初、高中化學(xué)“水溶液”主題內(nèi)容的銜接性教學(xué)研究

武衍杰 宮琦 王春姣

摘要： 以“水溶液”主題內(nèi)容為研究對象，參照初、高中新課標要求和教科書編排分析該主題在初、高中的銜接特點?；诔?、高中“水溶液”主題的連貫性和發(fā)展性特點及主題內(nèi)容結(jié)構(gòu)，選取“侯氏制堿法”為主題情境，設(shè)計初、高中貫通的“水溶液”主題銜接性教學(xué)，以促進學(xué)生在不同學(xué)段對“水溶液”主題認識角度的豐富和發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 水溶液； 初、高中化學(xué)； 銜接教學(xué)； 教學(xué)研究

文章編號： 10056629（2023）05004807

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

義務(wù)教育和高中化學(xué)課程標準的頒布（以下簡稱初、高中新課標），標志著基礎(chǔ)化學(xué)教育正式進入核心素養(yǎng)時代。盡管初、高中新課標對學(xué)科核心素養(yǎng)的呈現(xiàn)表現(xiàn)出連貫性，但初、高中課程性質(zhì)、課程目標、課程評價、學(xué)生認知等大不相同，致使初、高中化學(xué)課程的實施具有明顯差異。因此，新課標時代如何進行銜接性教學(xué)便成為亟需研究的問題，包括新課標、教科書等對具體內(nèi)容主題呈現(xiàn)的銜接性如何，基于主題的初、高中銜接性教學(xué)如何開展等。本文以“水溶液”主題為例，分析其在新課標和教科書中不同學(xué)段呈現(xiàn)的特點并開發(fā)主題情境，嘗試設(shè)計初、高中貫通的“水溶液”主題教學(xué)。

1 “水溶液”主題內(nèi)容在初、高中新課標中的銜接方式特點

“水溶液”主題作為初、高中化學(xué)教學(xué)的核心內(nèi)容，承載著培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”的學(xué)科核心素養(yǎng)價值。通過對初、高中新課標中有關(guān)“水溶液”主題的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求（見表1）的分析，有利于把握“水溶液”主題在不同學(xué)段認識視角和認識深度的發(fā)展進階要求，對開展“水溶液”主題的初、高中銜接教學(xué)具有指導(dǎo)作用。

通過表1分析發(fā)現(xiàn)，新課標對“水溶液”主題內(nèi)容的教學(xué)要求具有鮮明的進階性和連貫性，初、高中對“水溶液”的認識均包括定性和定量兩個水平，均圍繞“組成”和“限度”兩個學(xué)科大概念建構(gòu)對“水溶液”的定性和定量認識，具體概念層級結(jié)構(gòu)如圖1?；趦?nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，初中段主要是從宏觀物質(zhì)層面認識水溶液的組成及溶質(zhì)的溶解限度，高中必修段認識視角轉(zhuǎn)變?yōu)榛陔婋x從微觀粒子視角認識水溶液的組成及微觀粒子在水溶液中的相互作用，而到了高中選擇性必修段對水溶液組成的認識進一步進階為基于平衡關(guān)系全面認識水溶液中微觀粒子的種類和數(shù)量，并能基于平衡常數(shù)這一工具從限度視角定量認識微粒間的相互作用。即初、高中對水溶液認識的三級水平可簡要概括為：關(guān)注物質(zhì)→關(guān)注微粒及微粒間作用→關(guān)注微粒間平衡關(guān)系，把握認識視角的轉(zhuǎn)變和認識深度的發(fā)展是開展初、高中貫通的銜接性教學(xué)的基礎(chǔ)。

2 “水溶液”主題內(nèi)容在教科書中的銜接方式特點

以人教版初、高中化學(xué)教科書為例，分析“水溶液”內(nèi)容在不同階段的分布（見表2）及呈現(xiàn)特點，總結(jié)不同階段“水溶液”知識間的聯(lián)系。

由表2可知，初、高中段都是將“水溶液”主題內(nèi)容集中編排在同一學(xué)段的同一單元或章節(jié)?！叭芤骸薄拔镔|(zhì)及其變化”“水溶液中的離子反應(yīng)及平衡”三個單元/章標題緊緊圍繞“物質(zhì)在水溶液中的行為和狀態(tài)”展開敘述，在不斷豐富水溶液認識角度的過程中建構(gòu)“組成”和“限度”學(xué)科大概念。如初中段從溶解的視角以氯化鈉等溶液的形成為載體認識溶液是由溶質(zhì)和溶劑組成的，以氯化鈉能否無限制溶解在水中為進階問題，認識溶解的限度（溶解度），最后在定量層面用質(zhì)量分數(shù)對溶液濃度進行表征；高中必修段從微觀視角以氯化鈉在水溶液中電離的微觀過程為載體認識電解質(zhì)溶液的組成，并能基于離子間的相互作用認識微粒在水溶液中的行為，從而對初中復(fù)分解反應(yīng)進行再認識；高中選擇性必修段則進一步基于反應(yīng)和平衡的視角認識水溶液中存在的弱電解質(zhì)電離平衡、鹽類水解平衡、難溶電解質(zhì)沉淀溶解平衡等，對離子反應(yīng)的認識從復(fù)分解型擴大到酸堿、沉淀、氧化還原等多類，對電離的認識也從強電解質(zhì)的完全電離進階到弱電解質(zhì)的電離存在限度，并能通過平衡常數(shù)K定量表征電離、水解、沉淀溶解平衡等的限度。三個學(xué)段教科書在編排過程中除了關(guān)注認識視角的不斷豐富和大概念的建構(gòu)外，還注意了前后之間的聯(lián)系。如認識溶解（見圖2），初中段主要是從物質(zhì)水平認識溶解的現(xiàn)象，而高中必修段對物質(zhì)溶解過程的認識上升到微觀電離水平，到了高中選擇性必修段對電離的認識進一步深化，用微觀示意圖表征了弱電解質(zhì)電離的動態(tài)平衡?？梢娊炭茣鴮ξ镔|(zhì)在水溶液中行為的認識逐步加深，從宏觀物質(zhì)水平上升到微觀、動態(tài)平衡水平，將新內(nèi)容建立在學(xué)生已有知識之上，體現(xiàn)了初、高中知識間的銜接。

基于上述分析，將“水溶液”相關(guān)的認識角度外顯、核心概念結(jié)構(gòu)化，形成圖3的主題內(nèi)容結(jié)構(gòu)，進一步指導(dǎo)初、高中銜接性教學(xué)的開展。

3 “水溶液”主題內(nèi)容的初、高中銜接性教學(xué)

3.1 主題教學(xué)情境

選取“侯氏制堿法”為主題教學(xué)情境，設(shè)計初、高中貫通的銜接性教學(xué)。“侯氏制堿法”是我國民族工業(yè)的驕傲，初、高中化學(xué)教材都有呈現(xiàn)，內(nèi)容既關(guān)注情感維度的民族精神，又挖掘了認知維度的學(xué)科原理，具有多維教學(xué)價值。三個學(xué)段對情境的運用如圖4所示，促進學(xué)生對“水溶液”主題認識的三級進階。

3.2 教學(xué)目標

基于“水溶液”主題認識要求制定如表3所示的教學(xué)目標。需注意由于實施初、高中貫通的銜接性教學(xué)，教學(xué)中基于情境載體和學(xué)生水平（廈門市某校初中和高中實驗班學(xué)生進行教學(xué)實施）對新課標中的學(xué)段要求進行了融合處理，特別是在設(shè)計高中必修段教學(xué)時將教科書［6］拓展視野部分“弱電解質(zhì)”內(nèi)容融合進了此課時，使用時可根據(jù)學(xué)校實際靈活處理。

3.3 教學(xué)流程

結(jié)合圖5兩種制堿工藝，設(shè)計如表4所示的教學(xué)流程。

3.4 教學(xué)實施

教學(xué)流程中初中段教學(xué)對應(yīng)“溶液”主題復(fù)習(xí)課，高中必修段教學(xué)對應(yīng)“電解質(zhì)的電離”新授課，選擇性必修段教學(xué)對應(yīng)“水溶液中的離子平衡”復(fù)習(xí)課。由于篇幅所限，僅以初中段任務(wù)2、高中必修段和選擇性必修段任務(wù)3為例呈現(xiàn)教學(xué)實施情況，這三個任務(wù)是對同一問題在不同視角和水平的認識，是促進學(xué)生認識角度建立、鞏固的核心環(huán)節(jié)。

3.4.1 基于物質(zhì)溶解度視角分析NaHCO3的析出原理和工藝條件

［教師提問］通過對“侯氏制堿工藝”在物質(zhì)轉(zhuǎn)化層面的分析，知道了“吸氨”“碳酸化”兩步操作可生成NaHCO3，思考還可能生成什么？

［學(xué)生］從元素守恒角度分析CO2、 NH3、 H2O和NaCl反應(yīng)，還可能生成NH4Cl或NH4HCO3（引導(dǎo)學(xué)生類比過量CO2與澄清石灰水的反應(yīng)，明確CO2過量時生成碳酸氫鹽）。

［教師追問］NH4Cl、 NH4HCO3和NaHCO3都屬于可溶性鹽，為什么析出NaHCO3固體，而NH4Cl、 NH4HCO3未析出？

［學(xué)生］有可能是相同條件下三者在水中的溶解度不同。

［教師］提供表5溶解度數(shù)據(jù)。

［學(xué)生］在相同溫度下NaHCO3溶解度最小，當生成NaHCO3的量超過了其在特定溫度下的溶解度時就會有固體析出，而此條件下未達到其他幾種物質(zhì)的溶解度，因此NH4Cl和NH4HCO3未析出。

［教師］根據(jù)表5繪制出NaCl和NaHCO3溶解度曲線，分析如何控制條件，提高NaHCO3的產(chǎn)量？

［學(xué)生］基于繪制的溶解度曲線，學(xué)生直觀認識到NaHCO3的溶解度受溫度影響程度遠超NaCl，因此部分學(xué)生認為直接采取降溫的方法以使更多的NaHCO3結(jié)晶；但也有學(xué)生提出如果先蒸發(fā)一部分溶劑，獲得NaHCO3飽和溶液，再降溫結(jié)晶能進一步提高產(chǎn)量。（注：雖然學(xué)生不知道加熱蒸發(fā)溶劑會使NaHCO3部分分解，但是學(xué)生頭腦中已經(jīng)初步對“不飽和溶液飽和溶液結(jié)晶”之間建立了聯(lián)系，這正是本節(jié)課的核心目標。）

［教師梳理］“不飽和溶液飽和溶液結(jié)晶”間的轉(zhuǎn)化關(guān)系（見圖6），實現(xiàn)知識結(jié)構(gòu)化［8］。

3.4.2 基于電離視角分析NaHCO3、 NH4Cl等物質(zhì)的析出

［教師提問］從電離角度分析“吸氨”和“碳酸化”（通入過量CO2）兩步操作后體系中HCO-3大幅增加的原因。

［學(xué)生］NH3、 CO2溶于水后溶質(zhì)分別為NH3·H2O和H2CO3，則體系中存在弱電解質(zhì)NH3·H2O、 H2CO3的電離，電離出的H+和OH-反應(yīng)，使得體系中剩余HCO-3和NH+4。

［教師補充］正是由于電離出的H+和OH-反應(yīng)生成水，使得作為弱電解質(zhì)的NH3·H2O、 H2CO3的電離程度大大增加，從而大大增加了HCO-3的量。

［學(xué)生］這也解釋了足量CO2和NH3的反應(yīng)產(chǎn)物為什么是NH4HCO3（NH3+CO2+H2ONH4HCO3）。

［教師追問］從電離的角度分析“碳酸化”后體系的組成。

［學(xué)生］反應(yīng)后，溶質(zhì)為NaCl、 NH4HCO3，強電解質(zhì)完全電離，體系中大量存在Na+、 Cl-、 NH+4、 HCO-3。

［教師］提供表5數(shù)據(jù)，如何從離子的角度解釋NaHCO3的析出？

［學(xué)生］工藝以飽和食鹽水為原料，存在大量Na+，隨著反應(yīng)的進行，體系中HCO-3不斷增加，根據(jù)溶解度數(shù)據(jù)，相同條件下NaHCO3溶解度最小，因此只要Na+和HCO-3的濃度達到NaHCO3的溶解度，就會有固體析出。此外生產(chǎn)過程中只要不斷加入NaCl并通入NH3和CO2就能持續(xù)獲得產(chǎn)品。

［教師追問］大家是否同意“不斷加入NaCl并通入NH3和CO2就能持續(xù)獲得產(chǎn)品”的說法？

［學(xué)生］伴隨NaCl、 NH3、 CO2不斷加入，體系中Cl-和NH+4也會增加，如果不及時降低NH+4和Cl-濃度，NH4Cl、 NH4HCO3等也會析出。

［教師］那如何降低NH+4和Cl-的濃度？

［學(xué)生］由于NH4Cl溶解度受溫度影響大，可采用降溫結(jié)晶的方法，析出的NH4Cl還可用作氮肥，并且濾液中剩余的Na+、 Cl-還可循環(huán)利用。［注：學(xué)生通過NaHCO3、 NH4Cl析出的問題初步建立了分析水溶液體系的思路（電解質(zhì)電離離子反應(yīng)）；此外雖然學(xué)生這時缺乏平衡知識，不能真正認識“侯氏制堿工藝”的循環(huán)原理，但依賴這種簡單處理，學(xué)生神奇地發(fā)現(xiàn)實際工業(yè)流程和自己的循環(huán)思路基本一致，成就感油然而生。］

3.4.3 基于平衡移動視角分析如何實現(xiàn)“母液”循環(huán)

［教師提問］“索爾維工藝”的最大缺點是Na+利用率低，并且合成氨工業(yè)的發(fā)展也使NH3循環(huán)的價值大大降低。為了中國民族工業(yè)的發(fā)展，愛國主義情懷驅(qū)動了侯德榜對這一工藝的革新。思考能否直接將“母液”循環(huán)？

［學(xué)生］母液中含有較高濃度的NH+4和Cl-，一方面根據(jù)“KQ關(guān)系”，體系中存在NaCl（s）Na+（aq）+Cl-（aq）平衡，高濃度Cl-不利于Na+濃度再增加；另一方面也會造成產(chǎn)品含大量雜質(zhì)。

［教師］提供表5數(shù)據(jù)，如何減小Cl-濃度，增大Na+濃度？

［學(xué)生1］降溫結(jié)晶析出NH4Cl。

［學(xué)生2］不行，循環(huán)的目的是為了減少Na、 C元素的損失，如果直接降溫結(jié)晶通過表5數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)還可能會析出NH4HCO3和NaHCO3。

［教師］能否從平衡移動視角分析“侯氏制堿工藝（圖5b）”中“母液I”→“母液Ⅱ”的循環(huán)原理？

［學(xué)生討論匯報］基于平衡移動視角分析離子濃度和種類變化（見圖7）。最終從“母液I”→“母液Ⅱ”，Na+濃度增加、Cl-濃度降低，HCO-3轉(zhuǎn)化為CO2-3，實現(xiàn)Na元素和C元素的循環(huán)利用，還能獲得大量氮肥。（注：此任務(wù)是在動態(tài)平衡水平上的系統(tǒng)綜合分析，需要關(guān)聯(lián)體系中多個反應(yīng)，此任務(wù)除能幫助學(xué)生在原理水平上真正認識“侯氏制堿工藝”的創(chuàng)新性，還幫助學(xué)生建構(gòu)了復(fù)雜水溶液體系分析的一般思路。此任務(wù)后，學(xué)生在課堂上自發(fā)地對侯德榜創(chuàng)新性的平衡思想豎起大拇指，潛移默化地培養(yǎng)了科學(xué)精神。）

參考文獻：

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