劉臣 左京平

摘要：學科核心素養(yǎng)具有獨特的學科育人價值，基于化學概念原理知識的特點及其教學價值，闡述了依據(jù)理解和應用學科素養(yǎng)框架開展沉淀溶解平衡主題教學設計的思路及策略。以促進學生對沉淀轉(zhuǎn)化實質(zhì)的認識為例，整合教材內(nèi)容為教學內(nèi)容，依托學科典型的學習方式開展探究教學，著重發(fā)展學生“證據(jù)推理與模型認知”的學科素養(yǎng)，并進行了教學反思。

關鍵詞：證據(jù)推理;模型認知;科學探究;問題解決;教學設計

文章編號：1008-0546（2020）09-0063-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

學科核心素養(yǎng)是指學生在經(jīng)歷對某一學科的學習后，逐步形成的該學科獨特的思想方法、基本觀念和思維方式，學科核心素養(yǎng)對學生的終身成長具有獨特的貢獻和育人價值。中學階段，教師通過課堂教學，幫助學生后天習得某個學科的基本素養(yǎng)，教師的角色從教書轉(zhuǎn)變?yōu)橛?，逐步實現(xiàn)新時期育人目標的跨越和升級。為此，基于培養(yǎng)學生學科素養(yǎng)引發(fā)的教學變革，廣大教育工作者展開了深入的思考和實踐。

一、問題的提出

化學概念原理知識是學生化學學習的重要內(nèi)容，承載著對物質(zhì)性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及化學反應的認識功能與價值。在傳統(tǒng)的概念原理教學中，教師開展基于知識解析式的教學，對概念涉及的內(nèi)涵和外延進行知識點式的逐條分解、固化;以及應用概念在解決“真實”問題中思維模板化、條目化，從而導致學生在學習概念原理時感覺“只見樹木、不見森林”，知識條目繁多，難于理解、難于記憶，更難于運用。由此可見，在學生頭腦中并沒有形成結(jié)構(gòu)化的知識，自以為“掌握”的知識更不具有可遷移性。每當遇到較為復雜的實際問題時，便無從下手，不能獨立操作且自覺調(diào)用所學知識去解決問題。

化學學科核心素養(yǎng)是學生在面對真實復雜的問題情境時所表現(xiàn)出來的關鍵能力和必備品格。當學生在探究與創(chuàng)新實踐過程中遇到和發(fā)現(xiàn)問題時，需要調(diào)用原有模型，進行假設推理、尋找證據(jù)，并基于證據(jù)推理發(fā)現(xiàn)或建立新的模型。從這個意義上說，證據(jù)推理與模型認知是科學探究與創(chuàng)新的思維核心，也是科學探究與創(chuàng)新的方法。據(jù)此，基于新課標的課程理念，依據(jù)理解和應用學科素養(yǎng)框架開展“沉淀溶解平衡”單元教學設計，以幫助學生從學習和理解“難溶電解質(zhì)在水溶液中存在沉淀溶解平衡”這一知識內(nèi)容出發(fā)，基于知識載體設計有層次且具有挑戰(zhàn)性的學生活動，在探究中引導學生對實驗現(xiàn)象和現(xiàn)象背后的原因進行剖析、類比和歸納，提升學生對“沉淀的生成、溶解與轉(zhuǎn)化”實質(zhì)的認識。在過程設計中突出發(fā)展學生“證據(jù)推理與模型認知”的化學學科素養(yǎng)，彰顯知識的素養(yǎng)發(fā)展價值。

二、教學內(nèi)容分析

1.課標要求

《普通高中化學課程標準（2017年版）》在選擇性必修課程模塊1化學反應原理的主題3“水溶液中的離子反應與平衡”內(nèi)容要求中指出：“認識難溶電解質(zhì)在水溶液中存在沉淀溶解平衡，了解沉淀的生成、溶解與轉(zhuǎn)化”。在學業(yè)要求中指出：“能用化學用語正確表示水溶液中的離子反應與平衡，能通過實驗證明水溶液中存在的離子平衡，能舉例說明離子反應與平衡在生產(chǎn)、生活中的應用”。此外，在學習活動建議中提出了“沉淀的轉(zhuǎn)化”實驗及探究活動建議。

2.教材分析

“沉淀溶解平衡”隸屬于魯科版化學選擇性必修1第3章“物質(zhì)在水溶液中的行為”的第3節(jié)，教學內(nèi)容包括沉淀溶解平衡與溶度積、沉淀溶解平衡的應用。其中，教材著重討論了溶度積Ksp的相關概念以及如何通過比較溶度積與離子積Qc的相對大小，判斷難溶電解質(zhì)在給定條件下沉淀能否生成或溶解。教材對難溶電解質(zhì)溶解平衡的內(nèi)容呈現(xiàn)，充分展示并承載著從微觀、動態(tài)、平衡的角度深入認識物質(zhì)性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及化學反應的功能與價值，有助于發(fā)展學生對難溶電解質(zhì)溶于水及其變化的微觀本質(zhì)認識，進一步豐富和完善學生對離子反應的理解。

3.對知識的深入分析

（1）學科大概念背景下知識的教學價值

沉淀溶解平衡其核心內(nèi)容是探討難溶電解質(zhì)在其飽和溶液中的微觀、動態(tài)行為，發(fā)展學生對難溶物能否溶于水、生成沉淀的反應能否真正進行到底，以及在必修階段學習過的復分解型離子反應，如碳酸鈣與鹽酸的反應，兩種反應物是否真正“交換成分”的進一步認識，其上位的學科大概念是化學平衡觀。發(fā)展學生從反應有限度的平衡視角看沉淀的生成、溶解和轉(zhuǎn)化，認識結(jié)果將不再單一和固化。與此同時，變化平衡的高認知水平基礎是宏微結(jié)合。由此從三維目標的發(fā)展上看，學生通過對難溶電解質(zhì)溶解平衡的學習，不僅可以很好地經(jīng)歷“宏觀辨識與微觀探析”的辨識轉(zhuǎn)換過程，又能很好地體驗和感悟“變化觀念與平衡思想”這一化學學科特征，學習過程是基于知識學習轉(zhuǎn)化為學科能力和素養(yǎng)的有力抓手。

（2）依據(jù)相關知識間的聯(lián)系設計教學

“沉淀溶解平衡”單元教學安排2課時完成：第1課時著重探討沉淀溶解平衡的建立過程，從宏觀、微觀、動態(tài)、定量的視角看AgCl懸濁液與KI溶液的反應，然后將其轉(zhuǎn)化為分析物質(zhì)性質(zhì)及其變化的思路和方法;進而從溶解平衡的視角看Mg（OH）2的性質(zhì)與反應，為后續(xù)應用核心知識解決較為復雜的實際問題打下基礎。第2課時學生在經(jīng)歷通過實驗實現(xiàn)難溶物的生成與溶解的基礎上，重點探討沉淀轉(zhuǎn)化的方向問題，引導學生從理論分析和實驗探究兩個維度，探討了兩組難溶物BaCO3和BaSO4、AgCl和Agl相互轉(zhuǎn)化的可行性。與此同時，在實驗設計中借助學生在第1章學過的電化學原理，將不易觀察到的實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為具有說服力且可觀測的電壓數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了概念原理知識間的融合，也著重培養(yǎng)學生“證據(jù)推理與模型認知”的學科思維素養(yǎng)。其相關知識間的聯(lián)系和主題教學框架如下圖1所示。

三、學生學習情況分析

1.學生已有的認知基礎

依據(jù)教材的學習順序，學生已經(jīng)學習了電解質(zhì)、氧化還原反應和電化學等化學核心概念及相關模型;初步建立了對化學反應的認識角度：化學反應的方向、速率、限度和能量。在本主題第1課時的學習中，已經(jīng)認識到難溶電解質(zhì)在其飽和溶液中存在沉淀溶解平衡，通過改變外界條件可以調(diào)控反應進行的方向，即沉淀的生成、溶解與轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。

2.學生學習本課的障礙點分析

學生學習本課遇到的困難與常出現(xiàn)的錯誤有：①對沉淀發(fā)生轉(zhuǎn)化的方向問題認識片面。前測表明：班級2/3以上的學生普遍認為BaSO4沉淀不能轉(zhuǎn)化為BaCO3，Agl沉淀也不能轉(zhuǎn)化為AgCl…即溶解度較小的沉淀不能轉(zhuǎn)化為溶解度較大的沉淀。②依據(jù)實驗目的，在設計實驗方案尋找證據(jù)時，缺乏對獲得實驗證據(jù)條件重要性的認識，實驗條件的改變將直接影響獲得證據(jù)的有效性，缺乏對證據(jù)的準確性保持基本審慎的態(tài)度。③對電化學裝置模型的功能認識不足，沒有打通概念原理相關知識間的聯(lián)系，缺乏對應用所學知識分析并解決實際問題的角度與路徑。

四、基于理解和應用學科素養(yǎng)框架的教學活動設計與實踐

1.基于工業(yè)生產(chǎn)實際問題引出課題

課堂引入，首先給出一則實際問題的背景資料：

重晶石（BaSO4）是自然界中含鋇元素的重要礦石，其難溶于水，且難溶于鹽酸、硝酸等強酸。以重晶石為原料制取各種鋇鹽的方法之一是將其轉(zhuǎn)化為可用鹽酸溶解的BaCO3。

查閱物質(zhì)在20℃時的溶解度數(shù)據(jù)，S（BaCO3）=l.4×10-3g，S（BaSO4）=2.4×10-4g，引導學生關注將BaSO4轉(zhuǎn)化為BaCO3的過程，是溶解度較小的鹽轉(zhuǎn)化為溶解度較大鹽的過程，那么這種轉(zhuǎn)化容易實現(xiàn)嗎？其轉(zhuǎn)化的原理和依據(jù)又是什么呢？至此，完成了課堂引入一即發(fā)現(xiàn)問題的過程，引導學生關注應用化學原理解決生產(chǎn)生活實際中的真實問題，也最大限度地承載了中學生社會責任的教育價值。

2.探究BaCO3和BaSO4間的相互轉(zhuǎn)化

在本環(huán)節(jié)中，教師圍繞“探究BaCO3和BaSO4間的相互轉(zhuǎn)化”，提出下述三個問題：

[問題1]設計實驗方案，探究BaCO3和BaSO4間的相互轉(zhuǎn)化，并說明設計依據(jù)。

[問題2]通過收集何種證據(jù)（現(xiàn)象），證實BaCO3和BaSO4實現(xiàn)了相互轉(zhuǎn)化。

[問題3]結(jié)合沉淀溶解平衡原理，解釋說明沉淀發(fā)生轉(zhuǎn)化的原因。

在分小組設計BaCO3和BaSO4相互轉(zhuǎn)化的實驗方案中，學生能夠依據(jù)沉淀溶解平衡原理，先建立平衡再設計沉淀轉(zhuǎn)化的方向;通過檢驗“反應物消失”或“生成物存在”等實驗證據(jù)，證實沉淀發(fā)生了轉(zhuǎn)化，說明學生已經(jīng)具備了一定的證據(jù)意識。但在設計BaCO3轉(zhuǎn)化為BaSO4的實驗方案中，呈現(xiàn)出如圖2，圖3所示的兩種方案：

兩種方案的不同之處在于建立BaCO3的溶解平衡狀態(tài)時，BaCl2與Na2CO3溶液的用量相對多少問題。此時教師及時抓住教學契機，引導學生對兩組實驗方案設計進行反思和評價，啟發(fā)學生找到某種過量的試劑對后續(xù)實驗造成的影響，以及判斷據(jù)此得到的實驗現(xiàn)象能否作為可信的證據(jù)進行推理。期間，進一步強調(diào)實驗證據(jù)的有效性及獲得實驗證據(jù)條件的重要性，提醒學生在進行證據(jù)推理時應保持基本的審慎。

依據(jù)學生設計的方案，分小組完成BaCO3和BaSO4間的相互轉(zhuǎn)化，對假設進行證實或證偽。通過觀察加入稀鹽酸后無明顯現(xiàn)象，證實BaCO3可全部轉(zhuǎn)化為BaSO4;對比加入稀鹽酸后產(chǎn)生少量氣泡，沉淀部分溶解，說明BaSO4部分轉(zhuǎn)化為BaCO3。通過對比實驗，使學生深刻體驗和感悟沉淀轉(zhuǎn)化的過程性及差異性，為后續(xù)的理論分析打下基礎。

隨后討論問題3：結(jié)合沉淀溶解平衡原理，解釋說明沉淀發(fā)生轉(zhuǎn)化的原因。通過分析、歸納促使溶解平衡發(fā)生移動的因素及上述實驗現(xiàn)象可知：溶解度小的沉淀轉(zhuǎn)化成溶解度更小的沉淀容易實現(xiàn)，反之則不易。此環(huán)節(jié)引導學生初步建立現(xiàn)象證據(jù)和理論證據(jù)間的聯(lián)系，點撥學生基于證據(jù)進行邏輯推理的分析角度和思維路徑。那么，對于溶解度相差較大的物質(zhì)，其沉淀間的轉(zhuǎn)化是否能夠?qū)崿F(xiàn)呢？

3.Agl向AgCl發(fā)生轉(zhuǎn)化的可行性分析及實證

問題的提出激發(fā)了學生的探究欲望和興趣。隨后一些學生也疑惑起來，對由Agl沉淀向AgCl轉(zhuǎn)化的可行性提出質(zhì)疑，課堂上出現(xiàn)了兩種不同的聲音。此時，教師拋出兩個引導性問題啟發(fā)學生做進一步思考：

[問題4]依據(jù)溶度積常數(shù)，計算向Agl懸濁液中加入c（Cl-）為多大時，可產(chǎn)生AgCl沉淀。

[問題5]設計實驗驗證：Agl轉(zhuǎn)化為AgCl。

問題4要求學生結(jié)合AgCl和Agl的溶度積數(shù)據(jù)，進行理論推算，學生計算結(jié)果如下：

通過計算結(jié)果可知：若要產(chǎn)生AgCl沉淀，溶液中的c（Cl-）≥0.02mol/L時即可實現(xiàn)，理論上此條件完全能夠達到，由此可得Agl也可以轉(zhuǎn)化為AgCl沉淀。但在實際操作中，向Agl懸濁液中加入飽和NaCl溶液，沉淀仍為黃色，始終未觀察到預期的白色AgCl沉淀。本環(huán)節(jié)利用理論證據(jù)與實驗證據(jù)呈現(xiàn)出的相反結(jié)果制造思維沖突，促使學生深刻感受理論推演與實證的差異性，以及在真實情況下化學反應的復雜性。

進而引導學生尋找原因，再次回到反應體系本身進行分析。在Agl懸濁液中，溶液中的c（Ag+）已經(jīng)很小，即使生成AgCl，其物質(zhì)的量也很小;再加之AgCl為白色沉淀，受到黃色Agl沉淀的干擾和覆蓋，更難于觀察。為此，如何設計實驗，實現(xiàn)由Agl轉(zhuǎn)化為AgCl，并獲得有明顯可觀測的實驗現(xiàn)象或證據(jù)呢？隨之教師繼續(xù)給出一組背景資料：

①查詢物質(zhì)的氧化還原性數(shù)據(jù)可知：2Ag++2I--I2+2Ag。

②其它條件不變時，參與原電池反應的氧化劑（或還原劑）的氧化性（或還原性）越強，原電池的電壓越大。

③離子的氧化性（或還原性）強弱與其濃度有關。

依據(jù)補充資料，進一步啟發(fā)學生思考：Ag+可以氧化I-，能否依據(jù)氧化還原反應的實質(zhì)，將此反應設計成原電池，通過改變物質(zhì)的濃度來改變其氧化（還原）性，進而通過觀測電池兩電極間電壓的變化，說明Agl轉(zhuǎn)化為AgCl呢？隨后小組間圍繞實驗設計展開了激烈地討論、分析和論證，設計出如下圖4所示的實驗裝置及相關實驗步驟。在師生間的對話中，教師重點要求學生闡明“為什么要這樣設計實驗”及“哪些實驗現(xiàn)象能夠支撐所得結(jié)論”，促使學生的思維完整而有序。

相關實驗步驟及原理分析如下：

[步驟1]如圖連接裝置并加入試劑，閉合K，觀察并記錄電壓表讀數(shù)。

[步驟2]向盛有KI溶液的燒杯中不斷滴入AgNO3（aq），至不再產(chǎn)生黃色沉淀為止;由于發(fā)生反應：Ag++I-=Agl↓，導致c（I-）降低，還原性減弱，電壓表讀數(shù)減小。

[步驟3]再向盛有KI溶液的燒杯中加入一定量的NaCl固體，由于增大了溶液中c（Cl-），可使Agl（s）+Cl=AgCl（s）+I-正向移動，導致c（I-）增大，還原性增強，電壓表讀數(shù)增大。

[步驟4]重復步驟1，再向盛有KI溶液的燒杯中加入與步驟3等量的NaCl固體，觀察并記錄電壓表讀數(shù)與步驟1相同，排除了加入的NaCl固體與AgNO3形成原電池對實驗產(chǎn)生的影響。實驗過程中電壓表的讀數(shù)變化如下圖5所示。

據(jù)此，可以通過觀測電壓表讀數(shù)的變化趨勢來證實AgI（s）+Cl-=AgCl（s）+I-沉淀轉(zhuǎn)化的發(fā)生。在本環(huán)節(jié)中，教師也潛移默化地教給學生實驗方案設計的一般思路與方法——先理性分析，明確實驗目的，再設計方案進行實證，最終得出結(jié)論。

4.課堂小結(jié)

本環(huán)節(jié)先由學生自行整理收獲與感悟，教師給予適當點評和補充，也提升了課堂小結(jié)的起點。教師重點圍繞學生在本節(jié)課認識發(fā)展上的提升和探究過程中證據(jù)推理思維模型的構(gòu)建進行課堂小結(jié)。本課時探討物質(zhì)的溶解度大小與沉淀轉(zhuǎn)化方向間的關系問題，基于對沉淀轉(zhuǎn)化一般規(guī)律的認知，圍繞由Agl（s）→AgCl（s）轉(zhuǎn)化這一核心問題開展實驗探究，充分發(fā)揮電化學裝置的實驗研究功能，提升學生對沉淀轉(zhuǎn)化實質(zhì)的認識。課堂教學過程遵從開展科學探究過程的一般思路：從真實情境中確立問題一形成假設、拆解問題一實證法收集證據(jù)、分析問題一獲得結(jié)論，解決問題。在探究中，學生基于資料、數(shù)據(jù)和電化學裝置結(jié)構(gòu)模型進行分析、推理，對假設進行證實或證偽，逐步發(fā)展了學生的證據(jù)意識。

五、素養(yǎng)導向的教學實踐認識與反思

1.精心設計教學環(huán)節(jié)，依托探究活動提升證據(jù)意識

教育家杜威說，探究是“對任何一種信念或假設的知識進行的積極、持續(xù)、審慎的思考”。在課堂教學中，逐步發(fā)展學生的證據(jù)意識，既要讓學生感受理論證據(jù)推導中的科學性，又要讓學生體驗實驗證據(jù)的過程性和復雜性，需要教師精心設計課堂上的學生活動環(huán)節(jié)，堅持以開展科學探究的學習方式發(fā)展學生“證據(jù)推理與模型認知”的學科素養(yǎng)。我們說，化學反應是有一定規(guī)律的，但化學實驗的結(jié)果又具有不確定性。例如在本課時中，學生通過理論計算得出，只需向AgI的懸濁液中加入0.02mol/L的NaCl溶液，即可實現(xiàn)Agl轉(zhuǎn)化為AgCl。但實驗實證卻發(fā)現(xiàn)，即使加入飽和NaCl溶液，也始終未觀察到AgCl白色沉淀的生成。開展教學設計時，教師有意識地設置了這樣的“沖突”環(huán)節(jié)，理論證據(jù)和實驗證據(jù)產(chǎn)生了“矛盾”，探究中獲取的證據(jù)錯了嗎？隨之引發(fā)學生對推理過程的再思考。設置學生分組研討，對探究中的證據(jù)展開多次理性的剖析，層層深入，最終找出問題所在，為后續(xù)進一步提升學生對沉淀轉(zhuǎn)化實質(zhì)的認識打下了堅實的基礎。

2.基于模型揭示變化過程，打通概念原理知識間的聯(lián)系

化學中的模型認知可理解為“利用模型進行思維的一種方法”，即基于一定的感性認識，以理想化的思維方式對看不見的化學原型客體進行近似、簡化的摹寫，以揭示其本質(zhì)和規(guī)律的一種科學抽象方法。電化學原理及其裝置是高中階段學生認識的典型學科模型，學生認識其功能主要有：化學能與電能間的能量轉(zhuǎn)換、應用原電池或電解池原理制備物質(zhì)等。本課時基于原電池裝置開展實驗研究，將試管實驗中不易觀察到的沉淀轉(zhuǎn)化現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為具有說服力的可觀測的電壓數(shù)據(jù)，用電壓數(shù)據(jù)產(chǎn)生的變化揭示化學反應過程，為拓展學生的實驗設計思路提供了新的角度和路徑，并據(jù)此轉(zhuǎn)化為今后研究同類型問題的一般思路與方法。在探究活動中，學生積極、主動參與實驗過程，充分體驗和感悟概念原理知識對實踐的指導價值，承前啟后，在學習過程中收獲成就感。

六、結(jié)束語

總之，證據(jù)推理與模型認知不僅是化學科學發(fā)展的重要元素，也是化學學習中不可或缺的認知能力。這些能力不僅有助于學生深刻理解知識是如何建構(gòu)的，更有利于學生的知識遷移。2017版新課標提出以素養(yǎng)發(fā)展導向的教學，發(fā)展學生的學科核心素養(yǎng)，需要廣大一線教師在每一節(jié)常態(tài)課上扎扎實實地去設計教學，改變以往的教學范式，大跨步地開展學科素養(yǎng)導向下的教學實踐，進行更多有益地探索與嘗試。