以化學觀念建構為頂層設計的教學實踐與思考

曾闊+蔣小鋼

摘要：化學觀念的形成對學生的終身學習和發展意義重大。運用頂層設計原理，以“沉淀溶解平衡”的教學設計為例，對中學化學以“觀念建構為本”的課堂教學策略做了一些探討。

關鍵詞：頂層設計；化學觀建構；教學設計；教學策略

文章編號：1008-0546（2017）04-0048-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.016

一、問題的提出

化學從一個特殊的視角引導人們去認識物質世界，在提高公民科學素養方面具有其他學科不可替代的作用。對于學生的長遠發展，中學化學能給予他們最有價值的東西應該是什么呢？是學習和掌握更多的化學具體知識，提高解題技能？還是以具體化學知識的學習為載體，以認識和闡述物質世界的化學基本思想、方法和思維方式建構化學基本觀念為重點？

化學觀念的形成，對學生的終身學習和發展意義重大，更是直接影響著今后學生走出校門、進入社會后分析、解決與化學相關的實際問題的思維方式、行為方式和價值取向。因此，幫助學生形成化學觀應當居于教學設計的頂層位置。

二、以化學平衡觀建構為頂層設計的課堂教學策略

1. 頂層設計原理

頂層設計這一概念源自于“系統工程學”。為高效、快速完成某項任務，運用系統論的方法，從全局的視角，集中有效資源，對該目標的各方面、各要素進行統籌規劃。頂層設計原理具有頂層決定性、整體關聯性和實際可操作性等特征。頂層設計是自上而下展開的設計方法，核心理念與目標都源自頂層。圍繞核心理念和頂層目標，強調設計對象的諸要素之間必須形成關聯、匹配及有機銜接。頂層設計成果應是可實施、可操作的[1]。

由此可見，應用頂層設計處理實際問題的主要原則是：應從重大問題切入，抓住牽一發而動全身的關鍵問題，唯有如此，才能綱舉目張，為解決其他問題鋪平道路。只有做到這一點，才具有“頂層”的意義。

2. 運用頂層設計原理進行“沉淀溶解平衡”的教學

這里，以魯科版《化學反應原理》第三章“物質在水溶液的行為”第3節“沉淀溶解平衡”的教學為例，運用頂層設計理論，以“平衡觀”建構為本的課堂教學。

（1）教材分析

這節知識是在新課程標準下的新增內容。學生在第二章已經學習了化學反應限度的相關內容，在本章的教材中又通過對水的電離、弱電解質的電離、鹽類的水解的學習加深了對可逆反應和化學平衡的認識。本節教學要求學生能夠繼續從化學平衡的視角，用平衡的觀點研究新的一類平衡——沉淀溶解平衡，因此它起著“承上”的作用。同時，通過對沉淀溶解平衡的學習，學生可以更全面地了解水溶液中離子平衡的相關理論，更好地理解在溶液中發生的離子反應的本質，因此它也起著“啟下”的作用。這樣，在教學功能上，通過本節課的教學就可以讓學生完善整個平衡體系的學習，除了鞏固前面所學知識外還起著延伸、拓展化學視野的作用。從教學意義上說，沉淀溶解平衡無論對于化學知識本體的學習，還是化工生產以及人們的生活實際都有重要的意義。

（2）教學目標

①了解難溶電解質的沉淀溶解平衡，并能結合實例進行描述。引導學生主動參與實驗探究、分析實驗，獨立思考，解決問題。

②能描述沉淀溶解平衡，能寫出溶度積的表達式，知道溶度積的含義及意義。在這個過程中引導學生根據已有的知識經驗，分析推理出新的知識，在對知識的運用中，完成“實驗-結論-應用”的提升。

③能夠運用平衡移動的觀點對沉淀的溶解、生成進行分析，體會化學對生產、生活的指導作用，激發學習化學的興趣。

（3）教材重難點

本課時教材的重點是“沉淀溶解平衡模型”的建立、溶度積常數的涵義；沉淀的溶解和生成的本質。難點是“沉淀溶解平衡模型”的建立。而沉淀溶解平衡模型的建立又是重中之重。因為沉淀溶解平衡其實就是“化學大平衡觀”下的一種新的應用。一旦學生知道了有這種平衡的存在，了解了沉淀溶解平衡是一種什么樣的平衡，它是如何建立的，余下的內容如這種平衡的特征、平衡常數、平衡常數的意義等知識便可根據學生已有的知識進行自主構建，所以它是重點中的重點。而這個模型的建立對學生來說有一定的難度，因此又是本節課的難點所在。

（4）學情分析

正如前面所說，學生已有了化學平衡的概念在腦海中，這就有了認知基礎，有了新知識建構的前提。但這種化學平衡是他們前面沒有接觸過的，而且在學生的觀點中可能還存在幾個思維誤區：①難溶物完全不溶于水。②難溶物的飽和溶液中不存在溶質的微粒（分子或離子）。③對難溶物形成飽和溶液的微觀過程過于抽象，難于理解。這也是前面提到為什么沉淀溶解平衡模型的建立是難點的原因。如果這三個誤區得到解決，本節課的難點也得到突破了。

（5）教法與學法

在教學方法上，仍然遵循“雙主體”原則，通過講解陳述、提出問題、布置任務、獨立思考、討論思考、動手操作、匯報交流等方式優化教學行為；采用問題教學法，用層層遞進的問題來啟發學生的思維，驅動學生的學習進程。學法上強調學生有意義的自主建構。另外還用到了實驗探究、討論合作、類比學習等方法。教師在整節課中要起到引導幫助的作用，并在適當時候給予鼓勵性評價以幫助學生建立學會新知的信心。

教學過程：

[環節1]情景設置，引入新課

教師：[問題提出] 等物質的量的Na2SO4溶液和BaCl2溶液混合后的溶液中存在哪些離子？

設計意圖：用定量的方法，以學生非常熟悉的復分解反應結果提出問題，激發思考，引出新課。

[環節2]沉淀溶解平衡模型的建立

學生：[探究實驗]探究BaSO4的飽和溶液中是否存在Ba2+和SO42-。

實驗內容：

第一組：

1.取0.01 mol/L的Na2SO4溶液1 mL和0.01 mol/L BaCl2溶液2 mL于試管中充分振蕩，靜置。

2.取上述反應后的上層清液于試管中，繼續滴加數滴飽和的BaCl2溶液，觀察實驗現象。

第二組：

1. 取0.01 mol/L的Na2SO4溶液2 mL和0.01 mol/L的 BaCl2溶液1 mL于試管中充分振蕩，靜置。

2.取上述反應后的上層清液于試管中，繼續滴加數滴飽和的 Na2SO4溶液，觀察實驗現象。

教師：[引導討論]兩支試管為何又產生了白色沉淀？

設計意圖：

1.學生通過自己動手實驗形成與原有認知的沖突，走出思維誤區：難溶物飽和溶液中沒有溶質的離子存在。

2.充分發揮實驗在化學教學中的作用，調動學生的積極性。

教師：[演示實驗]課本P90，PbI2固體的溶解平衡。

學生：[定量推證]推算室溫時，100 g水中大約能溶解多少氫氧化鎂。

測飽和氫氧化鎂溶液的pH≈10，從而推出[OH-]=10-4 mol/L，那么發生電離的氫氧化鎂的濃度為5×10-5 mol/L，這部分氫氧化鎂的質量約為2.9×10-4g。但事實上，氫氧化鎂是一種弱電解質，不可能發生完全電離，因此，此時水中溶解的氫氧化鎂總質量應該大于2.9×10-4g 。通過查閱資料，室溫時，氫氧化鎂的溶解度約為2.9×10-3g。

設計意圖：此處為教師演示教科書上“觀察·思考”的實驗。考慮到學生對PbI2并不熟悉，所以前面用BaSO4的例子讓學生探究。而這里教師采用演示實驗，目的是加以驗證沉淀溶解平衡的普遍性，同時培養學生從個別演繹到一般的思維方式。通過前面兩個實驗，學生對難溶物的溶解性有了一定的感性認識，是否能從定量的角度用最直觀的數據來加深學生對難溶物的認識呢？于是設計了定量推證的活動。從定量的角度，通過近似估算，用具體的數據讓學生體會到難溶物不是不溶，只是溶解的程度很小，從而走出思維誤區：難溶物絕對不溶是錯誤的。

教師：[講解陳述]

設計意圖：解決學生的思維誤區：難溶物的溶解是絕對的，不溶只是相對而言。

教師：[動畫演示]氯化銀的沉淀溶解微觀過程

設計意圖：化抽象為直觀，有利于學生的理解，解決思維誤區：難溶物形成飽和溶液的微觀過程不清楚。

教師：[講解陳述]這種平衡狀態叫做沉淀溶解平衡。可表示為：

BaSO4 （s）[?]Ba2+（aq）+ SO42-（aq）

PbI2（s）[?]Pb2+（aq）+ 2I-（aq）

設計意圖：通過學生的定性實驗探究、定量推證和一個動畫演示，此環節解決了學生三個思維誤區即：難溶物完全不溶、難溶物飽和溶液沒有溶質的離子存在和難溶物形成飽和溶液的微觀過程不清楚。進而突破難點，建立起沉淀溶解平衡的概念。

[環節3]沉淀溶解平衡的特征

教師：[提出問題]化學平衡具有哪些特征？

學生：[交流研討]回顧化學反應平衡的特征及相關知識。

設計意圖：

1.采用問題教學法創設情境，用問題啟發學生思維，指引學生分析出正確的結論。

2.利用學生已有的化學平衡知識建構沉淀溶解平衡的相關知識，體現自主建構的學習方法。

在這個過程中，不僅要引導學生回顧可以用動、等、定、變從定量的角度來描述化學平衡的特征，更可以從定量的角度用化學平衡常數K來衡量可逆反應發生的限度。有了前面的知識鋪墊，學生不難從平衡常數的相關知識推導出沉淀溶解平衡的平衡常數Ksp的有關內容。通過同類知識間的同化、順應、遷移，學生在已有知識基礎上自主構建出Ksp的表達式、影響因素、意義等知識。

學生：[練習鞏固]教材P91表3-3-1

比較AgCl、AgBr、AgI的溶解能力的大小，比較Mg（OH）2、Cu（OH）2溶解能力的大小。

設計意圖：加深學生對Ksp意義的理解，即表征難溶物在水中的溶解能力大小。

教師：[提出問題]我們又如何從濃度因素定量判斷化學平衡的移動方向？對于沉淀溶解平衡而言又當如何呢？

學生：[匯報交流]學生通過回憶已學過的知識得出結論：

Q > Ksp 沉淀生成

Q < Ksp 沉淀溶解

Q = Ksp 達到沉淀溶解平衡狀態

設計意圖：

1.學會從定量的觀點理解沉淀溶解平衡移動。

2.再次體現建構主義思想，同時為沉淀的生成、溶解本質的學習作鋪墊。

[環節4]知識應用：沉淀的溶解與生成

學生：[交流研討]運用此結論解釋前面BaSO4及PbI2的實驗現象。

學生：[閱讀思考]閱讀書本P92實例一、實例二后請學生回答。

設計意圖：

1.對前面兩個實驗進行解釋，前后呼應，加深理解。

2.讓學生嘗試運用微粒觀、定量觀、變化觀獨立分析問題。

3.使學生認識到化學對生產、生活的貢獻，激發學生學習化學的興趣，達成情感態度價值觀的教學目標。

[環節5]思維凝練、提升方法、形成觀念

學生：讓學生根據這節課的學習經歷總結。

（1）自然科學探究的一般方法，如圖1所示。

（2）建構化學平衡觀，如圖2所示。

設計意圖：通過本節課的學習

1.讓學生進一步了解自然科學探究的一般過程和方法。

2.讓學生通過對具體化學知識學習，培養學生逐步形成主動運用化學的思想方法去分析和處理所遇事物或問題的自覺意識和思維習慣，也就是化學觀。

3. 教學反思：運用頂層設計原理建構化學平衡觀。

知識、化學學習能力和化學基本觀念是中學化學課堂教學中不可缺少的三個要素，對應著教學目標的三個維度。化學知識、能力與化學觀之間的關系可以表示為圖3所示。

其中，化學觀的形成對學生的終身學習和發展意義最大，是居于最上位的，屬于頂層設計。化學知識和化學學習能力的獲得都應通過一系列的教學行為，密切圍繞形成化學觀的最終目標有計劃、有步驟的進行關聯和展開；化學觀反過來對化學知識和化學學習能力的習得起到潛移默化的規范和指導作用，有利于增進學生對知識的深刻理解，促進學生學習方式的轉變和科學素養的全面發展[2]。

通過這節課的教學，除了讓學生掌握本節課所涵蓋的知識與技能外，更希望能夠引導學生通過本節課的學習總結出這樣一種思維過程：即首先發現可逆過程，然后建立平衡模型，進而分析平衡特征，總結平衡規律，最后應用于平衡問題的解決中。從而進一步讓學生感悟到在他們學習多種不同的平衡體系過程中逐步形成的一種化學平衡觀。在大平衡觀的引領下，一旦今后遇到有關平衡的問題便可以自覺形成這樣一種思維習慣來解決問題。

四、結語

從長期的教學實踐來看，許多學生從學校畢業走向社會后都不一定從事與化學相關的工作，但是中學的化學教育對他們仍然具有重要意義。伴隨著具體化學知識的學習而逐漸形成的化學基本思想和方法，它能在潛意識中支配著學生的思維方式和行為方式。它表現為學生能夠自覺運用化學科學的觀點、思路和方法去認識周圍的事物，去分析和解決實際問題。這就是化學觀念的教育價值所在！因此，把培養學生形成正確的化學基本觀念作為中學化學教學的高觀點和大視角，置于化學課堂教學設計的最頂層位置，顯得尤為重要，上述教學設計的立足點和歸宿都是圍繞化學平衡觀的建構進行的。

但是，化學基本觀念不是具體的化學知識，也不是化學知識的簡單積累[3]。如，化學平衡觀的建構，它是學生基于自己的認知基礎，是對化學學科特征的深刻理解和對前面所學的化學反應的限度、水的電離、弱電解質的電離、鹽類的水解等知識的高度概括和升華，是學生深入思考和內心體驗的結果。畢華林教授認為：化學基本觀念的形成既不可能憑空產生，也不可能通過記憶大量化學知識自發形成。化學觀念的形成需要學生在主動的探究學習活動中，深刻理解和掌握有關的化學知識，不斷提升形象和邏輯思維能力，在知識的學習過程中不斷反思、概括、提煉而成[4]。因此，化學基本觀念的形成影響著學生處理實際問題的價值取向和行為方式，具有超越具體知識的持久價值和廣泛的遷移作用，因而意義重大。

參考文獻

[1] 聞邦椿.頂層設計原理方法應用[M].北京：機械工業出版社，2014，5：1-12

[2] 辛本春.中學生化學基本觀念培養的研究[D].濟南：山東師范大學，2008，4：1-5

[3][4]畢華林，盧巍.化學基本觀念的內涵及其教學價值[J].中學化學教學參考，2011（6）：3-6

[5] 中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準 （實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003：8

[6] 王磊.普通高中課程標準實驗教科書：化學反應原理（選修）[M].濟南：山東科學技術出版社，2012，7：90-93