“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”指導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)-原理整合復(fù)習(xí)

方華才

摘 要：本文通過水溶液中的離子競爭反應(yīng)，將實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)與原理復(fù)習(xí)互相整合，通過利用原理解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來活化原理知識(shí)，使學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)從現(xiàn)象上升到本質(zhì)。原理的復(fù)習(xí)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，體現(xiàn)理論的指導(dǎo)作用和實(shí)驗(yàn)的實(shí)證功能。二者相結(jié)合有效落實(shí)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，有利于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理與模型認(rèn)知 離子競爭反應(yīng) 教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐

一、文獻(xiàn)調(diào)查

為了將實(shí)驗(yàn)與原理整合進(jìn)行教學(xué)，活化“沉淀溶解平衡”“氧化還原”“原電池”等原理，進(jìn)行了深入的文獻(xiàn)調(diào)查：徐凱里^[1]在化學(xué)教育上發(fā)表的文章“建模思想在化學(xué)原理教學(xué)中的運(yùn)用”通過競爭反應(yīng)與海水曬鹽2個(gè)案例，指出在化學(xué)原理教學(xué)過程中運(yùn)用建模思想，可以使復(fù)雜的過程變得簡潔、抽象，從而明晰現(xiàn)象背后的原理、規(guī)律。范書寧等^[2]在化學(xué)教學(xué)上發(fā)表的文章“關(guān)于中學(xué)化學(xué)中競爭反應(yīng)先后順序的討論”從化學(xué)熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)視角對中學(xué)化學(xué)中競爭反應(yīng)先后順序問題進(jìn)行理論分析，指出在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中應(yīng)謹(jǐn)慎討論競爭反應(yīng)先后順序問題，建議將競爭反應(yīng)置于有應(yīng)用意義的真實(shí)情境問題解決中學(xué)習(xí)，有利于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。吳文中等^[3]在化學(xué)教學(xué)上發(fā)表的文章“深刻理解體驗(yàn)相互競爭的平行反應(yīng)”指出許多化學(xué)反應(yīng)存在多個(gè)相互競爭的平行反應(yīng)，實(shí)際發(fā)生可能是化學(xué)反應(yīng)限度（ 熱力學(xué)） 主導(dǎo)，也可能是反應(yīng)速率（ 動(dòng)力學(xué)）主導(dǎo)，亦或由熱力學(xué)動(dòng)力學(xué)共同驅(qū)動(dòng)。如何理解相互競爭的多個(gè)平行反應(yīng)？ 通過著重解讀2017年北京化學(xué)高考28 題讀懂這類相互競爭的平行反應(yīng)，以糾正對競爭反應(yīng)的不夠全面的看法，并提出相關(guān)的教學(xué)策略。

二、整合設(shè)計(jì)與實(shí)踐

高三化學(xué)復(fù)習(xí)中，學(xué)生對原理的復(fù)習(xí)存在從原理到原理，缺乏實(shí)驗(yàn)實(shí)證;實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)強(qiáng)記模板套路，缺乏理論支持而難以找到解決問題的角度，沒有穩(wěn)定的解決策略。如何通過課堂教學(xué)落實(shí)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的化學(xué)核心素養(yǎng)，讓學(xué)生建立化學(xué)學(xué)科邏輯？本文以“Ag⁺與I^-的反應(yīng)”為例，整合原理復(fù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)，將二者有機(jī)結(jié)合，通過實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生思考探究離子間會(huì)發(fā)生哪些反應(yīng)？反應(yīng)的先后順序怎樣？怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？分別應(yīng)該有哪些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？在學(xué)生自主設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的過程中，要求設(shè)計(jì)方案合理可行，操作現(xiàn)象明顯。如何在多種可行探究方案中進(jìn)行優(yōu)選，能很好地提升學(xué)生思維的嚴(yán)密性。本文對實(shí)際問題的解決中涉及“沉淀溶解平衡原理”“氧化還原反應(yīng)原理”“原電池反應(yīng)原理”等原理模型，有助于深化認(rèn)識(shí)和熟練運(yùn)用這些原理，通過層層遞進(jìn)的實(shí)踐活動(dòng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)證精神。

[探究實(shí)驗(yàn)]已知Ag⁺具有較強(qiáng)的氧化性，I^-具有較強(qiáng)的還原性，根據(jù)氧化還原理論推測Ag⁺與I^-會(huì)發(fā)生什么反應(yīng)，寫出對應(yīng)離子反應(yīng)方程式。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推測。（已知：低濃度的碘水為黃色）。

三、實(shí)驗(yàn)小結(jié)

將Ag⁺與I^-的反應(yīng)設(shè)計(jì)為原電池反應(yīng)，可直接氧化還原生成Ag和I₂;Ag⁺與I^-直接接觸先產(chǎn)生AgI沉淀，后感光轉(zhuǎn)化Ag。二者都存在競爭反應(yīng)，且隨著時(shí)間延長，產(chǎn)物發(fā)生了變化。說明速率快的開始具有競爭優(yōu)勢，但產(chǎn)物不一定穩(wěn)定，還可能隨著時(shí)間延長轉(zhuǎn)化為更穩(wěn)定的產(chǎn)物。結(jié)合“能量—反應(yīng)過程”二維圖可得出如下結(jié)論：①平行反應(yīng)之間，活化能較小、反應(yīng)較快的在反應(yīng)中具有競爭優(yōu)勢（動(dòng)力學(xué)即速率決定）;②隨著時(shí)間的延長，產(chǎn)物穩(wěn)定、平衡常數(shù)大的反應(yīng)具有競爭優(yōu)勢（熱力學(xué)即平衡決定）;③反應(yīng)較快但平衡常數(shù)小的反應(yīng)先發(fā)生，隨著時(shí)間的延長會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為平衡常數(shù)大的反應(yīng)的產(chǎn)物。

四、實(shí)踐反思

該探究過程研究離子互換反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)的競爭，根據(jù)現(xiàn)場信息和原理預(yù)測反應(yīng)，預(yù)測現(xiàn)象，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，整合了“沉淀溶解平衡”“氧化還原反應(yīng)”“原電池反應(yīng)”。

探究過程中要根據(jù)信息，現(xiàn)場設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，要求更高，是對原理的深度實(shí)踐應(yīng)用：如右圖，首先根據(jù)信息預(yù)期Ag⁺與I^-直接接觸發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)非預(yù)期結(jié)果（產(chǎn)生思維沖突），根據(jù)原理分析評價(jià)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改進(jìn)設(shè)計(jì)，探討干擾，分析評價(jià)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)一步改進(jìn)改設(shè)計(jì)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。整個(gè)過程都是基于如何更好地完成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?yàn)證Ag⁺能夠氧化I^-，結(jié)合所學(xué)原理，逐層改進(jìn)優(yōu)化方案。最后根據(jù)速率和平衡原理，對異常細(xì)節(jié)現(xiàn)象深入分析，進(jìn)一步活化所學(xué)原理。嚴(yán)密的思維活動(dòng)能夠很好地訓(xùn)練學(xué)生的思維品質(zhì)，體會(huì)原理的指導(dǎo)功能。

實(shí)驗(yàn)-原理整合復(fù)習(xí)能幫助學(xué)生建立化學(xué)學(xué)科邏輯：如何從事實(shí)出發(fā)，聯(lián)系原理分析現(xiàn)象、解釋原因;如何從信息出發(fā)，聯(lián)系原理預(yù)測反應(yīng)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證并評價(jià);如何從物質(zhì)性質(zhì)出發(fā)，聯(lián)系原理預(yù)測反應(yīng)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證并評價(jià)。最后，高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)是課程改革的基本要求，理論結(jié)合實(shí)際，理論指導(dǎo)實(shí)踐是化學(xué)學(xué)科的內(nèi)在要求;通過實(shí)踐深化理解原理，通過實(shí)踐將原理內(nèi)化為學(xué)科素養(yǎng)是原理教學(xué)的必由之路。

參考文獻(xiàn)

[1]徐凱里.建模思想在化學(xué)原理教學(xué)中的運(yùn)用[J].化學(xué)教育（中英文），2018，39（17）：32-35.

[2]范書寧，吳星，呂琳.關(guān)于中學(xué)化學(xué)中競爭反應(yīng)先后順序的討論[J].化學(xué)教學(xué)，2018（04）：91-93+96.

[3]吳文中，李文博.深刻理解體驗(yàn)相互競爭的平行反應(yīng)——著重討論2017年北京化學(xué)高考第28題[J].化學(xué)教學(xué)，2018（02）：87-91.