基于定性定量視角的核心概念建構(gòu)與遷移

摘" 要：基于核心素養(yǎng)的化學(xué)教學(xué)強(qiáng)調(diào)對核心概念的建構(gòu)與遷移，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性地解決陌生情境下化學(xué)問題的能力。本文在“沉淀溶解平衡”概念的建構(gòu)與遷移教學(xué)中，利用“四重表征”對概念進(jìn)行定性建構(gòu)，在突破迷思概念的基礎(chǔ)上對概念進(jìn)行定量建構(gòu)，并創(chuàng)設(shè)真實情境解決實際問題，實現(xiàn)對概念的遷移應(yīng)用，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：定性定量；核心概念；建構(gòu)與遷移；沉淀溶解平衡

文章編號：

1008-0546（2024）14-0014-04

中圖分類號：

G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

B

一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析

1. 教學(xué)主題內(nèi)容分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《高中新課標(biāo)》）在基本原則中提出，著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。［1］核心素養(yǎng)取向的化學(xué)教學(xué)應(yīng)緊緊圍繞核心概念的建構(gòu)與遷移來進(jìn)行設(shè)計和實施［2］，基于定性定量視角對概念進(jìn)行建構(gòu)是最常見且最有效的方法。本節(jié)課選自人教版高中化學(xué)選擇性必修1第三章第四節(jié)“沉淀溶解平衡”。《高中新課標(biāo)》中明確強(qiáng)調(diào)了對“沉淀溶解平衡”概念的建構(gòu)，以及運用概念分析和解決生產(chǎn)、生活中有關(guān)的實際問題。因此，“沉淀溶解平衡”無疑是高中階段化學(xué)學(xué)科中的一個重要核心概念。

2. 教學(xué)設(shè)計及學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析

（1）教學(xué)設(shè)計現(xiàn)狀分析。

“沉淀溶解平衡”屬于化學(xué)概念知識，筆者在梳理已有的教學(xué)設(shè)計過程中發(fā)現(xiàn)，盡管許多教師嘗試從定性與定量兩個角度出發(fā)進(jìn)行教學(xué)，但對概念的細(xì)致詮釋仍顯不足。例如，在定性建構(gòu)概念上，部分教師雖然利用實驗宏觀現(xiàn)象建構(gòu)概念［3］，但這些實驗現(xiàn)象不夠直觀明顯；也有教師利用手持技術(shù)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線表征建構(gòu)概念［4］，但他們過分強(qiáng)調(diào)曲線，忽視了將宏觀、微觀、符號表征進(jìn)行有效整合?；谝陨涎芯看嬖诘牟蛔?，本節(jié)課采取“四重表征”教學(xué)模式［5］，引導(dǎo)學(xué)生基于“宏觀—微觀—符號—曲線”對概念進(jìn)行定性建構(gòu)。在定量建構(gòu)概念上，已有教學(xué)設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生遷移運用學(xué)過的電離平衡常數(shù)知識，通過解決實際的計算引出溶度積常數(shù)Ksp。［6］然而，這種從定性分析直接跳躍到定量計算的方式較為生硬，缺乏足夠的過渡與銜接。因此，本節(jié)課利用學(xué)生的迷思概念作為教學(xué)起點，引導(dǎo)學(xué)生對定性分析和定量計算進(jìn)行比較，幫助學(xué)生突破迷思概念的束縛，從而自然地引出溶度積常數(shù)Ksp的概念。

（2）學(xué)生學(xué)習(xí)現(xiàn)狀分析。

在學(xué)習(xí)本節(jié)課前，學(xué)生已經(jīng)掌握了物質(zhì)的溶解度、化學(xué)反應(yīng)速率和平衡移動等相關(guān)知識。然而，由于慣性思維的影響，學(xué)生容易忽略沉淀的微弱溶解現(xiàn)象。研究表明，很多學(xué)生會因為對勒夏特列原理的濫用而忽略其適用的范圍，從而在頭腦中形成平衡移動是“減弱非抵消”的迷思概念［7］，即平衡溶液加水稀釋后，平衡發(fā)生移動，但不會移動到最開始的程度?；诖耍竟?jié)課將合理利用學(xué)生的迷思概念，通過定性與定量相結(jié)合的方式，幫助學(xué)生對“沉淀溶解平衡”相關(guān)概念進(jìn)行深入的建構(gòu)與解析。

二、教學(xué)思想與創(chuàng)新點

1. 利用四重表征對概念進(jìn)行定性建構(gòu)

通過“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征對“沉淀溶解平衡”概念進(jìn)行建構(gòu)，有助于學(xué)生從多角度理解概念，認(rèn)識知識本質(zhì)，形成高階思維，并落實核心素養(yǎng)的發(fā)展。其中“宏觀—曲線”表征是建構(gòu)四重表征思維方式的激發(fā)點［8］，利用手持技術(shù)獲得的曲線表征能夠放大宏觀實驗的微觀現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生先進(jìn)行“宏觀—曲線”二重表征，再逐步深入探究反應(yīng)的微觀實質(zhì)，并用化學(xué)方程式進(jìn)行符號表征，實現(xiàn)“四重表征”對概念的建構(gòu)?！俺恋砣芙馄胶狻钡乃闹乇碚魅鐖D1所示。

2. 突破“迷思概念”對概念進(jìn)行定量建構(gòu)

在類比已有知識解決問題的過程中，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)迷思概念，并自發(fā)思考討論迷思概念的問題所在，從而對定性分析與定量計算進(jìn)行比較，使學(xué)生自發(fā)地學(xué)習(xí)溶度積常數(shù)Ksp的知識，最終突破迷思概念，完成概念的定性建構(gòu)到定量建構(gòu)的合理過渡。

3. 創(chuàng)設(shè)真實的STSE問題情境對概念進(jìn)行遷移

真實、具體的STSE問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺，也為學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)提供了真實的表現(xiàn)機(jī)會。本節(jié)課在遷移應(yīng)用“沉淀溶解平衡”概念的環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生從定性的反應(yīng)原理角度分析鐘乳石和石筍的形成，從定量的Ksp計算角度分析工業(yè)上對金屬陽離子除雜的調(diào)控，實現(xiàn)概念的遷移應(yīng)用與STSE問題解決的有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生從學(xué)科價值上把握化學(xué)學(xué)科的社會功能和責(zé)任。

三、教學(xué)目標(biāo)

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)具體如下。

（1）通過實驗探究分析難溶物質(zhì)溶解和沉淀的過程， 并進(jìn)行“四重表征”，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的粒子觀、平衡觀。

（2）通過速率的定性分析及濃度商Q和溶度積常數(shù)Ksp的定量分析，引導(dǎo)學(xué)生從定性定量兩個角度判斷物質(zhì)的溶解、沉淀和平衡狀態(tài)。

（3）用Ksp定量計算溶液中沉淀平衡時的離子濃度，讓學(xué)生學(xué)會定性定量分析生活、生產(chǎn)問題。

四、教學(xué)流程

本節(jié)課通過定性建構(gòu)概念、定量建構(gòu)概念、定性定量遷移概念三個主線任務(wù)完成對“沉淀溶解平衡”概念的建構(gòu)與遷移。具體教學(xué)流程如圖2所示。

五、教學(xué)實錄

1. 環(huán)節(jié)一" “宏觀—曲線”表征沉淀溶解平衡

［情境引入］生活中水可以溶解許多物質(zhì)，如糖、鹽等。根據(jù)物質(zhì)在室溫條件下水中的溶解度不同，將其分為易溶物、可溶物、微溶物和難溶物（見表1）。

［教師］常溫下NaCl的溶解度為35.9g，CaCO3的溶解度為5.29×10－4g。如果在室溫下，向100g水中分別加入1gNaCl和1g CaCO3，請預(yù)測實驗現(xiàn)象。

［學(xué)生］NaCl全部溶解，CaCO3不溶。

［教師］CaCO3是否存在微弱溶解？利用電導(dǎo)率儀測量溶液的電導(dǎo)率，電導(dǎo)率的大小代表溶液中離子濃度的大小，從而可判斷CaCO3是否溶解。

［演示實驗］①用電導(dǎo)率儀測量100g蒸餾水的電導(dǎo)率。②在水中加入1g CaCO3，測量溶液的電導(dǎo)率。③向水中加入10g蒸餾水，測量溶液的電導(dǎo)率。④向水中滴加Na2CO3溶液，測量溶液的電導(dǎo)率。實驗過程中溶液的電導(dǎo)率變化曲線如圖3所示。

［教師］從圖中可以發(fā)現(xiàn)，a點加入CaCO3，電導(dǎo)率增加，說明難溶物質(zhì)確實存在微弱溶解；b-c段電導(dǎo)率趨于平緩，是由于CaCO3溶解達(dá)到限度；c-e段電導(dǎo)率瞬間下降后緩慢上升，是由于加水稀釋，離子濃度瞬間下降，后CaCO3繼續(xù)溶解，電導(dǎo)率又上升；e-g段電導(dǎo)率瞬間上升后緩慢下降，是由于滴加Na2CO3溶液后，離子濃度瞬間上升，后CaCO3沉淀析出，離子濃度下降，電導(dǎo)率又下降。

2. 環(huán)節(jié)二" “微觀—符號”表征沉淀溶解平衡

［教師］請結(jié)合微觀動畫分析，宏觀上觀察到的CaCO3溶解是否存在微觀粒子Ca2＋與CO2－3結(jié)合生成CaCO3的過程？宏觀上觀察到的CaCO3沉淀析出現(xiàn)象是否存在微觀粒子CaCO3電離生成Ca2＋與CO2－3的過程？

［學(xué)生］微觀上同時存在Ca2＋與CO2－3結(jié)合生成沉淀CaCO3和CaCO3溶解電離生成Ca2＋與CO2－3的過程。

［教師］宏觀呈現(xiàn)出沉淀溶解、沉淀析出、溶液平衡的現(xiàn)象時，微觀上這兩個過程在速率上應(yīng)該有什么關(guān)系？

［學(xué)生］當(dāng)v溶解 ＝ v沉淀時，沉淀溶解平衡；當(dāng)v沉淀＞v溶解時，生成沉淀；當(dāng)v沉淀＜v溶解時，沉淀溶解。

［教師］物質(zhì)在溶解和沉淀的過程中，微觀上同時存在溶解和沉淀的過程，即難溶物質(zhì)存在沉淀溶解平衡。以CaCO3為例，可將其表示為 CaCO3（s）Ca2＋ （aq）＋CO2－3 （aq）。一般物質(zhì)的沉淀溶解平衡表達(dá)式為AnBm （s） nAm＋（aq）＋mBn－ （aq）。

3. 環(huán)節(jié)三" 類比遷移學(xué)習(xí)Ksp

［教師］類比之前學(xué)過的平衡，思考沉淀溶解平衡具有什么特點？

［學(xué)生］①逆：它是一個可逆過程。②等：溶解速率與沉淀速率相等。③動：它是動態(tài)平衡，溶解速率和沉淀速率不等于0。④定：達(dá)到平衡時，溶液中離子濃度保持不變。⑤變：當(dāng)改變外界條件時，沉淀溶解平衡發(fā)生移動。

［教師］影響沉淀溶解平衡的因素有哪些？

［學(xué)生］①內(nèi)因（決定因素）：難溶電解質(zhì)本身的性質(zhì)。②外因：溫度、濃度等。

［教師］在含有Mg（OH）2沉淀的飽和溶液中，改變下列條件：

①升溫；②加入MgCl2（s）；③滴加HCl；④加入NaOH；⑤加少量水。

分析平衡移動方向以及達(dá)到新的平衡時Mg2＋和OH－的濃度變化。

［迷思概念］錯誤使用勒夏特列原理，認(rèn)為加水稀釋使各離子濃度減小，平衡移動只能減弱這種改變而非抵消，所以得出加水稀釋后，達(dá)到新的平衡時Mg2＋和OH－的濃度均減小的結(jié)論。

［教師］沉淀溶解存在平衡，類比已有知識得出存在平衡常數(shù)，稱為溶度積常數(shù)Ksp。根據(jù)沉淀溶解平衡的表達(dá)式，Ksp（AnBm）＝cn（Am＋）·cm（Bn－）。

4. 環(huán)節(jié)四" Ksp視角分析沉淀溶解平衡

［教師］從Ksp定量的視角分析加水稀釋后各離子的濃度變化。

［突破迷思概念］Ksp［Mg（OH）2］＝c（Mg2＋）·c2（OH－），

當(dāng)加水稀釋時，c（Mg2＋）與c（OH－）瞬間下降，平衡向沉淀溶解方向移動，直到c（Mg2＋）和c（OH－）達(dá)到一開始的濃度，才再次達(dá)到沉淀溶解平衡。所以加水稀釋后，在達(dá)到新的平衡時Mg2＋和OH－的濃度均不變。

［教師］能否通過實驗證明加水稀釋后，在達(dá)到新的平衡時，原先的各離子濃度不變？

［曲線表征］再次分析環(huán)節(jié)一的演示實驗，當(dāng)加水稀釋含有CaCO3固體的飽和溶液時（c-e段），電導(dǎo)率迅速下降后緩慢上升，直到上升至原來的高度（見圖3），說明加水稀釋后，達(dá)到新的平衡時，原先的各離子濃度不變。

［教師］從定性的角度看，固體是析出還是溶解，要比較沉淀與溶解的速率大小，以Ag2S溶液為例，如果從Ksp定量角度分析，什么情況下生成沉淀，什么情況下沉淀溶解？

［學(xué)生］將溶液中的離子積［Q＝c2（Ag＋）·c（S2－）］與Ksp進(jìn)行比較。 Q ＝Ksp，沉淀溶解平衡； Q＞Ksp，生成沉淀；Q＜Ksp，沉淀溶解。

5. 環(huán)節(jié)五" 定性視角分析生活現(xiàn)象

［資料卡片］溶洞中鐘乳石和石筍的形成現(xiàn)象。

［教師］從沉淀溶解平衡定性角度分析其形成的原理。

［學(xué)生］當(dāng)溶有CO2的水流經(jīng)石灰?guī)r時，能夠建立以下平衡：CaCO3（s） Ca2＋ （aq）＋CO2－3 （aq），CO2－3＋CO2＋H2O 2HCO－3，總反應(yīng)的離子方程式為CaCO3＋CO2＋H2O Ca2＋＋2HCO－3。當(dāng)水中溶有的CO2較多時，平衡向CaCO3固體溶解的方向進(jìn)行，生成溶解度相對較大的Ca（HCO3）2 ；當(dāng)CO2濃度減小或溫度升高時，該平衡向逆反應(yīng)方向移動，重新析出CaCO3沉淀。反復(fù)進(jìn)行上述反應(yīng)，日積月累，CaCO3在洞穴頂部形成鐘乳石，在洞穴底部形成石筍。

6. 環(huán)節(jié)六" 定量視角計算生產(chǎn)問題

［教師］針對廢水中Fe3＋的處理，可以將Fe3＋以Fe（OH）3沉淀的形式除去，若c（Fe3＋） ＜ 10－5mol/L時認(rèn)為Fe3＋完全除去，則至少將溶液pH調(diào)節(jié)到多少？

［學(xué)生］根據(jù)Ksp［Fe（OH）3］＝c（Fe3＋）·c3（OH－）

得c（OH－）＝3Ksp［Fe（OH）3］c（Fe3＋），查表得Ksp［Fe（OH）3］＝2.8×10－39，根據(jù)題意有

c（Fe3＋）≈10－5mol/L，則c（OH－）＝6.54×10－12mol/L，pH≈2.8。所以至少將pH調(diào)節(jié)到2.8，F(xiàn)e3＋才完全除去。

六、教學(xué)反思

1. 注重多重表征，多視角建構(gòu)概念

本節(jié)課利用“宏觀—曲線—微觀—符號”的四重表征教學(xué)模式對概念進(jìn)行定性建構(gòu)，通過突破迷思概念對概念進(jìn)行定量建構(gòu)，從多維度、多視角引導(dǎo)學(xué)生深入理解概念，認(rèn)識知識的本質(zhì)，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

2. 基于學(xué)生學(xué)情，突破迷思概念

本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計充分考慮學(xué)生學(xué)情，利用迷思概念調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引導(dǎo)學(xué)生自主進(jìn)行思考和討論，實現(xiàn)迷思概念的突破，達(dá)到概念的建構(gòu)，充分體現(xiàn)以學(xué)生為主體的教育理念。

3. 強(qiáng)調(diào)概念遷移，結(jié)合STSE情境

本節(jié)課展開核心素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)，創(chuàng)設(shè)真實、具體的STSE情境，引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的知識解決陌生化學(xué)問題，使學(xué)生從學(xué)科價值上把握化學(xué)科學(xué)的社會功能和責(zé)任，培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

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