以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為切入點(diǎn)促進(jìn)化學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)
——以“水的電離”教學(xué)為例

陜西省西安市第七十中學(xué)(710002) 張運(yùn)飛 張忠孝

陜西省寶雞市斗雞中學(xué) (721004) 李紅英

1 教學(xué)內(nèi)容及現(xiàn)狀分析

本節(jié)課是人教版化學(xué)選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》[1](2007年2月第3版)第三章“水溶液中的離子平衡”第二節(jié)“水的電離和溶液的酸堿性”的第1課時(shí)。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》[2]關(guān)于水的電離和溶液的酸堿性的內(nèi)容要求為：認(rèn)識(shí)水的電離，了解水的離子積常數(shù)，認(rèn)識(shí)溶液的酸堿性及pH，掌握檢測(cè)溶液pH的方法。教材設(shè)計(jì)的認(rèn)知脈絡(luò)是：①以“精確的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)”的結(jié)果來(lái)說(shuō)明水的微弱電離；②書寫水的電離方程式，列出水的電離平衡常數(shù)，進(jìn)而分析歸納出水的離子積常數(shù)；③通過(guò)分析不同溫度下水的離子積常數(shù)，了解水的離子積大小受溫度變化的影響，認(rèn)定水的電離是一個(gè)吸熱過(guò)程，闡明水的離子積影響因素。有關(guān)水的電離過(guò)程及離子積常數(shù)的影響因素及適用范圍未安排實(shí)驗(yàn)探究，僅以一句“精確的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)表明，純水大部分以H2O的分子形式存在，但其中也存在著極少量的H3O+和OH-”說(shuō)明水是一種極弱的電解質(zhì)，能發(fā)生微弱的電離，概念的生成平鋪直敘，學(xué)生真正理解起來(lái)有一定困難。

在中國(guó)知網(wǎng)以“水的電離”為關(guān)鍵詞檢索2015年1月至2021年1月期間公開發(fā)表的文章，共搜索到相關(guān)論文7篇，其中基于人教版教材進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的2篇[3-4]，其教學(xué)思路與教材的主線基本一致：導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水的微弱電離，類比弱電解質(zhì)的電離平衡分析水的電離平衡及水的離子積常數(shù)，分析數(shù)據(jù)，歸納水的離子積影響因素及適應(yīng)范圍，教學(xué)設(shè)計(jì)注重理論講解。

分析人教版教材“水的電離”的認(rèn)知脈絡(luò)和現(xiàn)有教學(xué)設(shè)計(jì)，在教學(xué)中還有5個(gè)問(wèn)題值得研究：①如何創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水能電離；②如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證溫度對(duì)Kw的影響；③如何理論分析水的離子積常數(shù)適應(yīng)范圍并輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；④如何構(gòu)建“溶液的酸堿性與溶液中的c(H+)和c(OH-)大小關(guān)系”模型；⑤如何在化學(xué)概念課教學(xué)中有效發(fā)展學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)？

2 教學(xué)思想及設(shè)計(jì)創(chuàng)新

1976年，瑞典教育心理學(xué)專家Ference Marton和Roger Saljo基于現(xiàn)象分析學(xué)的研究，最先提出了“深度學(xué)習(xí)”的概念，其內(nèi)涵是指在教師的引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的學(xué)習(xí)過(guò)程[5]。盧天宇認(rèn)為化學(xué)概念教學(xué)下的深度學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)方式：目的是為了構(gòu)建新的化學(xué)概念，基于已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、分析宏觀現(xiàn)象、探析微觀符號(hào)表征或基于證據(jù)推理分析等學(xué)習(xí)活動(dòng)，進(jìn)行概念的歸納與初步構(gòu)建、理解與運(yùn)用，批判性地接收和學(xué)習(xí)新概念，建立新舊概念之間的相互聯(lián)系，深入概念的高階思維層級(jí)的學(xué)習(xí)[6]。由此可見，實(shí)驗(yàn)在化學(xué)概念的形成和發(fā)展過(guò)程中的獨(dú)特作用，創(chuàng)新化學(xué)實(shí)驗(yàn)，且巧妙地運(yùn)用在課堂教學(xué)中，能促進(jìn)學(xué)生對(duì)化學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)。

立足深度學(xué)習(xí)的出發(fā)點(diǎn)，本節(jié)教學(xué)從實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行創(chuàng)新，共有5個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。

(1)分組實(shí)驗(yàn)1“純水的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)”和演示實(shí)驗(yàn)1“純水電導(dǎo)率測(cè)定實(shí)驗(yàn)”證明水是極弱的電解質(zhì)，可以發(fā)生微弱的電離。

(2)演示實(shí)驗(yàn)2“探究溫度對(duì)pH的影響”證明水的電離過(guò)程為吸熱過(guò)程，水的離子積常數(shù)也是溫度常數(shù)。分組實(shí)驗(yàn)2“用廣泛pH試紙分別測(cè)0.1 mol/L、0.01 mol/L及0.001 mol/L NaOH溶液的pH”驗(yàn)證了水的離子積適應(yīng)范圍，即其不僅適用于純水，也適用于稀的電解質(zhì)溶液。

(3)分組實(shí)驗(yàn)要求“用廣泛pH試紙、精密pH試紙和pH計(jì)測(cè)量蘇打水的pH”，讓學(xué)生掌握用不同方法測(cè)量溶液的pH，分析碳酸氫鈉溶液呈堿性的原因，初步建立水的電離平衡影響因素模型。

3 學(xué)情分析及教學(xué)目標(biāo)

通過(guò)本章第一節(jié)“弱電解質(zhì)的電離”的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)知道弱電解質(zhì)溶于水能夠部分電離，并了解了電離平衡常數(shù)的含義。但學(xué)生尚未能從水溶液中存在的粒子、粒子間的相互影響、粒子間建立的平衡等視角認(rèn)識(shí)水溶液中的粒子行為，沒(méi)有形成認(rèn)識(shí)水溶液中離子反應(yīng)與平衡的基本思路?；趦?nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，結(jié)合實(shí)際學(xué)情，確定本節(jié)教學(xué)目標(biāo)：①通過(guò)使用數(shù)字傳感器測(cè)量水的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)，知道水是一種極弱的電解質(zhì)，可以微弱電離；②借助對(duì)弱電解質(zhì)的電離平衡狀態(tài)及平衡常數(shù)的了解，去理解水的電離平衡及電離常數(shù)，進(jìn)而了解水的離子積常數(shù)的含義及其適應(yīng)范圍；③通過(guò)了解pH與c(H+)之間的關(guān)系，認(rèn)識(shí)溶液的酸堿性及pH，并能進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算；④通過(guò)分別使用廣泛pH試紙、精密pH試紙和pH計(jì)測(cè)量稀溶液的pH，掌握檢測(cè)溶液pH的方法。

4 教學(xué)流程

教學(xué)流程見圖1。

圖1 教學(xué)流程

5 教學(xué)過(guò)程

5.1 實(shí)驗(yàn)探究，了解純水的微弱電離

[提出問(wèn)題]水是應(yīng)用最廣泛的溶劑，在水分子的作用下，各種電解質(zhì)都會(huì)發(fā)生不同程度的電離(見圖2)，這表明，在水分子與各種電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)粒子之間存在著較強(qiáng)的相互作用。并且，在相對(duì)分子質(zhì)量接近的化合物中，水是熔、沸點(diǎn)較高的物質(zhì)，這表明水分子間也存在著較強(qiáng)的相互作用。那么水分子彼此間的作用是否可能導(dǎo)致水分子也發(fā)生電離呢？如何證明？

圖2 NaCl在水中的溶解和電離示意圖

[學(xué)生分析]在必修1學(xué)習(xí)電解質(zhì)的電離時(shí)，用導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電解質(zhì)在水溶液中可以電離出自由移動(dòng)的離子，因此也可以通過(guò)導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水分子自身是否也可以發(fā)生電離。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]純水的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)，燈泡不亮，見圖3。

圖3 純水導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)

[提出問(wèn)題]燈泡不亮，純水真不能導(dǎo)電嗎?

[演示實(shí)驗(yàn)]室溫下，使用數(shù)字傳感器測(cè)量純水的電導(dǎo)率為0.023 ms/cm。

[師生歸納]水是一種極弱的電解質(zhì)，能發(fā)出微弱的電離。

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生在必修1已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)酸、堿和鹽等物質(zhì)屬于電解質(zhì)，知道可以使用導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其在水溶液中的電離行為。學(xué)生從此認(rèn)知出發(fā)，很自然的想到可以使用“燈泡實(shí)驗(yàn)”探究純水是否可以發(fā)生電離，并動(dòng)手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)燈泡不亮，得出純水不發(fā)生電離的結(jié)論。此時(shí)，教師演示使用數(shù)字化傳感器測(cè)定純水的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生恍然大悟，純水可以發(fā)生電離，但其電離程度太弱，其導(dǎo)電性不足以使燈泡發(fā)光，需要更精確的導(dǎo)電實(shí)驗(yàn)才可以測(cè)定其可以發(fā)生電離。本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)依靠學(xué)生已有認(rèn)知，結(jié)合學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)和教師演示實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生認(rèn)知沖突，進(jìn)而引發(fā)學(xué)生深度思考，最終發(fā)展新的概念。

5.2 概念建立，了解水的離子積涵義

投影展示水分子的電離過(guò)程，如圖4所示。

圖4 水分子電離過(guò)程示意圖

說(shuō)明水是一種極弱的電解質(zhì)，能發(fā)出微弱的電離，電離出等量的H+和OH-。

[師生分析]與化學(xué)平衡一樣，當(dāng)電離達(dá)到平衡時(shí)，電離產(chǎn)物H+與OH-濃度之積與未電離的H2O濃度之比也是一個(gè)常數(shù)K電離。

[師生分析]室溫下，55.6 mol H2O(1 L)中只有1.0×10-7mol H2O電離，與未電離的H2O相比，發(fā)生電離的H2O可以忽略不計(jì)，因此c(H2O)不變，可以視為常數(shù)。

[思維發(fā)展]K電離·c(H2O) =c(H+)·c(OH-)，其中常數(shù)K電離與常數(shù)c(H2O)的積為一種新的常數(shù)，叫做水的離子積常數(shù)，記作Kw，Kw=c(H+)·c(OH-)。

[提出問(wèn)題]我們學(xué)習(xí)過(guò)的平衡常數(shù)皆為溫度常數(shù)，溫度會(huì)影響水的離子積常數(shù)Kw嗎？已知：pH=- lgc(H+)，如當(dāng)pH=1.0時(shí)，c(H+)=

0.1 mol/L。

[學(xué)生分析]可以將水加熱，測(cè)量不同溫度下水的pH。

[演示實(shí)驗(yàn)]使用數(shù)字傳感器探究溫度對(duì)水的pH的影響。

[深度思考]溫度升高，水的pH減小，依據(jù)pH=-lgc(H+)可知水電離出的c(H+)增大，因?yàn)樗婋x出H+的同時(shí)，也電離出等量的OH-，則c(OH-)也增大，Kw=c(H+)·c(OH-)，所以Kw隨著溫度的升高而增大。

閱讀教材，了解不同溫度下水的電離差異，見表1。

表1 不同溫度下水的離子積常數(shù)

[師生歸納]與其他平衡常數(shù)一樣，水的離子積常數(shù)也是溫度常數(shù)，溫度升高，水的離子積增大，在使用水的離子積常數(shù)時(shí)須指明溫度，25 ℃時(shí)，Kw=1.0×10-14；水的電離是吸熱過(guò)程，升高溫度平衡正向移動(dòng)。

[提出問(wèn)題]室溫下，向1 L純水中加入4.0 g NaOH固體(液體體積變化忽略不計(jì)，恢復(fù)至室溫)，水的電離平衡如何移動(dòng)？K電離如何變化？與藥品加入前相比，c(H+)和c(OH-)如何變化？c(H+)·c(OH-)如何變化？

[提出問(wèn)題]室溫下，向1 L純水中滴加幾滴濃鹽酸(液體體積變化忽略不計(jì))，水的電離平衡如何移動(dòng)？K電離如何變化？與藥品加入前相比，c(H+)和c(OH-)如何變化？c(H+)·c(OH-)如何變化？

[深度思考]加入幾滴濃鹽酸后，溶液中的c(H+)增大，水的電離平衡逆向移動(dòng)。但K電離只和溫度有關(guān)，所以K電離不變。與藥品加入前相比，c(H+)增大，c(OH-)減小，又因?yàn)樽兓昂骳(H2O)基本不變，所以Kw不變。

[提出問(wèn)題]如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)你的分析？

[深度思考]測(cè)量已知濃度的稀堿溶液的pH，計(jì)算c(H+)·c(OH-)的大小。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]室溫下，用廣泛pH試紙分別測(cè)0.1 mol/L、0.01 mol/L及0.001 mol/L NaOH溶液的pH。

[數(shù)據(jù)處理]室溫下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理見表2。

表2 不同濃度NaOH溶液的pH及數(shù)據(jù)處理

[師生歸納]水的離子積不僅適用于純水，也適用于稀的電解質(zhì)溶液；室溫下，向水中加入酸或堿，水的電離平衡逆向移動(dòng)，電離程度減弱。

[設(shè)計(jì)意圖]將水的離子積常數(shù)的含義及適應(yīng)范圍教學(xué)拆分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段通過(guò)觀察水分子電離過(guò)程示意圖，提煉出水的電離方程式，書寫電離常數(shù)表達(dá)式，進(jìn)而歸納出水的離子積常數(shù)，以此培養(yǎng)學(xué)生觀察能力、類比分析以及推理歸納能力；第二個(gè)階段通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究溫度對(duì)水的pH的影響，引發(fā)學(xué)生深度思考，歸納出Kw為溫度常數(shù)，溫度升高，水的電離平衡正向移動(dòng)，使用時(shí)必須指明溫度，以此培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及探究能力，發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)；第三個(gè)階段通過(guò)問(wèn)題鏈引發(fā)學(xué)生對(duì)Kw的適應(yīng)范圍進(jìn)行深度思考，理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，歸納出水的離子積不僅適用于純水，也適用于稀的電解質(zhì)溶液。至此，本節(jié)課的教學(xué)任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)“水的離子積的含義”順利完成。此處對(duì)Kw的適應(yīng)范圍實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生還有了意外收獲，一是在稀酸或稀堿溶液中，水的電離受到抑制，電離程度減弱；二是室溫下，不同濃度的稀氫氧化鈉溶液中，都有c(H+)·c(OH-) = 1.0×10-14，進(jìn)一步說(shuō)明了Kw為溫度常數(shù)，只受溫度影響。

5.3 模型構(gòu)建，認(rèn)識(shí)溶液的酸堿性及pH

[數(shù)據(jù)處理]25 ℃時(shí)，純水中的c(H+) =c(OH-)≈1.0×10-7mol/L，將其帶入坐標(biāo)軸，并將O、A兩點(diǎn)連接起來(lái)，在直線上取B、C兩點(diǎn)，見圖5。

圖5 c(H+)-c(OH-)關(guān)系圖㈠

[提出問(wèn)題]點(diǎn)A表示什么意思，直線OA表示什么意義？與A點(diǎn)所處溫度相比，B、C兩點(diǎn)所處溫度大小如何？

[深度思考]點(diǎn)A表示在25 ℃時(shí)，純水中c(H+)=c(OH-)=1.0×10-7mol/L，溶液呈中性；直線OA上的每一個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的c(H+)=c(OH-)，溶液都呈中性。通過(guò)計(jì)算，B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Kw大于A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Kw，而Kw是溫度常數(shù)，隨著溫度的升高而增大，所以B點(diǎn)所處的溫度高于A點(diǎn)，同理A點(diǎn)高于C點(diǎn)。

[提出問(wèn)題]直線OA把坐標(biāo)系分成兩個(gè)區(qū)域，直線上的每一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的c(H+)都等于c(OH-)，溶液呈中性。直線左上部分和右下部分對(duì)應(yīng)點(diǎn)的c(H+)和c(OH-)孰大孰小，酸堿性如何？

[數(shù)據(jù)處理]25 ℃，當(dāng)溶液中的c(H+)=1.0×10-8mol/L時(shí)，對(duì)應(yīng)的c(OH-)=1.0×10-6mol/L；當(dāng)c(H+)=1.0×10-6mol/L時(shí)，對(duì)應(yīng)的c(OH-)=1.0×10-8mol/L。在坐標(biāo)系中畫出對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，并連線，見圖6。

圖6 c(H+)-c(OH-)關(guān)系圖㈡

[提出問(wèn)題]A、B、C、D、E對(duì)應(yīng)的Kw大小關(guān)系如何？曲線DAE表示的意義？

[深度思考]Kw是溫度常數(shù)，溫度相同，Kw相同，溫度越高Kw越大，反之Kw則越小，所以A、B、C、D、E對(duì)應(yīng)的Kw大小關(guān)系為：B>A=D=E>C。25 ℃時(shí)，曲線任意一點(diǎn)的Kw=1.0×10-14，且以A點(diǎn)為分界線，左半部分c(H+)>c(OH-)，溶液顯酸性；右半部分c(H+)c(OH-)，溶液顯酸性；坐標(biāo)系右下部分的每一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的c(H+)

[提出問(wèn)題]水是生命之源，滋養(yǎng)萬(wàn)物，生活中還有一些被稱為“某某水”的飲料，比如蘇打水。酸堿性如何，實(shí)驗(yàn)室如何測(cè)定其pH？

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]用廣泛pH試紙、精密pH試紙和pH計(jì)分別測(cè)量蘇打水的pH。

[提出問(wèn)題]蘇打水，其中的小蘇打?yàn)镹aHCO3，為何NaHCO3溶液顯堿性？對(duì)水的電離有何影響？

[深度思考]分析NaHCO3溶液中的微粒種類及相關(guān)微粒之間的相互作用。

[師生歸納]初步建立水的電離平衡影響因素模型，見表4。

表3 溶液的酸堿性與c(H+)和c(OH-)的大小關(guān)系

表4 水的電離平衡的影響因素

[設(shè)計(jì)意圖]25 ℃時(shí)，Kw=1.0×10-14，以此為基礎(chǔ)，分析水溶液中c(H+)和c(OH-)的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，繪制c(H+)～c(OH-)關(guān)系圖，構(gòu)建溶液的酸堿性與c(H+)和c(OH-)的大小關(guān)系模型。此時(shí)，學(xué)生體會(huì)到水溶液中H+與OH-之間是互相依存、互相制約的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)學(xué)生進(jìn)行矛盾的對(duì)立統(tǒng)一的辯證唯物主義觀點(diǎn)教育的意義。溶液pH是本節(jié)教學(xué)的又一個(gè)重點(diǎn)，通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)使用廣泛pH試紙、精密pH試紙和pH計(jì)測(cè)量NaHCO3溶液的pH，讓學(xué)生體會(huì)引進(jìn)pH的意義以及常見的測(cè)定方法。分析NaHCO3溶液顯堿性的原因，獲知NaHCO3對(duì)水的電離起到促進(jìn)作用，給后續(xù)學(xué)習(xí)鹽類的水解知識(shí)打下基礎(chǔ)。結(jié)合前一環(huán)節(jié)酸、堿對(duì)水的電離平衡的影響，初步建立水的電離平衡影響因素模型。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)是最直接的探究方法，是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要載體。水的電離過(guò)程微觀不可視，水的離子積適應(yīng)范圍抽象難懂，這些都是學(xué)生學(xué)習(xí)水的電離的難點(diǎn)所在。為了讓學(xué)生真正理解水的電離平衡及水的離子積常數(shù)的含義，在本節(jié)課教學(xué)中使用了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了水的電離的過(guò)程可視化教學(xué)目標(biāo)，并促進(jìn)了學(xué)生對(duì)其電離過(guò)程進(jìn)行深度思考，有效拓展了學(xué)生的思維層次，促使學(xué)生知識(shí)的增長(zhǎng)和探究能力的提升，促進(jìn)學(xué)生從水的電離的概念深度學(xué)習(xí)向?qū)W科素養(yǎng)發(fā)展的轉(zhuǎn)化。