鄭國雄

摘 要 單元教學(xué)設(shè)計應(yīng)該以提升素養(yǎng)為終極目標(biāo)，準(zhǔn)確刻畫認(rèn)知的“階”，掌握學(xué)生已有的經(jīng)驗和認(rèn)知水平，描述學(xué)生預(yù)期達到的中間水平，在障礙點幫助學(xué)生及時修正與強化。通過層級清晰的問題情境來激疑啟迪，外顯學(xué)生認(rèn)知過程，引導(dǎo)學(xué)生進行體驗式和研究性學(xué)習(xí)，注重探究知識本原，實現(xiàn)“擴展認(rèn)知對象和視角，讓認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化，從經(jīng)驗定性思維走向模型、定量、圖像思維，達成提升學(xué)生認(rèn)知水平”的單元教學(xué)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞 高中化學(xué) 認(rèn)知進階 沉淀溶解平衡 單元教學(xué)設(shè)計

學(xué)習(xí)是一個訓(xùn)練思維、擴展認(rèn)識對象和視角的過程。學(xué)習(xí)進階是用來描述學(xué)生對某一領(lǐng)域知識不斷復(fù)雜化的學(xué)習(xí)過程的假設(shè)模型，學(xué)習(xí)水平高度存在上下限，根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)劃分不同成就水平[1]。在素養(yǎng)教學(xué)背景下，單元教學(xué)設(shè)計應(yīng)該圍繞核心概念，以提升素養(yǎng)為總目標(biāo)，規(guī)劃與優(yōu)化認(rèn)知的“階”，了解學(xué)生的不同基礎(chǔ)和認(rèn)知能力水平，對中間水平進行深刻描述，在符合學(xué)生的認(rèn)知水平和規(guī)律的基礎(chǔ)上，在相應(yīng)時間節(jié)點給予學(xué)生支持與幫助。單元教學(xué)設(shè)計就是從一章或者一個單元的角度出發(fā)，根據(jù)知識點的需要，綜合利用各種教學(xué)形式和教學(xué)策略，對教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容、方法、步驟等進行整體的綜合設(shè)計，通過一個階段的學(xué)習(xí)，讓學(xué)習(xí)者完成對一個相對完整的知識單元的學(xué)習(xí)。

一、“沉淀溶解平衡”的認(rèn)知進階分析

《化學(xué)反應(yīng)原理》中的“沉淀溶解平衡”是在學(xué)習(xí)“化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡”之后。學(xué)生通過前面的學(xué)習(xí)，已積累了對平衡概念的基本認(rèn)知，但是對平衡相關(guān)知識的掌握程度仍存在差異?！俺恋砣芙馄胶狻痹诠I(yè)除雜等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，許多學(xué)生在此之前只會定性理解。作為“離子平衡”的結(jié)束篇，它承載了提升學(xué)生對離子反應(yīng)整體認(rèn)識的任務(wù)。針對這些實際情況，筆者認(rèn)為，通過學(xué)案導(dǎo)學(xué)及遞進式的問題情境激疑深究，引導(dǎo)學(xué)生進行體驗式及研究式學(xué)習(xí)，外顯學(xué)生的認(rèn)知過程，在障礙點幫助學(xué)生及時反饋、反思、修正與強化，不斷擴展認(rèn)知領(lǐng)域，豐富認(rèn)知角度和結(jié)構(gòu)，構(gòu)建新認(rèn)知和新觀念，實現(xiàn)認(rèn)知“從事實到方法，從經(jīng)驗到理論，從定性到定量，從孤立到系統(tǒng)”等[2]的轉(zhuǎn)變，感悟?qū)W科的本質(zhì)與價值，以提升學(xué)科素養(yǎng)。

二、案例研究

“沉淀溶解平衡”也是一種化學(xué)平衡，但是又不同于其他化學(xué)平衡，它是一種異相平衡，難溶電解質(zhì)固體濃度視為常數(shù);相同點，它們都遵循平衡的建立和移動原理。

（一）從經(jīng)驗走向理論，實現(xiàn)認(rèn)知理解本原化

“沉淀溶解平衡”需要融入化學(xué)平衡這一核心概念，應(yīng)用平衡移動原理的知識，豐富學(xué)生對平衡體系的認(rèn)知，可以將它與其他化學(xué)平衡進行辨析比較（如表1），幫助學(xué)生進一步認(rèn)識沉淀溶解平衡的內(nèi)涵。

表1 沉淀溶解平衡與弱電解質(zhì)電離平衡的比較

[平衡類別 電離平衡 沉淀溶解平衡 表達式（舉例） H2O [] H+ + OH- AmBn（s） [] mAn+（aq） + nBm-（aq） 物質(zhì)類別 弱電解質(zhì) 難（微）溶，強、弱電解質(zhì)都可 溶液特征 稀溶液 飽和溶液 平衡特征 逆、等、動、定、變、Qc=Kw 逆、等、動、定、變、Qc=Ksp ]

溶度積常數(shù)的表達、意義、應(yīng)用是本單元教學(xué)的重點，同時概念的理解存在“經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合”五個發(fā)展水平[3-4]。例如，溶解平衡與電離平衡也有關(guān)聯(lián)點，難溶弱電解質(zhì)的溶解平衡實際上存在兩個過程，溶解與電離：Fe（OH）3（s）[]Fe（OH）3（aq）[]Fe3+（aq）+ 3OH-（aq），但是一般只表示出總的平衡。除了聯(lián)系電離平衡，還可以引導(dǎo)學(xué)生對其他相關(guān)概念進行比較、關(guān)聯(lián)、整合（如圖1所示）：

通過構(gòu)建概念網(wǎng)絡(luò)圖，對溶度積與其他平衡常數(shù)、溶解度概念的辨析，讓學(xué)生深刻理解“沉淀溶解平衡”概念的本原，即內(nèi)涵、本質(zhì)、規(guī)律，認(rèn)識到沉淀溶解平衡的本質(zhì)也是化學(xué)平衡，有可逆性、條件性、可移動性、宏觀靜止與微觀動態(tài)等特點，達到定量思維水平。

（二）從繁雜走向模型，使認(rèn)知思路結(jié)構(gòu)化

例1 侯氏制堿中為什么要先通氨氣后通CO2？這一問題的解決，需要學(xué)生知道溶解度的差異（見表2）及應(yīng)用、離子交換反應(yīng)的內(nèi)在條件、碳酸的電離過程及平衡移動原理。

通過分析，要生成碳酸氫鈉沉淀，需要在飽和食鹽水中先通入氨氣的原因：一是增大二氧化碳的溶解量，二是使碳酸更多電離出HCO3-。在這一過程中，學(xué)生會突破原來的思維誤區(qū)——認(rèn)為H2CO3與[CO2-3]、[HCO-3]之間沒有本質(zhì)區(qū)別，能正確理解3種微粒之間的區(qū)別，在不同的pH環(huán)境中，其存在的主要形式是不同的。

表3中4種解決問題的方式體現(xiàn)了從定性走向定量，也是更科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S。不囿于記住一些過度歸納的結(jié)論——“酸與鹽反應(yīng)，一定是較強酸制較弱酸”，事實就有反例：Cu2++H2S[]CuS（s）+2H+ K = [[Ka1]·[Ka2]（H2S）] / Ksp（CuS） ≈ 7.7 × 1016。所以不能以一概全，事物往往受多因素影響，當(dāng)生成的沉淀極難溶時，弱酸也可以制得強酸。用定量思維、數(shù)學(xué)模型認(rèn)識離子反應(yīng)的方向，可以使學(xué)生對反應(yīng)的理解更深刻，也能想到其可以用于創(chuàng)造新的反應(yīng)。

（三）從孤立走向系統(tǒng)，豐富認(rèn)識視角

沉淀反應(yīng)是離子交換中的一種反應(yīng)，不僅要對它分類分析（如表4），也要將它放在無機反應(yīng)整體中進行比較分析。

方法：①加沉淀劑;②生成難溶的氫氧化物、弱酸鹽可調(diào)控pH 條件：Qc

方法：①可加入酸或堿或鹽，通過復(fù)分解反應(yīng)、水解反應(yīng)生成弱電解質(zhì);②利用氧化還原反應(yīng)，改變離子中的元素化合價;③加入配位劑，生成難電離的穩(wěn)定配合物 對于同類難溶物質(zhì)且離子濃度相同時，可直接由其Ksp的大小進行判斷，Ksp小的先沉淀。濃度不同或不同類型時不能直接由Ksp的大小判斷，需根據(jù)溶度積規(guī)則進行計算判斷 ML（s）+N-（aq）[]MN（s）+L（aq）轉(zhuǎn)化條件：Ksp（MN）比Ksp（ML）小或相差不大。一種沉淀生成以后，轉(zhuǎn)化為另一種比其更難溶的沉淀是容易實現(xiàn)的，但是同類型的沉淀，由Ksp小的變成Ksp大的也不是不可能 ]

以上分析使用溶度積規(guī)則，為學(xué)生理解沉淀反應(yīng)規(guī)律提供了一個模型，即找到相應(yīng)平衡，計算Ksp或K，使用平衡移動原理，解釋反應(yīng)的方向。

圖2是筆者在教學(xué)中以“陽離子與陰離子是如何‘對話”為話題做的總結(jié)。

當(dāng)然，實際反應(yīng)也與離子存在的pH環(huán)境有關(guān)。部分學(xué)生由于缺少融會貫通的能力，誤認(rèn)為化學(xué)反應(yīng)沒有規(guī)律可言。教師可以在學(xué)習(xí)“離子平衡”的結(jié)束篇時改變這一局面，使學(xué)生真正理解化學(xué)反應(yīng)是“有理可循”的，如反應(yīng)方向判斷可以依據(jù)焓減或熵增，離子交換反應(yīng)及氧化還原反應(yīng)也是遵循這一規(guī)律（見表5）。

通過概念的集結(jié)，建構(gòu)完整的概念結(jié)構(gòu)圖，使學(xué)生能夠系統(tǒng)把握無機物的化學(xué)性質(zhì)，學(xué)會從物質(zhì)分類、從價態(tài)、從反應(yīng)類型及其規(guī)律或物質(zhì)結(jié)構(gòu)等方面具體問題具體分析。這樣，學(xué)生對無機反應(yīng)的認(rèn)識就有了整體的框架，避免死記硬背零散的事實性知識。

（四）從定性走向定量，使認(rèn)知路徑顯性化

例2 再如，從自然的重晶石（主要成分是硫酸鋇，含雜質(zhì)）如何制得鋇餐？25 ℃時，Ksp[BaSO4] = 1.1×10-10，Ksp[BaCO3] = 2.6×10-9。通過計算，BaSO4（s）+CO32-[]BaCO3（s）+SO42-? K = Ksp[BaSO4]/Ksp[BaCO3] = 1/24。雖然值小于1，但并非很小，所以要控制條件，讓[QC24Ksp1/2[BaSO4]即可。

分析這些典例的目的就是要讓學(xué)生意識到，這就是定量的科學(xué)思維，也是證據(jù)在“說話”，樹立證據(jù)意識，基于證據(jù)推理，從對平衡常數(shù)數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)識到物質(zhì)的共性與個性、反應(yīng)的規(guī)律及其本質(zhì)。

（五）具象與抽象相互轉(zhuǎn)化，感悟?qū)W科本質(zhì)

化學(xué)三維表征有“宏觀辨識—微觀本質(zhì)—符號表達”，所以化學(xué)學(xué)習(xí)可以符號化，用公式、示意圖、數(shù)學(xué)模型等來表達，用數(shù)據(jù)、圖像等來說明解釋，實現(xiàn)具象與抽象的相互轉(zhuǎn)化，從化學(xué)事實中提取出本質(zhì)特征，建構(gòu)思維模型，理解學(xué)科本質(zhì)（如表7）。

通過圖像分析，可以從更為抽象和綜合的角度去分析反應(yīng)的過程，也可適時引導(dǎo)激發(fā)學(xué)生去深究圖像的內(nèi)涵和意義。如圖5和圖6為什么有諸多相似之處？是因為無論是Kw還是Ksp都是只有分母沒有分子，所以兩種離子濃度呈現(xiàn)“此消彼長、此長彼伏”;pH與pAg都出現(xiàn)“首尾平緩、中間突躍”，因為中間階段都是由c（OH-）或c（Cl-）微小的變化導(dǎo)致c（H+）與c（Ag+）微小的變化，卻引起pH與pAg的“巨大”變化，這就是突躍;而首尾的情況是c（OH-）或c（Cl-）微小的變化，不會導(dǎo)致c（H+）與c（Ag+）產(chǎn)生數(shù)量級的變化，所以pH與pAg也只能是微小的變化。應(yīng)用數(shù)據(jù)模型建構(gòu)認(rèn)知，借助沉淀溶解平衡圖像進行表征分析，數(shù)形結(jié)合，有利于錘煉抽象思維、綜合思維，在圖像分析中深刻理解過程與平衡、平衡建立與移動等關(guān)系。

圖4 AgCl飽和溶液 溶度積常數(shù)中兩種離子濃度是“此消彼長、此長彼伏”，既對立又統(tǒng)一，可以轉(zhuǎn)化為一個反函數(shù)圖像（圖3），也可以轉(zhuǎn)化為pM與pA關(guān)系圖（圖4），pM+pA=pKsp，直線斜率為-1，截距為 pKsp，圖像既簡潔又對稱

圖5 向鹽酸溶液中逐滴加入NaOH溶液時，溶液的pH隨著加入NaOH溶液的體積而變化

圖6 向AgNO3溶液中逐滴加入NaCl溶液時，溶液的pAg隨著加入NaCl溶液的體積而變化的圖像如圖（實線） 解析圖像，明確起點和突躍點意義，對于突躍點，要明確雖是少量的銀離子變化卻引起pAg的大變化，道理如同強酸與強堿滴定反應(yīng)，pH一般在4～10區(qū)間有突躍，也是因為在7附近的pH會隨著c（H+）或c（OH-）極微小的變化而發(fā)生大的變化。若用等濃度的KI溶液代替NaCl溶液，其pAg的突躍點會更高，因為其Ksp更小，算出的pAg更大。同時注意突躍點與沉淀剛好完全不一定是同一點，沉淀完全的一般標(biāo)準(zhǔn)：【c（殘留離子）≤10-5 mol·L-1】，因為pKsp不一定等于10-10 ]

三、教學(xué)反思

教學(xué)設(shè)計是否符合素養(yǎng)目標(biāo)要求，很大程度取決于教師對化學(xué)學(xué)科知識及其思維方式和方法的本原性、結(jié)構(gòu)化的理解水平，取決于教師能否結(jié)合學(xué)生的已有經(jīng)驗，對單元教學(xué)目標(biāo)進行整體規(guī)劃和設(shè)計[5]。認(rèn)知進階教學(xué)設(shè)計的難點是對認(rèn)知的“階”進行準(zhǔn)確地刻畫，對學(xué)生原有認(rèn)知誤區(qū)反饋的糾偏，所以需多關(guān)注學(xué)生的學(xué)，留足夠時間空間讓學(xué)生外顯認(rèn)知路徑，才能有的放矢。通過教學(xué)實踐，筆者認(rèn)為，本設(shè)計研究對其他單元教學(xué)設(shè)計同樣有借鑒意義的經(jīng)驗有：（1）概念的理解一定要放在多關(guān)聯(lián)、成系統(tǒng)、整合水平高的概念群中，充分挖掘知識概念的本原，即內(nèi)涵、本質(zhì)與規(guī)律，讓認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化和觀念結(jié)構(gòu)化，實現(xiàn)從知識進階到思想方法進階、到素養(yǎng)進階;（2）定量思維也是一種嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的思維，用定量手段來建構(gòu)相應(yīng)模型或收集證據(jù)進行推理論證、認(rèn)識反應(yīng)或預(yù)測設(shè)計反應(yīng)，有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)好奇心;（3）使用數(shù)學(xué)模型或圖像來表征與分析反應(yīng)或平衡中的數(shù)量關(guān)系，為學(xué)生提供一次更抽象與綜合的認(rèn)知能力訓(xùn)練機會，也能擴展學(xué)生的認(rèn)知對象和視角，提升認(rèn)知水平。

[參 考 文 獻]

[1]Corcoran T，Mosher F A，Rogat A.Learning Progressions in Science：An Evidence-Based Approach to Reform：CPRE Research Report #RR-63[R].Philadelphia：Consortium for Policy Research in Education，2009：41-48.

[2]姜顯光.高中化學(xué)反應(yīng)限度學(xué)習(xí)進階研究[D].長春：東北師范大學(xué)，2019：82.

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素養(yǎng)學(xué)習(xí)進階的科學(xué)教學(xué)設(shè)計[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

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[5]中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：76.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）