“離子反應(yīng)”單元教學(xué)中的證據(jù)推理與模型認知

李子容

【摘要】證據(jù)推理與模型認知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，在化學(xué)核心素養(yǎng)形成中具有相互聯(lián)系的樞紐作用。以“離子反應(yīng)”單元教學(xué)為例，提供高中化學(xué)單元教學(xué)中怎樣進行認知建模與模型認知的具體策略與方法，通過教學(xué)實踐展示認知模型在描述、解釋、判斷和預(yù)測等方面的強大功能，且可以推廣到其他知識的單元教學(xué)設(shè)計之中，系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的模型思維素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué);核心素養(yǎng);證據(jù)推理;模型認知;離子反應(yīng)

證據(jù)推理與模型認知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》提出的基本要求包括：知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。并將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)劃分為4個水平層次。

一、離子反應(yīng)單元認知模型的建立

“離子反應(yīng)”是化學(xué)必修（第一冊）中最重要的基礎(chǔ)知識單元教學(xué)之一，它的建構(gòu)對后續(xù)知識的教學(xué)具有系統(tǒng)性和全局性的影響?！半x子反應(yīng)”單元教學(xué)包含電解質(zhì)及其電離和離子反應(yīng)等重要基本概念。所以“離子反應(yīng)”單元認知模型可以概括為一個包含3個要素的關(guān)聯(lián)系統(tǒng)：①電解質(zhì)模型; ②電離模型;③離子反應(yīng)模型。這3個模型相互作用共同構(gòu)成“離子反應(yīng)系統(tǒng)模型”。

電解質(zhì)溶于水電離成為自由移動的離子，因此電解質(zhì)在溶液中的化學(xué)反應(yīng)一定與離子有關(guān)，故離子參加的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)然就是離子反應(yīng)。我們知道化學(xué)反應(yīng)就是化學(xué)變化，而化學(xué)變化就是生成新物質(zhì)的變化，該變化同時常常能夠直接或間接地觀察出來，如溫度變化、顏色改變、生成沉淀、沉淀溶解、生成氣體或生成水等等。這些現(xiàn)象曾經(jīng)被廣泛說成復(fù)分解反應(yīng)發(fā)生的條件，而從模型思維看來卻是電解質(zhì)溶液中發(fā)生了離子反應(yīng)的結(jié)果。

二、模型認知的離子反應(yīng)探究教學(xué)

（一）電解質(zhì)電離的證據(jù)推理與模型認知

1.依據(jù)認知模型的實驗探究

為了讓學(xué)生充分認識電解質(zhì)及其電離的概念與本質(zhì)特征，教學(xué)中依據(jù)電解質(zhì)認知模型設(shè)計探究實驗，進行證據(jù)推理與模型認知訓(xùn)練。分別測定幾種常見化合物：蒸餾水、NaCl、KNO3、蔗糖在干燥固體和水溶液狀態(tài)下的導(dǎo)電性，并隨時記錄實驗現(xiàn)象。然后引導(dǎo)分析歸納：以上化合物在水溶液中通電時能夠使燈泡發(fā)光和電流計指針偏轉(zhuǎn)的NaCl和KNO3是電解質(zhì);蔗糖不是電解質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測：①將NaCl、KNO3、蔗糖固體加熱熔化后的導(dǎo)電情況;②用蒸餾水做導(dǎo)電性實驗，具有什么特殊意義？水是否是電解質(zhì)？

2.依據(jù)認知模型的動畫設(shè)計

如何引導(dǎo)學(xué)生透過宏觀現(xiàn)象探析微觀世界？動畫演示無疑是一種很好的途徑和方法。在以上導(dǎo)電性實驗后，筆者立刻進行動畫演示，讓學(xué)生體驗電解質(zhì)在水溶液中、熔融狀態(tài)下的離子運動及導(dǎo)電的原理，并讓學(xué)生跟著繪圖。結(jié)合動畫演示，引導(dǎo)學(xué)生思考一個日常生活問題：為什么在拔下電源插頭時，要將手上的水擦干？

3.電離的符號表征——電離方程式

結(jié)合NaCl電離動畫圖的演示，用化學(xué)式和離子符號表示NaCl的電離過程：NaCl=Na++ Cl-。然后以此為參考點進行推廣，按由簡到繁的認識順序，分別寫出NaOH和H2SO4的電離方程式。從而實現(xiàn)了電解質(zhì)電離微觀過程的化學(xué)符號表征。

（二）離子反應(yīng)中的證據(jù)推理與模型認知

1.依據(jù)認知模型的實驗探究

為了讓學(xué)生充分認識常見電解質(zhì)在水溶液中發(fā)生復(fù)分解型離子反應(yīng)的本質(zhì)，筆者以離子反應(yīng)認知模型思維為依據(jù)，設(shè)計了4組實驗引導(dǎo)學(xué)生進行證據(jù)推理。探究實驗過程記錄與初步結(jié)論列表1。

然后，依據(jù)電解質(zhì)認知模型系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生分析各組溶液混合后的現(xiàn)象。實驗①②③出現(xiàn)了新現(xiàn)象，必然發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。因為反應(yīng)物都是電解質(zhì)，電解質(zhì)必然電離，故電解質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)就是離子反應(yīng)。引導(dǎo)學(xué)生運用認知模型思考一個重要問題：離子反應(yīng)發(fā)生的標志是什么？

2.依據(jù)認知模型的動畫設(shè)計

以BaCl2和Na2SO4溶液混合的離子反應(yīng)為例。學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過靜電作用原理，根據(jù)靜電作用原理進行異性電荷離子間的排列組合，可將自由移動離子Ba2+、2Cl-、2Na+、SO42-分為相互吸引的4組。據(jù)此制作離子相互碰撞的動畫演示，這4組離子中只有一組離子碰撞后生成沉淀。通過基于認知模型的離子反應(yīng)動畫演示，順利幫助學(xué)生認識兩種 電解質(zhì)溶液混合

后離子間的行為過程，讓學(xué)生生動、形象、充分地理解離子反應(yīng)的本質(zhì)。如圖1所示。

3.離子反應(yīng)的表征——離子方程式

結(jié)合剛才的離子反應(yīng)動畫演示，引導(dǎo)學(xué)生使用化學(xué)式和離子符號表示BaSO4沉淀的生成過程：Ba2++SO42-=BaSO4，類似這樣的離子反應(yīng)的符號表征叫做離子方程式。

（三）模型認知下離子反應(yīng)方程式的書寫——條件反

射法

仍然以BaCl2溶液和Na2SO4溶液混合后的反應(yīng)為例。

通過電解質(zhì)系統(tǒng)模型的認知學(xué)習(xí)過程，使“生成新物質(zhì)”這個刺激與“離子反應(yīng)”之間建立起一種緊密的聯(lián)系。即不同電解質(zhì)溶液混合時，一旦出現(xiàn)新的實驗現(xiàn)象，必有新的物質(zhì)生成，必有對應(yīng)的離子反應(yīng)發(fā)生。條件反應(yīng)法的應(yīng)用程序為：看見有新物質(zhì)生成→有離子反應(yīng)發(fā)生→書寫離子方程式。例如：BaCl2和Na2SO4溶液相互混合后，看到有BaSO4沉淀生成，通過條件反射立即想到發(fā)生了離子反應(yīng)，BaSO4沉淀的對應(yīng)離子是Ba2+和SO42-，立刻寫出離子方程式：Ba2++SO42-=BaSO4↓。運用條件反射法書寫離子反應(yīng)方程式，可以直接從反應(yīng)現(xiàn)象入手，簡化離子方程式的寫法，直擊離子反應(yīng)的本質(zhì)。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生記住常見的“幾種難溶物”（參考普通高中教科書“附錄Ⅳ），一旦看到對應(yīng)的離子組，立即聯(lián)想到可發(fā)生離子反應(yīng)，即可直接寫出離子方程式。從而省略了通過書寫化學(xué)方程式再進行刪除的許多麻煩。

“條件反射法”不僅僅適合于沉淀型離子反應(yīng)。如HCl和Na2CO3溶液的反應(yīng)，首先觀察到產(chǎn)生大量氣泡現(xiàn)象，立刻聯(lián)想到這里只有H+與CO32-之間發(fā)生反應(yīng)才能生成CO2氣體，于是寫出離子方程式：2H++CO32-=H2O+CO2↑。又如，常常遇到同一溶液中多種離子能否共存的問題，都可以運用“條件反射法”做出科學(xué)、準確和快捷的判斷。

三、引導(dǎo)體驗認知模型的預(yù)測功能

（一）依據(jù)離子反應(yīng)系統(tǒng)模型進行預(yù)測訓(xùn)練

通過證據(jù)推理與模型認知的基本訓(xùn)練，現(xiàn)在引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)認知模型進行預(yù)測與判斷（證據(jù)推理）的總結(jié)性練習(xí)，進一步內(nèi)化模型認知核心素養(yǎng)。

（1）實驗表明HCl、H2SO4、NaOH、Ca（OH）2、NaCl、KNO3等化合物的水溶液都可以導(dǎo)電。請運用相關(guān)模型預(yù)測其中蘊含哪些規(guī)律？（提示：這些化合物都屬于哪類物質(zhì)？根據(jù)電離出的陰、陽離子的特點，這些化合物又可以分成幾類？從中可以得到什么規(guī)律？）

（2）運用相關(guān)模型預(yù)測，影響電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的因素有哪些？引導(dǎo)學(xué)生的過程中可以適當(dāng)?shù)慕o出一些數(shù)據(jù)證明預(yù)測，見表2。

（3）有人認為強酸電離出來的H+與強堿電離出來的OH-反應(yīng)生成水：H++OH-=H2O，是中和反應(yīng)的實質(zhì)。請設(shè)計實驗進行分析推理，證實或證偽這個假設(shè)。

（二）依據(jù)離子反應(yīng)系統(tǒng)模型預(yù)測應(yīng)用前景

構(gòu)建了離子反應(yīng)系統(tǒng)模型之后，為了讓學(xué)生增強知識應(yīng)用能力，增強學(xué)生分析問題以及解釋能力，深刻體會離子反應(yīng)在生活生產(chǎn)中的重要意義。筆者給出以下的實例：定期去除鍋爐水垢 （主要成分是CaSO4），可以節(jié)約能源和消除安全隱患。處理方法是首先加入Na2CO3溶液，使鍋爐水垢完全轉(zhuǎn)化為CaCO3;然后再加入鹽酸清洗。引導(dǎo)學(xué)生將離子反應(yīng)系統(tǒng)模型拓展至應(yīng)用領(lǐng)域：離子反應(yīng)在物質(zhì)的制備、分離、提純和鑒定等方面均有非常廣泛的應(yīng)用。另外在環(huán)境保護領(lǐng)域如消除水污染方面，離子反應(yīng)也不可缺少。例如上述的“條件反射法”不僅可以幫助快速書寫離子方程式，而且有助于學(xué)生快速掌握離子檢驗和分離提純的方法。

總之，化學(xué)教學(xué)實踐中對模型認知與證據(jù)推理等化學(xué)核心素養(yǎng)觀進行有機、主動的滲透，就猶如春風(fēng)化雨，潤物無聲。

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