學(xué)知識 長本事 能遷移
——人教版選擇性必修1第二章和第三章若干問題初探

重慶 王 明 王文佳

學(xué)生掌握的化學(xué)知識越多并不代表其化學(xué)素養(yǎng)越高。因為沒有形成網(wǎng)絡(luò)的化學(xué)知識是零散和雜亂無章的，不方便學(xué)生掌握和隨時提取。例如一個高三學(xué)生一年內(nèi)做了一萬五千道化學(xué)試題，另一個學(xué)生只做了一萬道，能保證做題多的學(xué)生化學(xué)素養(yǎng)一定強，高考成績一定好嗎？當(dāng)然不能。若做題較少的學(xué)生在解題過程中不斷總結(jié)并提取出解題模型，落實了化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)，高考成績極有可能會更好。

“學(xué)知識”是指學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)教材和《普通高中化學(xué)課程標準(2017年版2020年修訂)》中所要求的化學(xué)知識，教師在教學(xué)中需要重點突出“用教材”而不是“教教材”。學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識的目的是落實化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，即“長本事”，就是獲取“舉一反三”的“一”。學(xué)生掌握了本領(lǐng)后，需要“能遷移”，即運用本領(lǐng)解決學(xué)習(xí)和考試中遇到的新問題。素養(yǎng)的遷移就涉及了“分析、評價和創(chuàng)造”的高階思維，也涉及了模型的創(chuàng)新應(yīng)用，這是時代對學(xué)生提出的現(xiàn)實要求。

1.放大細節(jié)——小問題的深度思考

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展，離不開化學(xué)學(xué)科知識的教與學(xué)，不能脫離具體的化學(xué)科學(xué)知識的教學(xué)來進行空中樓閣式的“素養(yǎng)為本”教學(xué)。人教版新教材選擇性必修一第二章和第三章，是學(xué)生學(xué)習(xí)最困難，也是高考化學(xué)試題考查中最難的部分。從本源來看，任何一個化學(xué)問題或者一道化學(xué)試題，都可以分解為幾個不復(fù)雜的小問題。恰好化學(xué)學(xué)科很年輕，比物理學(xué)科晚100年，比數(shù)學(xué)學(xué)科晚1 000年，很多理論不全面、不完善，導(dǎo)致化學(xué)知識中有很多需要注意的細節(jié)。因此，學(xué)生想要“長本事”，必須要先突破細節(jié)知識。這就要求化學(xué)教師有“放大細節(jié)”的意識和習(xí)慣。

1.1 固體或純液體的濃度為什么為定值？

1.2 固體和純液體能否表示化學(xué)反應(yīng)速率？

教學(xué)中，教師習(xí)慣給學(xué)生強調(diào)“不選擇固體或純液體來表示化學(xué)反應(yīng)速率”。真實情況是學(xué)生現(xiàn)在沒有實踐經(jīng)驗，但以后在某些工作崗位上他們會猛然發(fā)現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常用固體物質(zhì)來表示化學(xué)反應(yīng)速率，只是不能用單位時間內(nèi)濃度變化來表示其反應(yīng)速率，純液體也是一樣的。2019版北師大版教材選擇性必修一明確說明“此時可以用單位時間內(nèi)質(zhì)量或者物質(zhì)的量變化來表示化學(xué)反應(yīng)速率”。

1.3 速率之比一定等于方程式計量系數(shù)之比嗎？

1.4 水的濃度什么時候為定值？

濃溶液中，H2O的“濃度”不能認為是定值。例如，無水乙醇和冰醋酸在濃硫酸催化的酯化反應(yīng)中，可以用水的“濃度”變化表示反應(yīng)速率。原因在于整個體系里面水的量很少，相當(dāng)于是水的有機溶液，此時水可以認為是溶質(zhì)。

上面的問題在人教版教材第60頁的練習(xí)題中有充分體現(xiàn)：“在一定溫度下，冰醋酸稀釋過程中溶液的導(dǎo)電能力變化如圖1所示，請?zhí)顚懴铝锌瞻住！?/p>

圖1

2.定性向定量的轉(zhuǎn)換——定量計算貫穿始終

任何一門理論學(xué)科都有從定性向定量發(fā)展的趨勢，蓬勃發(fā)展中的化學(xué)學(xué)科也不例外。人教版2019版教材中，“定量意識”被提到了相當(dāng)高的地位，教材正文中平衡常數(shù)、轉(zhuǎn)化率、電離平衡常數(shù)和酸堿中和滴定的計算占了相當(dāng)大的篇幅。并且，教材方法導(dǎo)引中，專門介紹了“定性分析與定量分析”。為了有效提高學(xué)生的“定量意識”，筆者在教學(xué)中做了下面的嘗試，獲得了很好的教學(xué)效果。

2.1 中和滴定實驗的定量變化

酸堿中和滴定是高中階段最重要的定量實驗，2019版人教版教材中變化主要體現(xiàn)在以下三個方面：一是教材的學(xué)生實驗中明確了每滴溶液的體積約是0.04 mL；二是滴定終點操作變?yōu)椤稳胱詈蟀氲螛藴嗜芤汉蠡旌先芤侯伾淖儯野敕昼妰?nèi)不變化；三是數(shù)據(jù)處理時不再是多次所用標準溶液取平均值，而是每次計算出待測液濃度，然后多次濃度取平均值。上面的三個變化都是為了讓計算更準確，誤差更小。

2.2 酸堿中和滴定突變范圍的定量分析

為了讓學(xué)生能看到酸堿混合后，平淡無奇的宏觀現(xiàn)象下混合溶液pH(室溫，下同)的突變。教學(xué)中筆者特意設(shè)計了下面的簡單計算，并加以數(shù)字化儀器演示證實。

【例1】向10 mL 0.1 mol·L-1的NaOH溶液中，逐滴加入0.1 mol·L-1的鹽酸溶液?；卮鹣铝袉栴}：(1)當(dāng)所加鹽酸體積為10 mL時，溶液的pH為多少？(2)當(dāng)加入的鹽酸體積為9.98 mL(少加半滴)時，溶液的pH為多少？(3)當(dāng)所加鹽酸體積為10.02 mL(多加半滴)時，溶液的pH為多少？(4)繪制出NaOH溶液中滴入鹽酸溶液的pH變化示意圖。

若將題目改為：向10 mL 0.1 mol·L-1的鹽酸溶液中，逐滴加入0.1 mol·L-1的NaOH溶液，按照上題的分析過程，繪制出鹽酸溶液中滴入NaOH溶液的pH變化示意圖。

經(jīng)過計算，繪制出pH變化示意圖如圖2和圖3所示，學(xué)生真正地看到了“混合溶液pH的突變”。

圖2

圖3

2.3 指示劑選擇的定量分析

以往的教學(xué)中會安排學(xué)生記住“強酸強堿反應(yīng)選擇甲基橙、酚酞作指示劑都可以；強酸與弱堿反應(yīng)選用甲基橙為指示劑；強堿與弱酸反應(yīng)選用酚酞為指示劑”。記住結(jié)論后，學(xué)生確實可以運用去解決一些問題，但總有“惴惴不安”的感覺。原因在于學(xué)生并沒有理解這樣選擇指示劑的原因何在。實際教學(xué)中筆者利用定量計算，借助化學(xué)“四重表征”中的圖像，解決了這個問題。

強酸與強堿反應(yīng)混合溶液的pH變化如上述圖2和圖3所示，其中圖2表示強堿滴入強酸中的情況，圖3表示強酸滴入強堿的情況。pH的突變范圍貫穿酸性和堿性區(qū)間，所以強酸與強堿反應(yīng)，不管選擇用甲基橙(3.1～4.4)還是酚酞(8.2～10)為指示劑，都可以準確指示終點(誤差很小，多半滴或者少半滴)。

將強酸換為弱酸，即0.1 mol·L-1NaOH溶液滴定10 mL 0.1 mol·L-1CH3COOH(pH約為3)溶液，混合溶液pH隨NaOH溶液加入體積的變化曲線(為了方便觀察，強酸的曲線也保留了下來)如圖4所示，反應(yīng)終點后的曲線幾乎重合，因為此時溶液的pH取決于加入的同濃度的NaOH溶液。pH的突變范圍比強酸反應(yīng)“短了一截”，原因是起點的pH較高約為3。此時突變范圍變窄，偏酸性部分丟失(偏堿性的部分仍然保留)，為了準確指示終點，此時最好選用酚酞(變色范圍8.2～10)為指示劑。

圖4

同理，將強堿換為弱堿，即0.1 mol·L-1HCl溶液滴定10 mL 0.1 mol·L-1氨水(pH約為10)溶液，混合溶液pH隨HCl溶液加入體積的變化曲線(為了方便觀察，強堿的曲線也保留了下來)如圖5所示，反應(yīng)終點后的曲線幾乎重合，原因和上述相同。突變范圍“短了一截”，原因是起點的pH較低約為10。突變范圍變窄，偏堿性部分丟失(偏酸性部分仍然保留)，為了準確指示終點應(yīng)使用偏酸性的指示劑甲基橙(變色范圍3.1～4.4)。

圖5

3.學(xué)科融合——試題命制

“學(xué)科融合”并不是個新概念，高考試題也一直在對此做出各種嘗試(有成功的，也有不成功的)。進入新世紀以來，隨著科技的進步，知識更新越來越快，化學(xué)教師也越來越向?qū)I(yè)化發(fā)展。一方面，這種趨勢迅速提升了高中化學(xué)教師的專業(yè)水平；另一方面，太過專業(yè)化發(fā)展的問題也在不斷顯現(xiàn)。相信大家都對2018年全國卷Ⅰ第8題中“酶是一類具有高選擇催化性能的蛋白質(zhì)”的說法記憶深刻。從生物學(xué)的角度來看，這個說法明顯錯誤，但它卻躲過了各類化學(xué)專家的“法眼”，出現(xiàn)在了高考試題中。已知的知識越來越多，學(xué)科邊界也越來越模糊，很多問題只靠一門專業(yè)知識無法解決，光靠單獨的個體也很難有新的突破。時代要求化學(xué)教師應(yīng)該從“專家”向“雜家”轉(zhuǎn)變，應(yīng)該從“一專一能”向“一專多能”轉(zhuǎn)變。

3.1 化學(xué)中的數(shù)學(xué)思想

隨著知識的發(fā)展和技術(shù)的進步，很多新方法和新設(shè)備不斷出現(xiàn)在中學(xué)教育階段。化學(xué)也從原來的“三重表征”發(fā)展成了“四重表征”——多了“圖像”表征，其實就是多了函數(shù)圖像。在這樣的現(xiàn)實背景下，高考試題中理所當(dāng)然出現(xiàn)了化學(xué)和數(shù)學(xué)的融合，函數(shù)圖像便是其具體體現(xiàn)。全國卷高考試題中此類函數(shù)圖像經(jīng)常出現(xiàn)，2020年和2021年高考全國卷、山東卷的化學(xué)試題部分對此又做出了新的探索和示范，相信這個趨勢還會一直保持下去。

【例2】(2017·全國卷Ⅰ·13節(jié)選)“常溫下將NaOH溶液滴加到己二酸(H2X)溶液中，混合溶液的pH與離子濃度變化的關(guān)系如圖6所示”。

圖6

從數(shù)學(xué)的角度，圖像中還有沒有值得探究的問題呢？由于化學(xué)教師數(shù)學(xué)知識的貧乏，很多時候本題的討論就到此結(jié)束了。其實學(xué)生還有一點迷思問題：“高考試題中，兩條直線怎么看起來是平行的？它們真的平行嗎？”

在上述的一次函數(shù)表達式①和②中，pKa1與pKa2均為常數(shù)，兩條直線的斜率均為1。所以在坐標圖中兩條直線肯定是相互平行的。

有了上面的數(shù)學(xué)函數(shù)思想，很多問題就可以避免了。如流傳極廣的一道試題：“常溫下，將NaOH溶液分別加到HA、HB兩種弱酸溶液中，兩溶液中pH與粒子濃度比值的對數(shù)關(guān)系如圖7所示，已知pKa=-lgKa。下列有關(guān)敘述錯誤的是”，配圖如圖7所示。這道試題流傳甚廣，很多教師覺得題目命制得相當(dāng)好，完美地模仿了高考試題。不過，有上面的數(shù)學(xué)函數(shù)思想后，大家容易發(fā)現(xiàn)“所配圖像完全錯誤”。正確的圖像應(yīng)如圖8所示。這個明顯錯誤，為什么大部分教師卻反而發(fā)現(xiàn)不了呢？究其原因，化學(xué)和數(shù)學(xué)完全被割裂開了，化學(xué)教師的數(shù)學(xué)水平已經(jīng)無法滿足教學(xué)的需求。數(shù)學(xué)是所有學(xué)科的基礎(chǔ)，滲透到了生活的方方面面，廣大化學(xué)教師必須對此高度重視。畢竟，錯誤的認識永遠不可能轉(zhuǎn)化本領(lǐng)，并落實核心素養(yǎng)。

圖7

圖8

3.2 化學(xué)中的其他學(xué)科思想

除了上述與數(shù)學(xué)和生物學(xué)的深度融合外，化學(xué)與其他學(xué)科間的融合實例還有很多。比如，很多分離提純的實驗方法，過濾、蒸發(fā)、蒸餾、分餾、萃取、重結(jié)晶等，還比如光譜分析，本質(zhì)就是物理思想和物理方法在化學(xué)中的體現(xiàn)。正是由于這些物理方法和手段的大量使用，才極大地促進了化學(xué)學(xué)科本身的發(fā)展。

3.3 學(xué)科內(nèi)部的融合

化學(xué)學(xué)科內(nèi)部，比如有機和結(jié)構(gòu)的融合，也是教師需要重點關(guān)注的問題。以往的高考理綜試題中，有機和結(jié)構(gòu)是選做，試卷中不會出現(xiàn)有機與結(jié)構(gòu)的融合。整合目前的信息來看，新高考中有機和結(jié)構(gòu)都是高中的必考內(nèi)容。這樣有機和結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識，肯定會在某種程度上進行融合，并在各級考試中加以體現(xiàn)。這又將是一個題目命制的熱點和難點，化學(xué)教師和選擇化學(xué)的學(xué)生都需要做好充分的知識儲備和心理準備。

化學(xué)課堂教學(xué)中教師既要重視本事的建構(gòu)，又要重視本事的遷移，在解決真實化學(xué)問題的活動中，為學(xué)生提供化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的表現(xiàn)機會。各種測試就為學(xué)生的核心素養(yǎng)提供了展示的機會，也為教師在課堂中核心素養(yǎng)的落實情況提供了定量依據(jù)。教學(xué)中教師必須對試題的命制引起高度重視，因為這是“教、學(xué)、評”中最后一環(huán)——評價環(huán)節(jié)不可或缺的部分。

本文系2021年重慶市教育學(xué)會重點課題“基于生活教育理論的高中化學(xué)實驗教學(xué)研究”(課題編號：XH2021A125)階段性研究成果。