以大概念引領，促進學生自主建構知識體系的教學研究
——以高三化學復習“物質結晶微專題”為例

邢東陽 王 玲 楊 劍 曾仲獻 陳婷利

（1.佛山市南海區南海中學 廣東 佛山 528200；2.佛山市南海區南海實驗學校 廣東 佛山 528251；3.佛山市南海區教育發展研究中心 廣東 佛山 528200）

一、問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》［1］明確指出，“重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實。”“大概念”是課程內容的核心知識，需要學習者從探究、討論、驗證等學習經驗中總結而得，從而培養學習者掌握一種“透過表面現象發現本質”的認識論和價值觀。由此可見“大概念”是具體知識背后的核心內容，深入挖掘“化學學科大概念”在課堂教學中的價值，是促進化學核心素養落地，培養學生關鍵能力與必備品格的必然要求。

產品的獲得是制備實驗和工藝生產中的核心問題。如何在復雜的環境中創造條件讓目標物質結晶析出一直是高考的熱點話題；但有關晶體析出的基礎知識在初高中教材中均以點狀分布，造成目前在高三復習時較為常見的方法是選擇典型例題，讓學生首先試錯，然后再根據溶解度隨溫度的變化情況歸納析出晶體的解題技巧，最后簡單介紹利用同離子效應和加入有機溶劑析出晶體的常溫結晶方法，這樣的復習模式導致學生對“物質結晶”的方法選擇上是基于已有的經驗，甚至是記住幾種方法。學生在學習的過程中因沒有系統性、本源性知識的形成，認知思維僅停留在具體操作方法的選擇層面，面對復雜的真實情境時難以厘清知識的脈絡關系，導致復習效果不佳。因此，在高三復習時基于“學科大概念Q（離子積）與Ksp（溶度積）的關系”對晶體析出這一現象的本質原因及相關知識進行梳理與整合，促進學生將碎片化的結晶知識系統化、結構化顯得尤為必要。

二、教學背景分析與教學設計框架

1.教材與課標分析

初中教材在“水與常見的溶液”課題2溶解度部分介紹了飽和溶液、結晶、溶解度三個基本概念。課標的要求是：了解飽和溶液和溶解度的含義；知道結晶現象。依據初中教材內容的設置及課標要求，在初中階段學生對結晶知識的認識僅停留在單點知識層次，即通過蒸發結晶或冷卻結晶可以獲得晶體；晶體析出時溶液達到了飽和狀態；晶體的析出與溶解度有關；但是學生認知思維達不到建立晶體析出與溶解度、飽和溶液的深層關聯。高中階段在必修1第一章“物質的分離提純”內容板塊粗鹽的提純實驗中用到了“蒸發結晶”，《有機化學基礎》第一章第三節內容苯甲酸的分離提純實驗中用到了“重結晶”，因此學生對“物質結晶”的理解僅為一種分離提純方法。通過分析“物質結晶”在三本教材中的內容，我們不難發現三個問題：一是教材上沒有系統完整的結晶知識的介紹；二是結晶方法僅停留在蒸發結晶與降溫結晶；三是沒有從速率與平衡的視角解釋結晶的本質原因。這就導致學生對結晶認識的碎片化和平面化，從而導致學生在復雜的情境中難以厘清條件控制與目標物質析出之間的因果關系，無法從本質上解決晶體析出的相關問題。從知識本源上看，物質從水溶液中的結晶問題應屬于“水溶液中的離子反應與平衡”主題知識的一部分，新課標［1］明確提出從離子反應、化學平衡的角度認識電解質水溶液的組成、性質和反應，思考平衡問題的方式更多體現在K-Q關系層面，分析平衡移動，發展學生的微粒觀、平衡觀，形成認識水溶液中離子反應與平衡的基本思路。基于此，本文利用真實情境，通過大概念引領，幫助學生建構完整的物質結晶知識體系，引導學生從速率與平衡的新視角深層次理解結晶問題，提升學生在復雜情境中解決真實問題的能力。

通過教學背景分析可以看出，在不同學段“物質結晶”知識進階如圖1所示。由圖1可以看出，在高三復習時，非常有必要對物質結晶的知識進行系統的歸納與深層次的挖掘，提煉學科大概念，深化學生對結晶現象本源的認知。

圖1 “物質結晶”學習進階

2.文獻分析

在中國知網上以“物質結晶”為主題詞，可以檢索到97 篇文獻，其中與本文有關聯的僅6 篇，這6 篇文獻涉及簡單介紹結晶方法、［2］試題中結晶方法的選擇技巧與歸納、［3-5］物質的分離提純、［6］物質的簡單制備，［7］但都未從平衡視角對物質結晶問題進行闡述。因此，基于大概念Q與Ksp的相對關系探討物質從溶液中的結晶問題具有重要現實意義。

3.教學設計框架

教學內容是核心素養形成和開展學習活動的載體，依據“物質結晶”的學習內容，本教學設計參考錢揚義教授的五線譜［8］教學模式，以復分解法制備硝酸鉀為真實情境，通過5個教學任務展開設計，利用問題驅動，將知識的獲得、能力的提升、情感的體驗、素養的發展等有機融合（見圖2）。

圖2 “物質結晶”教學設計框架

三、教學實錄

1.從速率與平衡的視角認識“物質結晶”的本質原因

【教師】播放利用復分解法制備KNO3的無聲實驗

視頻【問題1】實驗視頻中為什么會析出晶體？

【學生】析出晶體是因為該晶體在溶液中達到了飽和。

【追問】溶液飽和的實質是什么？

【生甲】飽和就是不能再溶了。

【生乙】飽和就是固體溶質進入溶液的速率等于溶液中溶質微粒回到晶體表面的速率，溶液中溶質分子或離子的量不再發生改變。以NaCl溶液為例，在飽和的溶液中存在平衡：

【追問】能否借用沉淀溶解平衡理論定量描述一下晶體析出的原因？

【生丙】晶體析出是因為外界條件的變化導致溶液中化合物離子的離子積Q>Ksp，溶解結晶平衡向著晶體析出的方向移動。

設計意圖：通過問題串連續診斷學生對晶體析出這一概念本質原理的掌握水平，引導學生從速率與平衡理論認識結晶現象，促進學生對結晶問題認知的思維進階，同時引導學生從宏微結合的視角解釋推理物質的變化規律。

2.探究“物質結晶”的外界影響因素——完善結晶知識體系

【問題2】你有什么方法可以讓溶質結晶析出呢？

【學生】蒸發濃縮。

【追問】蒸發濃縮時我們改變的外界條件是什么？

【學生】溫度、溶劑的量。

【追問】你還有其他方法讓溶質達到飽和而結晶析出嗎？

【學生實驗1】常溫下，向1支大試管中加入20 mL飽和的NaCl溶液，然后向其中滴加濃鹽酸。

【學生實驗2】常溫下，向1支大試管中加入20 mL飽和的NaCl溶液，然后向其中加入20 mL無水乙醇。

【追問】你觀察到了什么現象？你能解釋產生該現象的原因嗎？

【生甲】向飽和的NaCl溶液中滴加濃鹽酸，有白色晶體析出。原因：向飽和的NaCl 溶液中滴加濃鹽酸時，因c濃鹽酸（Cl-）>c飽和NaCl（Cl-），導致溶液中溶質NaCl的Q>Ksp從而析出NaCl晶體。

【生乙】向飽和的NaCl溶液中加入無水乙醇，有白色晶體析出。原因是乙醇為極性較小的有機溶劑，向水溶液中加入乙醇，減小了溶劑的極性，而NaCl 是離子化合物，根據“相似相溶原理”，NaCl難溶于乙醇，導致NaCl結晶析出。

【老師】同學們回答得非常好！向飽和的NaCl 溶液中滴加濃鹽酸析出NaCl 晶體就是我們平常所說的同離子效應，其本質是增大了離子積Q，導致Q>Ksp，晶體析出；而向飽和的NaCl溶液中加入無水乙醇改變了原有溶劑的極性，相當于減小了NaCl 的溶解度，即減小了Ksp，導致Q>Ksp，從而析出晶體。

【課堂歸納】請同學們根據上述問題的解決以流程圖的形式歸納晶體析出的影響因素。

教師展示晶體析出影響因素的流程圖，見圖3。

圖3 物質結晶的影響因素

設計意圖：通過對實驗現象的推理與問題的解決，讓學生的認知水平和思維方法可視化，促進學生自主建構晶體析出影響因素的完整知識體系，發展學生的證據推理能力和解決真實問題時的有序思維與歸納能力，培養學生分析問題的一般思維模型，引導學生從知識的本源“有結晶，必有Q>Ksp”的“平衡觀”新視角來深度認識結晶問題。

3.提煉物質結晶的大概念，建構物質結晶的思維模型

【老師】根據對結晶知識的學習與理解，請同學們討論如何分別從單一的NaCl 溶液、KNO3溶液、NaH?CO3溶液、AlCl3溶液、FeSO4溶液中獲得晶體，并分享討論結果。

教師根據同學們的討論結果有序建構晶體析出方法的二維坐標圖，見圖4。

圖4 晶體析出方法的二維坐標

【問題3】依據圖4 內容，請同學們思考不同體系析出晶體有什么相似性或規律？

【生甲】結晶方法的選擇要根據溶質的物理化學性質而定。

【生乙】通過具體操作必須實現溶質的Q>Ksp才能析出晶體。

【老師】結晶方法的選擇實質就是控制條件，而條件的控制需要從溶質的物理與化學性質角度進行思考，基于此我們可以抽象出析出晶體的思維模型如圖5所示：

圖5 晶體析出的思維模型

設計意圖：通過分析不同物質獲得晶體方法的不同，外顯學生利用控制條件獲得晶體的認知發展水平，同時引導學生：選擇合理的結晶方法不僅要考慮溶解度隨溫度的變化因素，還要考慮溶質本身的熱穩定性、水解性、氧化還原性以及同離子效應和溶劑的極性，強化“性質決定方法”的化學基本觀點，促進學生思維進階，并構建晶體析出的思維模型。

4.解決混合體系物質結晶問題——強化大概念，促進認知思維進階

【問題4】基于Q與Ksp的關系建構的結晶思維模型是否適用于混合體系呢？

【學生實驗3】利用復分解反應制備KNO3。分別稱取18.62 g KCl 與20.12 g NaNO3固體，倒入大燒杯中，向其中加入100 mL熱蒸餾水，攪拌后將溶液倒入蒸發皿中，蒸發濃縮至有部分晶體析出，停止加熱，趁熱過濾得到固體A；待濾液冷卻，析出晶體后過濾，得到固體B。

【老師】請同學們畫出實驗3的實驗流程圖，并根據表1 的相關信息判斷固體A 和B 的主要成分是什么？說明判斷理由。

表1 NaNO3、KCl、NaCl和KNO3四種鹽的溶解度與溫度的變化

【老師】請同學們展示分享制備KNO3的實驗流程圖，并匯報固體A、B的主要成分。見圖6。

圖6 制備KNO3的實驗流程圖

【學生】固體A是NaCl，固體B是KNO3。根據表1信息，混合溶液在約100 ℃進行蒸發濃縮，隨著溶劑量的減少，四種鹽中因NaCl 的溶解度最小，最先達到飽和而結晶析出，因此，固體A 為NaCl；當NaCl 大量結晶析出后，溶液中主要含K+和，因KNO3的溶解度隨溫度的降低迅速減小，降溫后結晶析出，因此固體B為KNO3。

設計意圖：通過實驗現象和已知素材，診斷并發展學生的證據推理能力；通過推理結論的展示與分享幫助學生建立混合溶液中微粒之間存在的競爭意識，理解晶體析出的本質規律符合“優勝劣汰，適者生存”，把握析出晶體的核心思路——即控制合適條件，讓目標物的Q>Ksp，從而結晶析出。析出物的種類為該條件下溶解度最小的物質，最終實現溶液中離子的重新組合，促使復分解反應的被動發生。

5.挑戰真題——診斷學生基于Q 與Ksp的結晶思維模型在復雜情境中的問題解決能力

【問題5】你能運用Q與Ksp的結晶思維模型突破真題嗎？

例1：（2018 江蘇卷節選）以Cl2、NaOH、（NH2）2CO（尿素）和SO2為原料可制備N2H4·H2O（水合肼）和無水Na2SO3，其主要實驗流程如下：

（3）步驟Ⅳ用步驟Ⅲ得到的副產品Na2CO3制備無水Na2SO（3水溶液中H2SO3、隨pH 的分布如圖7所示，Na2SO3的溶解度曲線如圖8所示）。

圖7 微粒隨pH的分布圖

②請補充完整由NaHSO3溶液制備無水Na2SO3的實驗方案：______，用少量無水乙醇洗滌，干燥，密封包裝。

【解題思路】根據圖7 可知，要析出Na2SO3晶體必須控制pH 為10 左右，根據圖8 可知要析出Na2SO3晶體，溫度必須控制在34 ℃以上，且發現Na2SO3的溶解度隨溫度的升高而降低，所以在具體實驗操作時，應先調節溶液的pH 值，然后控制溫度蒸發結晶，增大Q，使Na2SO3的Q>Ksp。

圖8 Na2SO3的溶解度曲線

答案：邊攪拌邊向NaHSO3溶液中滴加NaOH 溶液，測量溶液pH，pH約為10時，停止滴加NaOH溶液，加熱濃縮溶液至有大量晶體析出，在稍高于34 ℃條件下趁熱過濾。

例2：（2020 新課標Ⅰ）釩具有廣泛用途。黏土釩礦中，釩以+3、+4、+5 價的化合物存在，還包括鉀、鎂的鋁硅酸鹽，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工藝流程可由黏土釩礦制備NH4VO3。

圖9 由黏土釩礦制備NH4VO3的工藝流程

（6）“沉釩”中析出NH4VO3晶體時，需要加入過量NH4Cl，其原因是___________。

【解題思路】根據題干提示“沉釩”中析出NH4VO3晶體時，需要加入過量NH4Cl，NH4Cl 是易溶于水的鹽，NH4Cl 的加入會增大，從而增大NH4VO3的Q，實現Q>Ksp。

答案：利用同離子效應，促進NH4VO3盡可能析出完全。

設計意圖：例1 中設問點涉及的核心問題是如何根據題干信息選擇并控制結晶的條件與實驗操作；例2 設問點涉及的核心問題是析出晶體進行操作的目的、原因和作用。這樣的例題選擇一是為了讓學生熟悉結晶問題的問答點是圍繞“怎么做？為什么要這么做？”；二是為了讓學生在用模型時結合物質的性質抓住條件的變化與控制皆是為了改變Q或Ksp，從而實現Q>Ksp，導致晶體析出，實現高效的解題思維，提高備考效率。

四、教學反思

1.化學課程基本理念重視開展“素養為本”的教學，倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，重視教學內容的結構化設計，激發學生的學習興趣，促進學生學習方式的轉變，培養他們的創新精神和實踐能力。［1］本文以復分解制備KNO3為真實情境，通過“任務驅動”將具體知識的學習嵌合于真實的情境中，促進教學中從知識解析的模式向學生認識發展的模式轉變，實現學生對知識的自主建構，讓課堂生態化、持續發展化。

2.“問題驅動”是以建構主義教學理論為基礎，通過設置層層遞進的問題，引導學生在問題解決中獲得知識和方法，同時實現核心素養的培養，充分發揮學生的主體作用。設置有效的問題是發展思維的核心。本文通過問題鏈層層遞進，啟發學生進行合理的預測、探究、討論、論證，幫助學生自主建構系統化、結構化、模型化的結晶知識體系，同時引導學生從“平衡觀”學科大概念的新視角理解溶液中的結晶現象，促進學生對結晶問題認知的思維進階。通過課堂實施，學生能深刻認知到結晶的本質是通過控制外界條件，使溶質的Q>Ksp，從而啟動溶液中離子間被動發生復分解反應，形成結晶問題的“條件控制平衡觀”。

3.運用模型思想，能使學生突破感官和時空的局限，充分發揮他們的想象、抽象和推理能力。運用模型思維方法，可以拓展學生的思維領域，從而提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。［9］本文基于學科大概念“平衡觀”，建構了簡單適切的結晶問題思維模型，通過復雜情境用模實踐，發現學生能根據模型思想快速找到突破口，高效解決問題。這一事實說明，基于學科大概念Q與Ksp建構的結晶問題思維模型，能夠促進學生的思維進階，實現復雜情境中選擇科學的結晶方法，實現分離提純獲得產品的基本需求，體現知識的實用價值，落實學科素養。