與教學(xué)思考

張禮聰 林秋彬 周雷

摘要：基于初中《科學(xué)》、高中《化學(xué)1》和《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》教材及浙江高考化學(xué)試題中溶解度曲線的功能分析，得出溶解度曲線“是化學(xué)概念的認(rèn)知模型，是實(shí)驗(yàn)方法的認(rèn)知模型，是反應(yīng)原理的認(rèn)知模型，是問(wèn)題解決的綜合思維模型”的見(jiàn)解。依據(jù)不同學(xué)段“溶解度曲線模型”內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)和理解，提出了一些相對(duì)應(yīng)的教學(xué)思考和主張。

關(guān)鍵詞：溶解度曲線; 模型; 化學(xué)教學(xué)

文章編號(hào)：10056629（2021）11004605

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“模型認(rèn)知”素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。“物質(zhì)的溶解度曲線”作為物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)知模型之一，浙江學(xué)生對(duì)其認(rèn)識(shí)開(kāi)始于初中《科學(xué)》（八年級(jí)上），且在高中《化學(xué)1》和《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》模塊的不同知識(shí)學(xué)習(xí)中再現(xiàn)和遞進(jìn)。梳理近幾年浙江化學(xué)高考試卷，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的溶解度或溶解度曲線在“以物質(zhì)制備為背景，從復(fù)雜溶液體系獲得晶體”的實(shí)驗(yàn)題中出現(xiàn)的頻次很高。因此，分析“溶解度曲線模型”在不同背景中所承載知識(shí)與能力要求，明晰它在不同階段的教學(xué)目標(biāo)，理解它在各時(shí)期的功能異同，將有利于教學(xué)策略方法的優(yōu)化選擇和教學(xué)針對(duì)性的開(kāi)展。

1 溶解度曲線是概念認(rèn)知模型

物質(zhì)的溶解性是指在一定溫度下，物質(zhì)在一定量溶劑里溶解能力大小的一種屬性。溶解度作為衡量物質(zhì)溶解性的一種尺度，是物質(zhì)在一定溶劑中溶解性的具體的定量表達(dá)。浙教版初中《科學(xué)》（八年級(jí)上）教材將溶解性、溶解度等相關(guān)概念編排在第一章“水和水溶液”中。該章第4～6節(jié)分別以“物質(zhì)在水中的分散情況”“物質(zhì)的溶解”“物質(zhì)的分離”等話題，較為全面地幫助學(xué)生逐步建構(gòu)“物質(zhì)的溶解性”這一抽象概念的認(rèn)知模型。

從教材來(lái)看，“物質(zhì)的溶解性”相關(guān)內(nèi)容呈現(xiàn)次序?yàn)椤拔镔|(zhì)的溶解性→飽和溶液和不飽和溶液→物質(zhì)的溶解度及溫度對(duì)溶解度影響→溶液的配制（溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算）→結(jié)晶（第6節(jié) 物質(zhì)的分離）”[1]。作為第5節(jié)開(kāi)篇內(nèi)容“物質(zhì)的溶解性”，其對(duì)后續(xù)概念的學(xué)習(xí)有統(tǒng)領(lǐng)作用，作為概念理解的外顯方式，“溶解度曲線”是上述所有內(nèi)容的“核心”。初中教材中的“溶解度曲線”聚焦、解釋了“物質(zhì)的溶解性”“飽和和不飽和”“物質(zhì)的結(jié)晶”等知識(shí)，實(shí)質(zhì)是一種化學(xué)概念的表征形式和認(rèn)知模型。

如何達(dá)成“物質(zhì)在溶劑中溶解的性質(zhì)和能力——物質(zhì)的溶解性”這一核心概念的基本理解？將該章第4～6節(jié)，特別是第5、 6節(jié)進(jìn)行整體教學(xué)設(shè)計(jì)，是概念轉(zhuǎn)變的一種有效策略。整體教學(xué)能將“物質(zhì)的溶解性”等概念以“溶解度曲線模型”方式顯性化和定量化;能驅(qū)動(dòng)學(xué)生在數(shù)據(jù)與曲線的“數(shù)形轉(zhuǎn)換”中建立比較、發(fā)現(xiàn)規(guī)律;能提升學(xué)生的問(wèn)題分析與證據(jù)推理能力，促進(jìn)概念意義的建構(gòu)。具體策略可由某一具體物質(zhì)，如硝酸鉀或氯化鈉的溶解實(shí)驗(yàn)、結(jié)晶實(shí)驗(yàn)為研究對(duì)象，將飽和溶液、不飽和溶液及它們相互轉(zhuǎn)化，溫度對(duì)物質(zhì)溶解度的影響，物質(zhì)的分離、提純等內(nèi)容“有序整合”，通過(guò)“溶解度曲線”描繪、解釋作為概念建構(gòu)和知識(shí)應(yīng)用途徑，開(kāi)展“實(shí)驗(yàn)事實(shí)”“概念抽象”“問(wèn)題解決”等為一體的模型建構(gòu)教學(xué)。梳理《科學(xué)》（八年級(jí)上）第一章第5、 6節(jié)教材內(nèi)容、目標(biāo)理解及教學(xué)思考關(guān)系如圖1所示。

2 溶解度曲線是方法認(rèn)知模型

物質(zhì)的溶解性作為物質(zhì)分離提純的依據(jù)，蘇教版《化學(xué)1》將“溶解度曲線”編寫(xiě)在專(zhuān)題1第二單元“研究物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方法”的“物質(zhì)的分離與提純”教學(xué)內(nèi)容中。這一編排既有初、高中知識(shí)的銜接，又能凸顯實(shí)驗(yàn)方法在研究物質(zhì)和化學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性，還能為后續(xù)內(nèi)容，特別是《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》模塊的進(jìn)一步學(xué)習(xí)奠定問(wèn)題解決方法和實(shí)驗(yàn)基本技能的基礎(chǔ)。

《化學(xué)1》“物質(zhì)的分離與提純”中呈現(xiàn)“溶解度曲線”的主要目的是為解決“設(shè)計(jì)方案，從混有少量氯化鉀的硝酸鉀粉末中提純硝酸鉀”[2]問(wèn)題提供知識(shí)支持和方法依據(jù)，從而讓學(xué)生知道“結(jié)晶法”是物質(zhì)分離提純的重要實(shí)驗(yàn)方法之一?！犊茖W(xué)》（八年級(jí)上）教材與《化學(xué)1》教材相比，前者側(cè)重于“溶解度曲線”的“建”，是概念理解的一種簡(jiǎn)約模型化策略;后者更多地是“用”，即利用不同物質(zhì)溶解度隨溫度變化的差異，分析、確定它們的方法，是實(shí)驗(yàn)方法選擇的理論證據(jù)，更多地展現(xiàn)學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力。

如何將《化學(xué)1》“溶解度曲線”應(yīng)有功能得到落實(shí)？教學(xué)上以教材問(wèn)題“設(shè)計(jì)方案，從混有少量氯化鉀的硝酸鉀粉末中提純硝酸鉀”解決為核心，通過(guò)變式追問(wèn)“硝酸鉀少量與氯化鉀大量如何提純氯化鉀”“硝酸鉀與氯化鉀物質(zhì)的量之比為1∶1如何分離提純”等，交流研討、歸納總結(jié)，提升學(xué)生問(wèn)題解決應(yīng)變能力;在問(wèn)題分析中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)溶解性差異與實(shí)驗(yàn)方法之間的內(nèi)在聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生觀念性認(rèn)識(shí)“溶解度隨溫度的變化不大的物質(zhì)采用蒸發(fā)結(jié)晶（減少溶劑），溶解度隨溫度降低急劇下降的物質(zhì)采用冷卻結(jié)晶（降低溫度）”的形成;在問(wèn)題分析中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的量之比變化，培養(yǎng)學(xué)生“減少溶劑與降低溫度”實(shí)驗(yàn)方法聯(lián)合使用的能力。整個(gè)教學(xué)從易到難、從簡(jiǎn)到繁、觀念建構(gòu)、模型認(rèn)知，促進(jìn)學(xué)生能力的發(fā)展，并為《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》模塊學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。蘇教版《化學(xué)1》“溶解度曲線模型”的教學(xué)思路如圖2所示。

3 溶解度曲線是原理認(rèn)知模型

“溶解度曲線”作為物質(zhì)的分離提純的重要依據(jù)之一，蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》選修模塊將其置于“硝酸鉀晶體的制備”[3]教學(xué)中，以解決真實(shí)問(wèn)題和理論聯(lián)系實(shí)踐的案例方式展現(xiàn)。在硝酸鉀制備實(shí)驗(yàn)中，“溶解度曲線”是課時(shí)學(xué)習(xí)的主線索，貫穿在“理論分析——方法抉擇——定量計(jì)算——開(kāi)展實(shí)驗(yàn)”的整個(gè)制備過(guò)程。通過(guò)制備這一載體，溶解度曲線將研究化學(xué)物質(zhì)性質(zhì)的“定性”與“定量”兩個(gè)層面有機(jī)融合，詮釋了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)和實(shí)證功能，成為實(shí)驗(yàn)步驟理解、關(guān)鍵操作把握的參照系統(tǒng)。

“硝酸鉀晶體制備”中的“溶解度曲線”的功能究竟有哪些？作為解決“從相對(duì)復(fù)雜的溶液體系（離子： Na+、 K+、 Cl-、 NO-3）中分離硝酸鉀和氯化鈉”以及“硝酸鉀粗產(chǎn)品提純”的實(shí)驗(yàn)方法思路、操作策略確定的作用是比較“顯性”的，但“硝酸鈉跟氯化鉀為何能制得硝酸鉀”“它們能成功轉(zhuǎn)化的原因是什么”卻與學(xué)生已有的“復(fù)分解反應(yīng)”知識(shí)相沖突，這是課時(shí)學(xué)習(xí)中相對(duì)“隱性”的困惑點(diǎn)。因此，“溶解度曲線”在課時(shí)學(xué)習(xí)中還應(yīng)包括有從“物質(zhì)的分離提純”認(rèn)知中解讀“反應(yīng)發(fā)生原理（制備硝酸鉀原理）”的功能。

如何在教學(xué)實(shí)踐中通過(guò)“顯性”過(guò)程把相對(duì)“隱性”的理由提煉出來(lái)？以“溶解度曲線”為背景，通過(guò)教學(xué)內(nèi)容問(wèn)題化以及問(wèn)題細(xì)化方式，沿著制備工藝流程線索形成“問(wèn)題鏈”是一種有效的教學(xué)策略。如“硝酸鈉（20克）和氯化鉀（17克）它們物質(zhì)的量關(guān)系如何、為什么硝酸鈉略多一些、蒸發(fā)約一半水（共35克）哪種物質(zhì)析出、氯化鉀為什么不析出、為什么蒸發(fā)約一半水左右、承接瓶為什么先加2mL水……”等等。在解決這些小問(wèn)題后，重新聚焦、思考“上述反應(yīng)為什么能制得硝酸鉀”問(wèn)題，將“溶解度曲線”的教學(xué)功能進(jìn)一步拓寬延伸，更好地促進(jìn)學(xué)生綜合思維能力的發(fā)展?；趯?shí)踐嘗試，歸納《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》“溶解度曲線”的教學(xué)理解關(guān)系如圖3所示。

4 溶解度曲線是綜合思維模型

以“物質(zhì)的制備、分離、提純”為載體，將素養(yǎng)、情景、問(wèn)題和知識(shí)四個(gè)要素相互聯(lián)系[4]，基于真實(shí)情景，運(yùn)用化學(xué)知識(shí)，解決實(shí)際問(wèn)題的加試實(shí)驗(yàn)題是浙江化學(xué)選考實(shí)驗(yàn)綜合考查的經(jīng)典模式。從近三年浙江五次選考加試實(shí)驗(yàn)題的特點(diǎn)看，均以“從溶液（含多種離子）體系得到含結(jié)晶水晶體”產(chǎn)品為考查背景，且都涉及蒸發(fā)濃縮—冷卻結(jié)晶—過(guò)濾洗滌等操作。“溶解度曲線”直接作為綜合問(wèn)題解決的題干信息有兩次，分別是2021年1月K2Cr2O7晶體制備和2018年11月的ZnSO4·7H2O晶體制備。

2018年11月浙江選考31題以提供物質(zhì)“ZnSO4溶解度隨溫度變化曲線”（如圖4），解第（4）小題： 從硫酸鋅溶液中獲取ZnSO4·7H2O（原題： 步驟Ⅳ），需要用到下列所有操作： a.蒸發(fā)至溶液出現(xiàn)晶膜，停止加熱;b.在60℃蒸發(fā)溶劑;c.冷卻至室溫;d.在100℃蒸發(fā)溶劑;e.過(guò)濾。請(qǐng)給出上述操作的正確順序?? （操作可重復(fù)使用）。2021年1月浙江選考31題以給定體系可能析出物質(zhì)的溶解度曲線（如圖5）和反應(yīng)“2H++2CrO2-4Cr2O2-7+H2O”等信息，回答第（3）小題： 從含K+、 Na+、 H+、 Cr2O2-7、 Cl-等離子溶液（原題： 步驟Ⅴ），得到雜質(zhì)較少的K2Cr2O7粗產(chǎn)品，從下列選項(xiàng)中選出合理的操作（操作不能重復(fù)使用）并排序： 溶解KCl→（ ）→（ ）→（ ）→（ ）→重結(jié)晶。a.50℃蒸發(fā)溶劑;b.100℃蒸發(fā)溶劑;c.抽濾;d.冷卻至室溫;e.蒸發(fā)至溶液出現(xiàn)晶膜，停止加熱;f.蒸發(fā)至溶液中出現(xiàn)大量晶體，停止加熱。

拋開(kāi)上述兩次題型考查形式，僅從“溶解度曲線”分析，可以發(fā)現(xiàn)高考試題中溶解度曲線的信息量相比于教材更為豐富復(fù)雜。2018年ZnSO4溶解度隨溫度變化出現(xiàn)“先升后降”的異常;2021年K2Cr2O7溶解度曲線暗含Na2Cr2O7、 Na2CrO4、 NaCl和KCl等物質(zhì)的干擾。這些變化恰恰能說(shuō)明： 真實(shí)的化學(xué)問(wèn)題往往比較復(fù)雜;化學(xué)在解決生產(chǎn)生活實(shí)際問(wèn)題中具有理論指導(dǎo)和知識(shí)應(yīng)用功能;問(wèn)題解決中化學(xué)方法（如結(jié)晶方法）的選擇存在擇優(yōu)思路等。這些均很好地說(shuō)明了“溶解度曲線”的“綜合思維模型”內(nèi)涵。

從溶解度曲線展現(xiàn)的綜合性看，2018年ZnSO4溶解度曲線實(shí)際是分為60℃前和后兩種變化規(guī)律。依據(jù)溶解度與溫度關(guān)系變化，獲得ZnSO4·7H2O的合理方法應(yīng)該是“60℃左右蒸發(fā)濃縮，再冷卻結(jié)晶”。若非要從100℃開(kāi)始，顯然要經(jīng)歷： 蒸發(fā)濃縮—冷卻溶液—二次蒸發(fā)濃縮—冷卻結(jié)晶過(guò)程。題中溶解度曲線融合了兩種典型差異物質(zhì)的溶解度與溫度的“單調(diào)函數(shù)變化”關(guān)系，問(wèn)題解決所需思維的敏捷性和靈活性要求較高。2021年K2Cr2O7晶體制備需要考慮的核心問(wèn)題是： 怎樣的溫度條件下蒸發(fā)濃縮才能得到雜質(zhì)較少的K2Cr2O7粗產(chǎn)品？對(duì)比Na2Cr2O7和K2Cr2O7溶解度曲線變化，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶是基本思路。但選擇什么溫度更好？

從溶解度曲線比較來(lái)看，aedc次序的實(shí)驗(yàn)操作的確是一種理想組合。因?yàn)?0℃左右蒸發(fā)濃縮，冷卻至室溫結(jié)晶過(guò)程：（1） Na2Cr2O7前后的溶解度都非常大，溶液未達(dá)飽和，晶體不析出;（2） Na2CrO4 50℃至室溫溶解度均高于K2Cr2O7，且該溫度范圍溶解度變化不大，蒸發(fā)—冷卻過(guò)程溶液可能未飽和不析出固體，若飽和析出固體量較少;（3） 50℃時(shí)KCl、 NaCl與K2Cr2O7溶解度接近，但因KCl、 NaCl溶解度隨溫度變化很小，析出固體量有限。上述理由排除100℃蒸發(fā)濃縮的“證據(jù)”充分嗎？反應(yīng)“2H++2CrO2-4Cr2O2-7+H2O”方向性是確定最佳方案的“隱性”關(guān)鍵。反應(yīng)ΔH<0，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致CrO2-4濃度增大，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶導(dǎo)致Na2CrO4析出可能性更大，析出量會(huì)更多，產(chǎn)品純度更低。

溶解度曲線與反應(yīng)原理融合，思維系統(tǒng)性和深刻性要求更高。

教學(xué)中如何培養(yǎng)“溶解度曲線”的綜合性認(rèn)識(shí)？遵循模型認(rèn)知教學(xué)的規(guī)律，讓學(xué)生親身經(jīng)歷： 典型事例→建構(gòu)模型→模型應(yīng)用→修正模型的學(xué)習(xí)過(guò)程尤為重要。在建構(gòu)模型過(guò)程中調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)主動(dòng)性，培養(yǎng)發(fā)散性思維;在模型應(yīng)用解決問(wèn)題時(shí)，關(guān)注觀念的普適性和沖突性;在情景素材呈現(xiàn)時(shí)，做好信息顯性和隱性的融合;在課堂實(shí)踐時(shí)，兼濟(jì)教學(xué)的預(yù)設(shè)和生成。教學(xué)方法上要有問(wèn)題導(dǎo)向，注重學(xué)生思維有序性和廣度的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生問(wèn)題解決能力素養(yǎng)的提升。例如，我們可開(kāi)展如圖6所示歷程的“溶解度曲線”與“蒸發(fā)結(jié)晶”的認(rèn)知發(fā)展教學(xué)。

“溶解度曲線模型”與結(jié)晶及晶體知識(shí)間聯(lián)系是多維的。教學(xué)還能怎樣開(kāi)展呢？以某晶體為研究對(duì)象，開(kāi)展主題教學(xué)，鏈接知識(shí)交互網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化，有利于學(xué)生思維縱橫發(fā)展，這在高中化學(xué)復(fù)習(xí)教學(xué)中頗具實(shí)踐意義。例如高三復(fù)習(xí)時(shí)，可以用《化學(xué)1》“海水提鎂”中MgCl2·6H2O晶體為對(duì)象，開(kāi)展如圖7所示思路的主題教學(xué)，拓寬學(xué)生“溶解度曲線及結(jié)晶”知識(shí)的視野。

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[4]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 77～78.