“證據推理與模型認知”素養導向的“沉淀溶解平衡”教學實踐與反思

劉臣 左京平

摘要：學科核心素養具有獨特的學科育人價值，基于化學概念原理知識的特點及其教學價值，闡述了依據理解和應用學科素養框架開展沉淀溶解平衡主題教學設計的思路及策略。以促進學生對沉淀轉化實質的認識為例，整合教材內容為教學內容，依托學科典型的學習方式開展探究教學，著重發展學生“證據推理與模型認知”的學科素養，并進行了教學反思。

關鍵詞：證據推理;模型認知;科學探究;問題解決;教學設計

文章編號：1008-0546（2020）09-0063-05

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

學科核心素養是指學生在經歷對某一學科的學習后，逐步形成的該學科獨特的思想方法、基本觀念和思維方式，學科核心素養對學生的終身成長具有獨特的貢獻和育人價值。中學階段，教師通過課堂教學，幫助學生后天習得某個學科的基本素養，教師的角色從教書轉變為育人，逐步實現新時期育人目標的跨越和升級。為此，基于培養學生學科素養引發的教學變革，廣大教育工作者展開了深入的思考和實踐。

一、問題的提出

化學概念原理知識是學生化學學習的重要內容，承載著對物質性質、轉化及化學反應的認識功能與價值。在傳統的概念原理教學中，教師開展基于知識解析式的教學，對概念涉及的內涵和外延進行知識點式的逐條分解、固化;以及應用概念在解決“真實”問題中思維模板化、條目化，從而導致學生在學習概念原理時感覺“只見樹木、不見森林”，知識條目繁多，難于理解、難于記憶，更難于運用。由此可見，在學生頭腦中并沒有形成結構化的知識，自以為“掌握”的知識更不具有可遷移性。每當遇到較為復雜的實際問題時，便無從下手，不能獨立操作且自覺調用所學知識去解決問題。

化學學科核心素養是學生在面對真實復雜的問題情境時所表現出來的關鍵能力和必備品格。當學生在探究與創新實踐過程中遇到和發現問題時，需要調用原有模型，進行假設推理、尋找證據，并基于證據推理發現或建立新的模型。從這個意義上說，證據推理與模型認知是科學探究與創新的思維核心，也是科學探究與創新的方法。據此，基于新課標的課程理念，依據理解和應用學科素養框架開展“沉淀溶解平衡”單元教學設計，以幫助學生從學習和理解“難溶電解質在水溶液中存在沉淀溶解平衡”這一知識內容出發，基于知識載體設計有層次且具有挑戰性的學生活動，在探究中引導學生對實驗現象和現象背后的原因進行剖析、類比和歸納，提升學生對“沉淀的生成、溶解與轉化”實質的認識。在過程設計中突出發展學生“證據推理與模型認知”的化學學科素養，彰顯知識的素養發展價值。

二、教學內容分析

1.課標要求

《普通高中化學課程標準（2017年版）》在選擇性必修課程模塊1化學反應原理的主題3“水溶液中的離子反應與平衡”內容要求中指出：“認識難溶電解質在水溶液中存在沉淀溶解平衡，了解沉淀的生成、溶解與轉化”。在學業要求中指出：“能用化學用語正確表示水溶液中的離子反應與平衡，能通過實驗證明水溶液中存在的離子平衡，能舉例說明離子反應與平衡在生產、生活中的應用”。此外，在學習活動建議中提出了“沉淀的轉化”實驗及探究活動建議。

2.教材分析

“沉淀溶解平衡”隸屬于魯科版化學選擇性必修1第3章“物質在水溶液中的行為”的第3節，教學內容包括沉淀溶解平衡與溶度積、沉淀溶解平衡的應用。其中，教材著重討論了溶度積Ksp的相關概念以及如何通過比較溶度積與離子積Qc的相對大小，判斷難溶電解質在給定條件下沉淀能否生成或溶解。教材對難溶電解質溶解平衡的內容呈現，充分展示并承載著從微觀、動態、平衡的角度深入認識物質性質、轉化及化學反應的功能與價值，有助于發展學生對難溶電解質溶于水及其變化的微觀本質認識，進一步豐富和完善學生對離子反應的理解。

3.對知識的深入分析

（1）學科大概念背景下知識的教學價值

沉淀溶解平衡其核心內容是探討難溶電解質在其飽和溶液中的微觀、動態行為，發展學生對難溶物能否溶于水、生成沉淀的反應能否真正進行到底，以及在必修階段學習過的復分解型離子反應，如碳酸鈣與鹽酸的反應，兩種反應物是否真正“交換成分”的進一步認識，其上位的學科大概念是化學平衡觀。發展學生從反應有限度的平衡視角看沉淀的生成、溶解和轉化，認識結果將不再單一和固化。與此同時，變化平衡的高認知水平基礎是宏微結合。由此從三維目標的發展上看，學生通過對難溶電解質溶解平衡的學習，不僅可以很好地經歷“宏觀辨識與微觀探析”的辨識轉換過程，又能很好地體驗和感悟“變化觀念與平衡思想”這一化學學科特征，學習過程是基于知識學習轉化為學科能力和素養的有力抓手。

（2）依據相關知識間的聯系設計教學

“沉淀溶解平衡”單元教學安排2課時完成：第1課時著重探討沉淀溶解平衡的建立過程，從宏觀、微觀、動態、定量的視角看AgCl懸濁液與KI溶液的反應，然后將其轉化為分析物質性質及其變化的思路和方法;進而從溶解平衡的視角看Mg（OH）2的性質與反應，為后續應用核心知識解決較為復雜的實際問題打下基礎。第2課時學生在經歷通過實驗實現難溶物的生成與溶解的基礎上，重點探討沉淀轉化的方向問題，引導學生從理論分析和實驗探究兩個維度，探討了兩組難溶物BaCO3和BaSO4、AgCl和Agl相互轉化的可行性。與此同時，在實驗設計中借助學生在第1章學過的電化學原理，將不易觀察到的實驗現象轉化為具有說服力且可觀測的電壓數據，實現了概念原理知識間的融合，也著重培養學生“證據推理與模型認知”的學科思維素養。其相關知識間的聯系和主題教學框架如下圖1所示。

三、學生學習情況分析

1.學生已有的認知基礎

依據教材的學習順序，學生已經學習了電解質、氧化還原反應和電化學等化學核心概念及相關模型;初步建立了對化學反應的認識角度：化學反應的方向、速率、限度和能量。在本主題第1課時的學習中，已經認識到難溶電解質在其飽和溶液中存在沉淀溶解平衡，通過改變外界條件可以調控反應進行的方向，即沉淀的生成、溶解與轉化現象。

2.學生學習本課的障礙點分析

學生學習本課遇到的困難與常出現的錯誤有：①對沉淀發生轉化的方向問題認識片面。前測表明：班級2/3以上的學生普遍認為BaSO4沉淀不能轉化為BaCO3，Agl沉淀也不能轉化為AgCl…即溶解度較小的沉淀不能轉化為溶解度較大的沉淀。②依據實驗目的，在設計實驗方案尋找證據時，缺乏對獲得實驗證據條件重要性的認識，實驗條件的改變將直接影響獲得證據的有效性，缺乏對證據的準確性保持基本審慎的態度。③對電化學裝置模型的功能認識不足，沒有打通概念原理相關知識間的聯系，缺乏對應用所學知識分析并解決實際問題的角度與路徑。

四、基于理解和應用學科素養框架的教學活動設計與實踐

1.基于工業生產實際問題引出課題

課堂引入，首先給出一則實際問題的背景資料：

重晶石（BaSO4）是自然界中含鋇元素的重要礦石，其難溶于水，且難溶于鹽酸、硝酸等強酸。以重晶石為原料制取各種鋇鹽的方法之一是將其轉化為可用鹽酸溶解的BaCO3。

查閱物質在20℃時的溶解度數據，S（BaCO3）=l.4×10-3g，S（BaSO4）=2.4×10-4g，引導學生關注將BaSO4轉化為BaCO3的過程，是溶解度較小的鹽轉化為溶解度較大鹽的過程，那么這種轉化容易實現嗎？其轉化的原理和依據又是什么呢？至此，完成了課堂引入一即發現問題的過程，引導學生關注應用化學原理解決生產生活實際中的真實問題，也最大限度地承載了中學生社會責任的教育價值。

2.探究BaCO3和BaSO4間的相互轉化

在本環節中，教師圍繞“探究BaCO3和BaSO4間的相互轉化”，提出下述三個問題：

[問題1]設計實驗方案，探究BaCO3和BaSO4間的相互轉化，并說明設計依據。

[問題2]通過收集何種證據（現象），證實BaCO3和BaSO4實現了相互轉化。

[問題3]結合沉淀溶解平衡原理，解釋說明沉淀發生轉化的原因。

在分小組設計BaCO3和BaSO4相互轉化的實驗方案中，學生能夠依據沉淀溶解平衡原理，先建立平衡再設計沉淀轉化的方向;通過檢驗“反應物消失”或“生成物存在”等實驗證據，證實沉淀發生了轉化，說明學生已經具備了一定的證據意識。但在設計BaCO3轉化為BaSO4的實驗方案中，呈現出如圖2，圖3所示的兩種方案：

兩種方案的不同之處在于建立BaCO3的溶解平衡狀態時，BaCl2與Na2CO3溶液的用量相對多少問題。此時教師及時抓住教學契機，引導學生對兩組實驗方案設計進行反思和評價，啟發學生找到某種過量的試劑對后續實驗造成的影響，以及判斷據此得到的實驗現象能否作為可信的證據進行推理。期間，進一步強調實驗證據的有效性及獲得實驗證據條件的重要性，提醒學生在進行證據推理時應保持基本的審慎。

依據學生設計的方案，分小組完成BaCO3和BaSO4間的相互轉化，對假設進行證實或證偽。通過觀察加入稀鹽酸后無明顯現象，證實BaCO3可全部轉化為BaSO4;對比加入稀鹽酸后產生少量氣泡，沉淀部分溶解，說明BaSO4部分轉化為BaCO3。通過對比實驗，使學生深刻體驗和感悟沉淀轉化的過程性及差異性，為后續的理論分析打下基礎。

隨后討論問題3：結合沉淀溶解平衡原理，解釋說明沉淀發生轉化的原因。通過分析、歸納促使溶解平衡發生移動的因素及上述實驗現象可知：溶解度小的沉淀轉化成溶解度更小的沉淀容易實現，反之則不易。此環節引導學生初步建立現象證據和理論證據間的聯系，點撥學生基于證據進行邏輯推理的分析角度和思維路徑。那么，對于溶解度相差較大的物質，其沉淀間的轉化是否能夠實現呢？

3.Agl向AgCl發生轉化的可行性分析及實證

問題的提出激發了學生的探究欲望和興趣。隨后一些學生也疑惑起來，對由Agl沉淀向AgCl轉化的可行性提出質疑，課堂上出現了兩種不同的聲音。此時，教師拋出兩個引導性問題啟發學生做進一步思考：

[問題4]依據溶度積常數，計算向Agl懸濁液中加入c（Cl-）為多大時，可產生AgCl沉淀。

[問題5]設計實驗驗證：Agl轉化為AgCl。

問題4要求學生結合AgCl和Agl的溶度積數據，進行理論推算，學生計算結果如下：

通過計算結果可知：若要產生AgCl沉淀，溶液中的c（Cl-）≥0.02mol/L時即可實現，理論上此條件完全能夠達到，由此可得Agl也可以轉化為AgCl沉淀。但在實際操作中，向Agl懸濁液中加入飽和NaCl溶液，沉淀仍為黃色，始終未觀察到預期的白色AgCl沉淀。本環節利用理論證據與實驗證據呈現出的相反結果制造思維沖突，促使學生深刻感受理論推演與實證的差異性，以及在真實情況下化學反應的復雜性。

進而引導學生尋找原因，再次回到反應體系本身進行分析。在Agl懸濁液中，溶液中的c（Ag+）已經很小，即使生成AgCl，其物質的量也很小;再加之AgCl為白色沉淀，受到黃色Agl沉淀的干擾和覆蓋，更難于觀察。為此，如何設計實驗，實現由Agl轉化為AgCl，并獲得有明顯可觀測的實驗現象或證據呢？隨之教師繼續給出一組背景資料：

①查詢物質的氧化還原性數據可知：2Ag++2I--I2+2Ag。

②其它條件不變時，參與原電池反應的氧化劑（或還原劑）的氧化性（或還原性）越強，原電池的電壓越大。

③離子的氧化性（或還原性）強弱與其濃度有關。

依據補充資料，進一步啟發學生思考：Ag+可以氧化I-，能否依據氧化還原反應的實質，將此反應設計成原電池，通過改變物質的濃度來改變其氧化（還原）性，進而通過觀測電池兩電極間電壓的變化，說明Agl轉化為AgCl呢？隨后小組間圍繞實驗設計展開了激烈地討論、分析和論證，設計出如下圖4所示的實驗裝置及相關實驗步驟。在師生間的對話中，教師重點要求學生闡明“為什么要這樣設計實驗”及“哪些實驗現象能夠支撐所得結論”，促使學生的思維完整而有序。

相關實驗步驟及原理分析如下：

[步驟1]如圖連接裝置并加入試劑，閉合K，觀察并記錄電壓表讀數。

[步驟2]向盛有KI溶液的燒杯中不斷滴入AgNO3（aq），至不再產生黃色沉淀為止;由于發生反應：Ag++I-=Agl↓，導致c（I-）降低，還原性減弱，電壓表讀數減小。

[步驟3]再向盛有KI溶液的燒杯中加入一定量的NaCl固體，由于增大了溶液中c（Cl-），可使Agl（s）+Cl=AgCl（s）+I-正向移動，導致c（I-）增大，還原性增強，電壓表讀數增大。

[步驟4]重復步驟1，再向盛有KI溶液的燒杯中加入與步驟3等量的NaCl固體，觀察并記錄電壓表讀數與步驟1相同，排除了加入的NaCl固體與AgNO3形成原電池對實驗產生的影響。實驗過程中電壓表的讀數變化如下圖5所示。

據此，可以通過觀測電壓表讀數的變化趨勢來證實AgI（s）+Cl-=AgCl（s）+I-沉淀轉化的發生。在本環節中，教師也潛移默化地教給學生實驗方案設計的一般思路與方法——先理性分析，明確實驗目的，再設計方案進行實證，最終得出結論。

4.課堂小結

本環節先由學生自行整理收獲與感悟，教師給予適當點評和補充，也提升了課堂小結的起點。教師重點圍繞學生在本節課認識發展上的提升和探究過程中證據推理思維模型的構建進行課堂小結。本課時探討物質的溶解度大小與沉淀轉化方向間的關系問題，基于對沉淀轉化一般規律的認知，圍繞由Agl（s）→AgCl（s）轉化這一核心問題開展實驗探究，充分發揮電化學裝置的實驗研究功能，提升學生對沉淀轉化實質的認識。課堂教學過程遵從開展科學探究過程的一般思路：從真實情境中確立問題一形成假設、拆解問題一實證法收集證據、分析問題一獲得結論，解決問題。在探究中，學生基于資料、數據和電化學裝置結構模型進行分析、推理，對假設進行證實或證偽，逐步發展了學生的證據意識。

五、素養導向的教學實踐認識與反思

1.精心設計教學環節，依托探究活動提升證據意識

教育家杜威說，探究是“對任何一種信念或假設的知識進行的積極、持續、審慎的思考”。在課堂教學中，逐步發展學生的證據意識，既要讓學生感受理論證據推導中的科學性，又要讓學生體驗實驗證據的過程性和復雜性，需要教師精心設計課堂上的學生活動環節，堅持以開展科學探究的學習方式發展學生“證據推理與模型認知”的學科素養。我們說，化學反應是有一定規律的，但化學實驗的結果又具有不確定性。例如在本課時中，學生通過理論計算得出，只需向AgI的懸濁液中加入0.02mol/L的NaCl溶液，即可實現Agl轉化為AgCl。但實驗實證卻發現，即使加入飽和NaCl溶液，也始終未觀察到AgCl白色沉淀的生成。開展教學設計時，教師有意識地設置了這樣的“沖突”環節，理論證據和實驗證據產生了“矛盾”，探究中獲取的證據錯了嗎？隨之引發學生對推理過程的再思考。設置學生分組研討，對探究中的證據展開多次理性的剖析，層層深入，最終找出問題所在，為后續進一步提升學生對沉淀轉化實質的認識打下了堅實的基礎。

2.基于模型揭示變化過程，打通概念原理知識間的聯系

化學中的模型認知可理解為“利用模型進行思維的一種方法”，即基于一定的感性認識，以理想化的思維方式對看不見的化學原型客體進行近似、簡化的摹寫，以揭示其本質和規律的一種科學抽象方法。電化學原理及其裝置是高中階段學生認識的典型學科模型，學生認識其功能主要有：化學能與電能間的能量轉換、應用原電池或電解池原理制備物質等。本課時基于原電池裝置開展實驗研究，將試管實驗中不易觀察到的沉淀轉化現象轉化為具有說服力的可觀測的電壓數據，用電壓數據產生的變化揭示化學反應過程，為拓展學生的實驗設計思路提供了新的角度和路徑，并據此轉化為今后研究同類型問題的一般思路與方法。在探究活動中，學生積極、主動參與實驗過程，充分體驗和感悟概念原理知識對實踐的指導價值，承前啟后，在學習過程中收獲成就感。

六、結束語

總之，證據推理與模型認知不僅是化學科學發展的重要元素，也是化學學習中不可或缺的認知能力。這些能力不僅有助于學生深刻理解知識是如何建構的，更有利于學生的知識遷移。2017版新課標提出以素養發展導向的教學，發展學生的學科核心素養，需要廣大一線教師在每一節常態課上扎扎實實地去設計教學，改變以往的教學范式，大跨步地開展學科素養導向下的教學實踐，進行更多有益地探索與嘗試。