莊業(yè)明 趙偉華

通過構(gòu)建思維模型認(rèn)識事物是一種重要的科學(xué)思維方法和認(rèn)知手段，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱2017版課標(biāo)）凝練了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等五個方面的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)體系，要求教師積極開展“素養(yǎng)為本”的課堂教學(xué)實踐，主動探索“素養(yǎng)為本”的有效課堂教學(xué)模式和策略。本文以人教版高中化學(xué)必修1“離子反應(yīng)”教學(xué)為例，談?wù)勅绾瓮ㄟ^構(gòu)建“四重表征”思維模型發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

學(xué)生在學(xué)習(xí)人教版必修1“離子反應(yīng)”的有關(guān)內(nèi)容時，對離子反應(yīng)的實質(zhì)不能做出準(zhǔn)確、完整的陳述，主要表現(xiàn)為化學(xué)基本概念模糊、化學(xué)實驗過程描述不完整、化學(xué)用語使用錯誤、化學(xué)原理理解偏差等。比如，學(xué)生比較容易判斷NaCl在水中電離出Na+和Cl-，AgNO3在水中電離出Ag+和NO3-，也可以準(zhǔn)確預(yù)測出以上反應(yīng)會生成白色沉淀，但對于Ag+和Cl-結(jié)合生成AgCl沉淀的微觀過程表述不清，無法解釋反應(yīng)的實質(zhì)，以至于很難進(jìn)行有效的知識遷移。若不對學(xué)生的能力進(jìn)行有效的評價與診斷，給出有針對性的指導(dǎo)，學(xué)生在以后學(xué)習(xí)人教版選修4“水溶液中的離子平衡”這一內(nèi)容時，就有可能會因為以上知識缺漏，在解答“離子平衡”的綜合問題時出現(xiàn)認(rèn)知困難。

學(xué)生之所以出現(xiàn)上述陳述性表征問題，是因為他們還沒有建立完善的微粒觀，對相關(guān)基本概念理解不深，實驗學(xué)習(xí)只注重實驗結(jié)果、不注重實驗過程，不能將相關(guān)知識儲備轉(zhuǎn)化為有利于解決問題的工具。本文擬利用化學(xué)學(xué)習(xí)的四個層面表征——宏觀現(xiàn)象、微觀解釋、化學(xué)符號、圖像表征，通過“四重表征”融合（如圖1），啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)構(gòu)建思維模型，促進(jìn)其學(xué)科思維的形成與發(fā)展，從中發(fā)展解決相關(guān)問題的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、用開放性問題導(dǎo)入，觸發(fā)學(xué)生的深層思考

課堂教學(xué)中，教師要善于指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用現(xiàn)有知識和學(xué)習(xí)經(jīng)驗解決新問題，可以把學(xué)生提出的實驗方案作為課堂的素材或主線，為“四重表征”思維模型的構(gòu)建做鋪墊。教師可設(shè)置開放性問題，發(fā)散學(xué)生思維，診斷、評價、解決學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)基本概念、化學(xué)原理、化學(xué)實驗等知識時遇到的問題，引導(dǎo)其進(jìn)入深度學(xué)習(xí)。

【實驗設(shè)計】請鑒別用同樣試劑瓶盛裝的NaOH溶液和稀硫酸，完成實驗報告（如表1）。供選試劑：KCl溶液、CuSO4溶液、Na2CO3溶液、Ba（OH）2溶液、石蕊溶液、酚酞溶液。

學(xué)生活動：分組討論→提出不同的實驗方案→動手實驗驗證→觀察實驗現(xiàn)象→得出結(jié)論。

學(xué)生可能提出的實驗方案（如表2）：

二、多角度分析，構(gòu)建“四重表征”思維模型

首先，學(xué)生實際操作自己設(shè)計的實驗并觀察實驗現(xiàn)象;其次，分析溶液混合前后微粒的變化，掌握離子反應(yīng)的判斷和離子方程式的書寫等內(nèi)容;最后，借助圖像表征更直觀地認(rèn)識并掌握離子反應(yīng)的實質(zhì)。通過構(gòu)建“四重表征”思維模型，培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建微觀抽象理論模型的能力。

教師引導(dǎo)，分析建模：以學(xué)生提出的實驗方案4（選擇的試劑：CuSO4溶液）為例，分析離子反應(yīng)的實質(zhì)，研究溶液混合前后試管中微粒的變化情況（如圖2）。

教師啟發(fā)設(shè)問：①溶液混合后出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象是什么？②反應(yīng)的實質(zhì)是什么？③如何用化學(xué)語言表達(dá)？

學(xué)生討論，得出如下結(jié)論。①宏觀現(xiàn)象：產(chǎn)生藍(lán)色沉淀;②微觀解釋：Cu2+和OH-之間按照個數(shù)比1∶2相互結(jié)合生成Cu（OH）2沉淀，Na+、SO42-未參與反應(yīng)，像這種在離子之間進(jìn)行的反應(yīng)稱為離子反應(yīng);③化學(xué)符號：可以用Cu2++2OH-=Cu（OH）2↓表示CuSO4和NaOH發(fā)生反應(yīng)的實質(zhì)，像這種用實際參加反應(yīng)的離子的符號來表示反應(yīng)的式子叫作離子方程式。

師生討論，共同建模：運(yùn)用規(guī)范的化學(xué)用語，對反應(yīng)進(jìn)行微觀解釋（如圖3）。

教師設(shè)疑：該離子反應(yīng)會引起溶液中離子總濃度發(fā)生怎樣的變化？請設(shè)計實驗加以證明。

師生共研，得出如下實驗方案：通過導(dǎo)電性實驗，將離子濃度變化可視化，觀察燈泡亮度、電導(dǎo)率曲線變化趨勢，判斷離子濃度大小。

演示實驗：用裝有0.5mol/L CuSO4溶液的燒杯連接帶有燈泡的導(dǎo)電裝置，同時并聯(lián)電導(dǎo)率傳感器（連接電腦），將0.5mol/L NaOH溶液緩慢加入CuSO4溶液中，直至過量。

學(xué)生活動：做實驗之前，先由學(xué)生預(yù)測實驗現(xiàn)象，并嘗試用筆繪制混合液導(dǎo)電能力的圖像（如圖4）。（提示：溶液中離子濃度越大，導(dǎo)電能力越強(qiáng)，電導(dǎo)率越大）

學(xué)生匯報預(yù)測結(jié)果：燈泡由亮變暗，后又逐漸變亮;電導(dǎo)率變化曲線呈現(xiàn)先逐漸降低后又逐漸升高的趨勢。燈泡由亮變暗、曲線逐漸降低，原因是NaOH與CuSO4發(fā)生反應(yīng)使溶液中離子總濃度減少;燈泡又逐漸變亮、曲線逐漸升高，原因是NaOH溶液過量，發(fā)生電離，使混合液中的離子總濃度增大。

實驗演示，完善模型：展示學(xué)生預(yù)測結(jié)果，并進(jìn)行實驗演示，觀察電導(dǎo)率變化曲線（如圖5）。“四重表征”逐層進(jìn)階，加深學(xué)生對離子反應(yīng)實質(zhì)的理解和掌握，進(jìn)行知識內(nèi)化和遷移。

“四重表征”思維導(dǎo)圖：在構(gòu)建“四重表征”思維模型（如圖6）的過程中，教會學(xué)生構(gòu)建和運(yùn)用思維模型的方法，歸納形成同類型知識的思維導(dǎo)圖，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和科學(xué)探究能力的目的。

三、學(xué)以致用，強(qiáng)化模型，解決問題

通過構(gòu)建思維模型，深化課堂主題，深入挖掘離子反應(yīng)的實質(zhì)，學(xué)生的離子觀得以建立。接下來，教師應(yīng)將本節(jié)重點(diǎn)知識升華，提高學(xué)生應(yīng)用理論知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生掌握“觀察思考→信息加工→總結(jié)歸納→提煉方法”的科學(xué)探究方法。

【模型鞏固訓(xùn)練】請利用本節(jié)所學(xué)離子反應(yīng)原理、離子方程式等知識，運(yùn)用“四重表征”法解題。

【例題】（2016年北京卷）在兩份相同的Ba（OH）2溶液中，分別滴入物質(zhì)的量濃度相等的H2SO4、NaHSO4溶液，其導(dǎo)電能力隨滴入溶液體積變化的曲線如圖7所示。下列分析不正確的是（ ?）。

A.①代表滴加H2SO4溶液的變化曲線

B.b點(diǎn)，溶液中大量存在的離子是Na+、OH-

C.a、d兩點(diǎn)對應(yīng)的溶液均顯中性

D.c點(diǎn)，兩溶液中含有相同物質(zhì)的量的OH-

模型分析（如圖8）：通過兩組實驗的反應(yīng)原理（微觀解釋），寫出反應(yīng)的離子方程式（化學(xué)用語），找到兩組實驗所對應(yīng)的圖像中的曲線（圖像表征），進(jìn)而判斷選項正誤。

選項解析：通過模型透析可知，曲線①代表滴加H2SO4溶液的變化曲線，A選項正確;曲線②中，從反應(yīng)開始到b點(diǎn)，未參加反應(yīng)的離子有Na+、OH-，B選項正確;H2SO4溶液在a點(diǎn)已消耗完原溶液中的OH-，NaHSO4溶液到d點(diǎn)才能消耗完全部的OH-，D選項不正確。因此，本題選D。

離子反應(yīng)是高中化學(xué)最重要的基本理論之一，它與工業(yè)生產(chǎn)、社會生活以及生命活動都密切相關(guān)，我們面臨的諸如環(huán)境污染等社會問題，均可以用離子反應(yīng)知識來解決。本教學(xué)設(shè)計意在引導(dǎo)學(xué)生在實驗探究中完成“四重表征”思維模型的構(gòu)建，既能幫助學(xué)生深刻理解離子反應(yīng)的實質(zhì)，又能幫助學(xué)生解決高考中很多類似的問題，同時還能培養(yǎng)學(xué)生用模型認(rèn)知思想解決身邊化學(xué)問題的能力。（題圖左為莊業(yè)明，右為趙偉華）

注：本文為2017年度廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃A類重點(diǎn)課題“基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)單元設(shè)計的研究”（課題編號2017A003）的階段研究成果。

（責(zé)編 龍 飛）