張現(xiàn)霞

摘要： 開展“素養(yǎng)為本”的高三化學專題復習，能有效促進學生知識、能力、素養(yǎng)的全面發(fā)展。以“物質的定性檢驗模型建構與應用”為例，從單一情境的問題解決到復雜情境的問題解決，從回顧舊情境提煉分析思路到在新情境中建構認知模型，從在科學探究中完善、認同認知模型到在應用中內(nèi)化、升華認知模型，初步形成基于模型認知的高三化學專題復習教學設計策略。

關鍵詞： 模型建構與應用； 物質的定性檢驗； 科學探究

文章編號： 10056629（2023）10004406 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

“證據(jù)推理與模型認知”是化學學科核心素養(yǎng)之一，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對其提出了具體的課程目標，其中包括“基于證據(jù)進行分析推理，證實或證偽假設；能依據(jù)物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架”［1］?；谧C據(jù)推理，建立思維框架，形成認知模型，可以降低研究對象的復雜性，提高問題解決的準確率和效率。

1 設計思路

物質的檢驗是化學實驗的重要環(huán)節(jié)之一，是為確定研究對象的組成，根據(jù)物質的某些特殊性質或特征反應進行的有針對性的檢驗，一般分為定性檢驗和定量檢驗。物質的定性檢驗可分為無干擾因素和有干擾因素兩類情況。新授課中關于物質定性檢驗的學習常常分散在必修課程和選擇性必修課程的各個單元，高三復習時往往需要對其進行匯總和再鞏固。

“素養(yǎng)為本”的高三化學專題復習不是基礎知識的簡單羅列和機械堆砌，而是要在夯實基礎知識的同時提煉分析方法、建構認知模型，并在運用認知模型解決實際問題的過程中對模型進行內(nèi)化和升華。在進行物質定性檢驗的專題復習前，學生已初步建立了無干擾因素時物質定性檢驗的一般思路（見圖1），即明確檢驗目標，根據(jù)目標的特殊性質或特征反應確定檢驗試劑，執(zhí)行檢驗操作，根據(jù)特征實驗現(xiàn)象，得出檢驗結論，但對于有干擾因素時該物質定性檢驗的認知模型還缺乏深層次的思考和認識。因此，本節(jié)復習課不僅要夯實基礎，建構并完善物質定性檢驗的認知模型，更重要的是要引導學生在探究中認同模型，最終靈活應用模型解決新情境下的復雜問題。

2 教學目標

（1） 回顧兩則新授課時經(jīng)歷的舊情境——“檢驗補血劑是否變質”和“探究炭與濃硫酸的反應產(chǎn)物”，復習“無干擾因素時物質定性檢驗的一般思路”，并在此基礎上，形成“有干擾因素時物質定性檢驗的一般思路”。

（2） 在“檢驗Na2SO4和NaCl混合溶液中的Cl-”的新情境中，通過科學探究解決爭議，建構、完善、認同物質定性檢驗的認知模型。

（3） 應用物質定性檢驗的認知模型解決新情境下的實際問題，同時對認知模型進行內(nèi)化和升華。

3 教學過程

3.1 情境再現(xiàn)提煉思路

再現(xiàn)高一課堂中學生親歷的兩則物質定性檢驗情境。

一是“檢驗補血劑是否變質”的情境。學生比較容易形成一致意見，即將補血膠囊內(nèi)的藥物取出（防止藥物包裹層成分的干擾），將藥物研細，加入稀硫酸溶解后過濾，取少量濾液于試管中，滴加幾滴KSCN溶液，若溶液變成血紅色，說明該補血劑已變質。借助該舊情境幫助學生回顧“無干擾因素時物質定性檢驗的一般思路”。

二是“探究炭與濃硫酸的反應產(chǎn)物”的情境。播放新授課時的課堂教學視頻片斷——借用“濃硫酸使蔗糖脫水”的改進實驗（見圖2）?；仡櫶骄刻颗c濃硫酸反應產(chǎn)物的實驗方案（不考慮水的檢驗），即關閉開關A，打開開關B和C，擠壓氣囊使氣體先后通入品紅溶液①、酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液②、澄清石灰水。若品紅溶液①退色，說明炭與濃硫酸反應的產(chǎn)物中含二氧化硫；若酸性高錳酸鉀溶液退色，

品紅溶液②不退色，澄清石灰水變渾濁，說明炭與濃硫酸反應產(chǎn)物中含二氧化碳。在已有的探究實驗“檢驗二氧化碳、二氧化硫混合氣體中的二氧化碳”的基礎上，提煉“有干擾因素時物質定性檢驗的一般思路”（見圖3）：明確檢驗目標和干擾因素，利用二者性質的差異除盡干擾因素后，再用檢驗試劑對檢驗目標進行檢驗，得出檢驗結論，確保檢驗目標、檢驗試劑、檢驗現(xiàn)象之間具有唯一性。

設計意圖：回顧學生親身經(jīng)歷的物質定性檢驗實驗情境，復習無干擾因素時物質定性檢驗的一般思路，提煉有干擾因素時物質定性檢驗的一般思路，為建構物質定性檢驗的認知模型做鋪墊。

3.2 高考題引發(fā)爭論

2021年上海化學等級考第25題在題干中給出已知信息：SO2-4可能會干擾Cl-的檢驗，要求寫出檢驗Na2SO4和NaCl混合溶液中的Cl-的實驗方案。課堂上學生給出的方案主要集中在以下兩個方向：

方案一：取少量待測液于試管中，滴加AgNO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀，再加入足量的稀硝酸，若白色沉淀不完全溶解，則混合溶液中含有氯離子，若白色沉淀完全溶解，則混合溶液中不含氯離子。

理論依據(jù)：AgCl不溶于稀硝酸，Ag2SO4溶于稀硝酸。

方案二：取少量待測液于試管中，先加入足量的Ba（NO3）2溶液至不再有沉淀產(chǎn)生，靜置；取上層清液于另一試管中，加入AgNO3溶液，若有白色沉淀產(chǎn)生，則原溶液中含有氯離子，若無白色沉淀產(chǎn)生，則原溶液中不含氯離子。

理論依據(jù)：Ag2SO4可能也不溶于稀硝酸，先將干擾因素排除后再進行氯離子的檢驗。

課堂上學生一時爭執(zhí)不休，難以形成一致意見。教師帶領學生從理論與實驗兩方面開展科學探究。

設計意圖：課堂生成具有爭議的問題，在爭論中引發(fā)學生對物質定性檢驗的深度思考，提出科學探究任務，培養(yǎng)科學探究意識。

3.3 科學探究解決爭論

引導學生首先尋找爭議的核心：一是SO2-4是否真的會干擾Cl-的檢驗；二是Ag2SO4是否溶于稀硝酸。然后從爭議的核心出發(fā)，依據(jù)探究目的，設計探究方案，對方案進行討論、優(yōu)化，運用理論分析和化學實驗等方法進行科學探究。其中實驗所需溶液均用蒸餾水配制而成。

3.3.1 關于AgCl和Ag2SO4沉淀情況的探究

［理論分析］

查閱工具書，獲得25℃時Ag2SO4的溶度積常數(shù)Ksp（Ag2SO4）=1.2×10-5，AgCl的溶度積常數(shù)Ksp（AgCl）=1.77×10-10［2］。由此可知，常溫下AgCl在水中的溶解度遠小于Ag2SO4，即AgCl比Ag2SO4更易析出。

［實驗驗證］

實驗一：分別向1mL 0.1mol·L-1的NaCl和Na2SO4溶液中滴加1mL 0.1mol·L-1的AgNO3溶液，觀察沉淀產(chǎn)生情況。

實驗現(xiàn)象：向0.1mol·L-1的NaCl溶液中滴加0.1mol·L-1的AgNO3溶液，迅速產(chǎn)生大量白色沉淀；0.1mol·L-1的Na2SO4溶液和0.1mol·L-1的AgNO3溶液等體積混合，溶液澄清透明，無渾濁現(xiàn)象（見圖4）。

實驗二：0.5mol·L-1的AgNO3溶液與0.5mol·L-1的Na2SO4溶液等體積混合，觀察實驗現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：溶液變渾濁（如圖5）。

［探究小結］

AgCl比Ag2SO4更易析出。若Na2SO4和NaCl混合溶液中SO2-4濃度較大，用AgNO3溶液檢驗Cl-時，SO2-4可能會干擾Cl-的檢驗。

設計意圖：培養(yǎng)學生敢于質疑的意識，從理論分析和實驗驗證兩個角度開展科學探究，建立觀點、結論和證據(jù)之間的邏輯關系，促進學生高階思維的發(fā)展，在真實情境下加深對物質定性檢驗中“干擾”二字的理解，為后續(xù)探究過程做鋪墊。

3.3.2 關于Ag2SO4是否溶于稀硝酸的探究

學生對AgCl不溶于稀硝酸沒有異議，爭論點在于Ag2SO4是否溶于稀硝酸。

［理論分析］

假設Ag2SO4溶于硝酸溶液，則存在如下溶解平衡：

Ag2SO4（s）+H+（aq）2Ag+（aq）+HSO-4（aq）

以上計算說明Ag2SO4在硝酸溶液中存在溶解平衡，對比25℃時Ag2SO4的酸溶平衡常數(shù)K和水溶平衡常數(shù)Ksp，發(fā)現(xiàn)Ag2SO4在硝酸溶液中的溶解度比在水中大，且改變硝酸溶液的濃度會導致Ag2SO4的酸溶平衡移動。由此可預測：Ag2SO4是否溶解與硝酸溶液的濃度有很大關系。

若向Na2SO4溶液中滴加AgNO3溶液，生成Ag2SO4沉淀的量有0.1mmol，可通過計算粗略估計用于溶解Ag2SO4的硝酸濃度。假設用1mL某濃度的硝酸溶液溶解0.1mmol Ag2SO4，達到平衡后溶液中的c（H+）為xmol·L-1，則有：

［實驗驗證］

實驗三：向五只試管中分別加入0.5mL 0.5mol·L-1的AgNO3溶液和0.5mL 0.5mol·L-1的Na2SO4溶液，形成Ag2SO4懸濁液。向五只試管中分別加入0.25mL不同濃度的硝酸溶液（濃度分別為7.2mol·L-1、 3.6mol·L-1、 1.8mol·L-1、 0.9mol·L-1、0即蒸餾水），觀察Ag2SO4懸濁液溶解情況。

實驗現(xiàn)象：當加入的硝酸溶液濃度較大（7.2mol·L-1、 3.6mol·L-1）時，Ag2SO4懸濁液變澄清，當加入的硝酸溶液濃度較?。?.8mol·L-1、 0.9mol·L-1、0即蒸餾水）時，Ag2SO4懸濁液無明顯現(xiàn)象（見圖6）。

［探究小結］

Ag2SO4是否溶于硝酸溶液與溶液的濃度大小有關，Ag2SO4溶于較濃的硝酸溶液，不溶于較稀的硝酸溶液。向可能含有AgCl或Ag2SO4的懸濁液中加入硝酸溶液，不能通過沉淀是否溶解來判斷懸濁液的成分。

設計意圖：從理論角度分析預測Ag2SO4是否溶于硝酸溶液，并進行實驗驗證，在探究中解決爭議，形成一致意見，加深對“有干擾因素時物質定性檢驗的一般思路”中先除盡干擾因素后進行目標檢驗的理解和認同，為建構和完善“物質的定性檢驗認知模型”做鋪墊。

3.4 基于探究完善模型

在以上探究過程的基礎上，學生對檢驗Na2SO4和NaCl混合溶液中的Cl-的實驗方案形成一致意見，即方案二比方案一更加科學嚴謹，并在無、有干擾因素時物質定性檢驗分析思路的基礎上，建構、完善、認同如下“物質的定性檢驗認知模型”（見圖7）。

設計意圖：在無、有干擾因素時物質定性檢驗分析思路的基礎上，建構、完善、認同“物質的定性檢驗認知模型”，培養(yǎng)提煉總結能力和模型建構能力。

3.5 應用模型解決問題

［情境問題1］實驗室中有一瓶失去標簽的棕黃色溶液，猜測可能是硫酸鐵銨溶液，請設計實驗方案進行驗證。

［問題分析1］首先明確檢驗目標為溶液中的NH+4、 Fe3+、 SO2-4，且三者的檢驗互相無干擾，故形成如下檢驗方案：取少量溶液于試管中，加入足量的NaOH濃溶液并加熱，將濕潤的紅色石蕊試紙置于試管口，若產(chǎn)生刺激性氣味的氣體且試紙變藍，則溶液中含有NH+4；若產(chǎn)生紅褐色沉淀，則含F(xiàn)e3+；另取少量溶液于另一試管中，先滴加鹽酸無現(xiàn)象，再加入BaCl2溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則溶液中含有SO2-4。

［情境問題2］丙烯醛CH2CH—CHO常溫下為無色或淺黃色液體，設計實驗方案，檢驗丙烯醛中的官能團。

［問題分析2］首先明確檢驗目標是碳碳雙鍵和醛基。若用新制氫氧化銅懸濁液檢驗醛基，則碳碳雙鍵不是干擾因素，故形成檢驗醛基的方案（實驗一）：取少量樣品于試管中，滴加新制氫氧化銅懸濁液并煮沸，若有磚紅色沉淀產(chǎn)生，則含有醛基；若用溴水或酸性高錳酸鉀溶液檢驗碳碳雙鍵，則醛基是干擾因素，需要將其排除后再檢驗，故形成檢驗碳碳雙鍵的方案一：取實驗一的上清液于另一試管，加入足量稀硝酸酸化，再滴加溴水，若看到顏色褪去，則含碳碳雙鍵。若用溴的四氯化碳溶液檢驗碳碳雙鍵，則醛基不是干擾因素，可形成檢驗碳碳雙鍵的方案二：另取少量樣品于另一試管中，滴加溴的四氯化碳溶液，若溶液褪色，則含有碳碳雙鍵。

［情境問題3］已知氯氣易溶于CCl4，按圖8中的裝置實驗，試管③中有白色沉淀，能夠證明含有HCl，說明理由。

［問題分析3］首先明確檢驗目標是Cl2與HCl混合氣體中的HCl，裝置中已經(jīng)明確用硝酸銀溶液檢驗HCl，分析發(fā)現(xiàn)Cl2會干擾HCl的檢驗，需要先將其除盡，對實驗可做如下解釋：試管①可吸收氯氣，試管②可進一步吸收氯氣，若證明氯氣已被吸收完全，則氯氣不會干擾對HCl的檢驗，因此試管③中出現(xiàn)的白色沉淀一定是由于HCl導致的，故該裝置可以證明混合氣中含有HCl。

［情境問題4］化合物X由三種元素組成，某實驗小組按如下流程進行相關實驗：

化合物X在空氣中加熱到800℃，不發(fā)生反應。

請設計實驗，檢驗尾氣中相對活潑的2種氣體。

［問題分析4］通過定量計算分析，可以確定X的化學式為BaCu3O4，且X在加熱條件下與NH3發(fā)生反應：

反應中氨氣過量，故尾氣的成分有氨氣、水蒸氣和氮氣，需要檢驗的是氨氣和水蒸氣。運用物質的定性檢驗認知模型進行分析發(fā)現(xiàn)，水蒸氣不會干擾氨氣的檢驗，故檢驗氨氣的實驗方案為：將濕潤的紅色石蕊試紙置于尾氣出口，若變藍，說明尾氣中有NH3；由情境信息可知，氨氣與銅的化合物在高溫下會發(fā)生氧化還原反應生成銅單質和氮氣，即若用無水硫酸銅檢驗水蒸氣，則氨氣會干擾水蒸氣的檢驗，在沒有理想的除雜試劑時可以轉變思路尋找新方法，如利用水蒸氣和氨氣沸點的差異來檢驗水蒸氣，故檢驗水蒸氣的實驗方案為：將尾氣通入冷的集氣瓶中，若有液珠產(chǎn)生，說明尾氣中有水蒸氣。

設計意圖：物質定性檢驗的常見對象有氣體、溶液中的離子、有機物中的官能團等，以上述四則情境問題的解決為載體，發(fā)展與評估學生應用認知模型解決新問題的能力。其中后兩則情境問題節(jié)選自高考原題，前者已確定檢驗目標和檢驗試劑，對認知模型中的“排除干擾”進行考查；后者考查學生在新情境中準確判斷是否存在干擾因素的能力，啟發(fā)學生靈活變通，在難以除雜時需要轉變思路，重新尋找檢驗方法。

4 教學反思

本節(jié)專題復習，教師引導學生從無干擾因素的簡單情境過渡到有干擾因素的復雜情境，在情境中形成物質定性檢驗的一般思路，在科學探究中建構、完善、認同物質定性檢驗的認知模型，并在新情境中應用認知模型解決實際問題。這種素養(yǎng)導向下的專題復習能讓學生真正學會假設、學會認證、學會分析、學會建模、學會問題解決，切實體現(xiàn)模型認知的價值和意義。

認知模型具有高度的凝練性和廣泛的遷移性，特別適合在專題復習中建構和應用。教師開展基于模型認知的高三化學專題復習教學設計，可從以下幾個方面進行思考。

4.1 在情境中建構認知模型

復習課中的情境創(chuàng)設要與教學主題高度相關，可以是單一情境，也可以是復雜情境，教師可以依據(jù)學生的認知規(guī)律和心理特點，設計由簡單到復雜的情境線，在情境線的發(fā)展過程中提煉方法線，引導學生自然地建構認知模型。

4.2 在探究中認同認知模型

誠然，課堂上初步建構的認知模型常常需要進一步修正，也可能存在一些爭議。教師與其充當“裁判”，不如將對認知模型的修正和認同過程設計成科學探究活動，引導學生在探究活動開展過程中主動形成一致意見，自然地認同認知模型。需要注意的是，在探究過程中教師的有意引導和學生的自主探究所占比例需要達到“平衡”。

4.3 在應用中內(nèi)化認知模型

認知模型的建構、修正和認同，其目的是幫助學生在新情境中高效地解決問題，并最終將認知模型內(nèi)化為化學學科思維。學生靈活遷移認知模型解決問題的能力和水平，不僅反映了“素養(yǎng)為本”的專題復習的有效性，也體現(xiàn)了“素養(yǎng)為本”的專題復習的價值和意義。

化學的發(fā)展過程從某種程度上可以說是一個不斷建立模型、應用模型和修正模型的過程。學生是高三化學專題復習的主體，也是模型建構與應用的主體。教師設計“素養(yǎng)為本”的高三化學專題復習時要基于學生已有的知識和體驗，突出學生的主體性，引發(fā)學生開展探究活動，調動學生主動建構認知模型的積極性，激發(fā)學生應用并內(nèi)化認知模型的意識。這是一個需要長期實踐并深入研究的課題，值得一線教師鉆研與探討。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 6.

［2］［3］華丹彤， 王穎霞， 卞江， 陳景祖. 普通化學原理（第4版）［M］. 北京： 北京大學出版社， 2015： 472， 471.