基于“模型认知”素养导向的高中化学教学设计

姬丽娜

【内容摘要】本文以“沉淀型离子反应”教学为例，以高一学生作为教学对象，从溶解度角度出发，设计教学案例，分析以碳酸钙、氢氧化钙、碳酸氢钠三种物质为代表的难溶物、微溶物、可溶物的沉淀反应，定性建构模型，利用模型帮助学生建立“宏观辨识与微观探析”之间的桥梁，使学生对沉淀型的离子反应有本质上的理解，从而提升化学核心素养。

【关键词】模型认知沉淀溶解度离子反应宏观微观

一、问题的提出

化学是在原子、分子水平上研究物质性质及其变化的科学，原子、分子不可见，化学客观规律、物质性质及其变化的解释亦十分抽象，学生通常无法为宏观的实验现象与符号搭起联系的桥梁，或者只是记忆特定表征形式所建构的化学理论、实验的结果以及特定的化学反应，这种割裂的、片段式的学习无法统整与理解化学符号与宏观现象的关联[1]。宏观与微观的联系是化学学科最具特征的思维方式，“宏观辨识与微观探析”也正是化学学科的核心素养要求之一，这就要求执教者有意识的帮助学生在课堂中渗透。

二、化学模型的认识

高中化学学科的核心素养其中之一“证据推理与模型认知”，而模型是指人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的描述。这种描述可以是定性的（如对原子结构的描述），也可以是定量的（如PV=nRT）。有的借助于具体的实物来描述（如分子结构的球棍模型），有的则通过抽象的形式（如符号、文字、公式等）来描述[2]。《普通高中化学课程标准》（2017版）中对“模型认知”是这样要求的：“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，解释现象的本质和规律，形成化学学科的思想和方法。”[3]本文以“沉淀型离子反应”教学为例，重新整合教材，在课堂中渗透核心素养要求，帮助学生自主构建定性的思维模型，建立“宏观辨识与微观探析”之间的联系。

三、教学背景

“离子反应”是高一化学必修课程中的重要内容之一，是高一年级学生建立微观和宏观之间的重要桥梁，而离子方程式正是对宏观现象的微观符号表征。

以往的教学中，老师往往给了学生一些简单的识记方法，比如离子反应发生的条件之一产生沉淀。从教学现状看，但大部分学生只是记住溶解性，并未对这一条件进行深入思考和理解。高一大部分学生甚至高二的学生对离子反应的学习仅停留在对反应发生条件记忆的阶段，对本质的理解并不透彻且有一定困难，因此当遇到某些微溶物甚至可溶物沉淀时，便会产生困惑，无法将现象与符号表征准确地联系在一起。基于此，本节课通过模型建构的设计和实践，帮助学生建立起宏观现象与微观活动之间的桥梁。

四、教学思路和目标

1.教学思路

本節课融合建构主义理论为指导思想，以5E教学模式为主要策略，对难溶物、微溶物、可溶物分别产生沉淀的过程进行整合，帮助学生初步建立模型，从微观层面分析宏观现象，将宏观现象与微观活动联系起来。通过本节课的学习，学生由已有认知难溶物沉淀导入，思考微溶物沉淀情况，初步建立定性模型，应用于解释可溶物产生沉淀的情况。并对教材资料进行整合，拓宽学生视野，用模型解释工业生产过程中的相关问题。

2.教学目标

（1）通过情境创建，感受我国化学工业的发展历程，了解侯德榜先生的重要的化学贡献，感受化学工业对经济发展的重要作用。

（2）通过分析假设和实验验证向CaCl2溶液中逐滴加入NaOH溶液的实验现象，初步建立宏观认识和微观探析之间的桥梁。

（3）通过CaCl2溶液与NaOH溶液反应的实验现象推测和验证，初步建立沉淀型离子反应条件的模型，并应用于解释可溶物产生沉淀的离子反应。

3.评价目标

（1）通过对CaCl2溶液与NaOH溶液反应的现象的推测以及依据的说明，发展学生微观探析和宏观辨识之间联系的能力。

（2）通过碳酸钠溶液中通入CO2现象的分析以及化学方程式的书写，诊断并发展学生建立模型的水平，发展学生用微观探析预测宏观现象的能力。

（3）通过侯氏制碱法原理的分析，以及化学方程式的书写，诊断并发展学生应用模型的水平。

五、教学设计与实践

1.认知冲突，引发思考

侯德榜先生与侯氏制碱法原理介绍，由氯化钠制备碳酸氢钠，思考：是否是离子反应，离子反应发生的条件是什么？

举例回顾离子反应发生的条件，其中之一是生成难溶物。

那么微溶物、可溶物是否也会发生类似的反应？

[设计意图]

从学生较为熟悉书本材料切入，由氯化钠制备碳酸氢钠，引导学生思考这个反应发生的条件，在学生的认知中碳酸氢钠是易溶的物质，与已有知识“离子反应条件之一生成难溶物”这一认知有所冲突，引发学生的思考，重新思考离子反应的本质。

2.初建模型

[问题讨论]向CaCl2溶液中逐滴加入NaOH溶液，现象？

生甲：有沉淀。

生乙：无沉淀。

[实验1]甲乙两生分别上台演示实验。

结果甲无沉淀，乙有沉淀。全班哗然。

提示：仔细看试剂瓶，所用试剂有何区别？

生甲：我用的是0.01mol/L。

生乙：我用的是1mol/L。

剖析实验现象：

乙（有沉淀）陈述：存在微粒？混合后情况？离子浓度变化？是否发生离子反应？

书写离子方程式。

甲（无沉淀）陈述：存在微粒？混合后情况？离子浓度变化？是否发生离子反应？原因？

[归纳]微溶物作为产物的离子反应发生的条件。

【初建模型】微溶物：当溶液中某些离子浓度超过对应物质的溶解程度时，就会产生沉淀，即发生离子反应。

[设计意图]

高一学生的认知中，难溶物是沉淀，符合离子反应发生的条件之一，但是对于微溶物的离子方程式书写并不清晰，究其原因还是对离子反应本质的理解不到位。此处用实验证明，即使物质相同，微观粒子的浓度不同，得到的宏观现象也可能会不同，让学生直观地认识到宏观与微观直接的联系，同时初步建立起模型。甲乙学生演示实验时安排与他们自己推测结果不同的实验组，引发思考，对离子反应条件有深入的理解。

3.模型加工

[问题讨论2]

（1）向稀的碳酸钠溶液中通入CO2，写出离子方程式。

（2）向饱和的碳酸钠溶液中通入CO2，预测实验现象？

[实验2]向充满二氧化碳的矿泉水瓶中滴加饱和碳酸钠溶液，迅速密封，并充分振荡，观察并解释实验现象。

[学生活动]写出实验2结晶过程的离子方程式？

[归纳]可溶物作为产物的离子反应发生的条件。

[模型加工]可溶物：当溶液中某些离子浓度超过对应物质的溶解程度时，也会产生沉淀，即发生离子反应。

[设计意图]选用碳酸钠制备碳酸氢钠沉淀的实验，为解决开课情境中的问题做好铺垫。碳酸氢钠是一种易溶物质，设计不同浓度下的对比实验，得到现象不同，引发学生对沉淀型离子反应条件本质的再思考。有了前面微溶物模型的建立，对易溶物沉淀的现象的解释相对容易，对模型的再加工和应用范围的扩大，也帮助学生更好地理解了沉淀型离子反应的本质。相同物质的反应，离子方程式却不同，现象也不同，也就意味着微观活动不同，导致宏观现象不同，通过微观探析和宏观验证，帮助学生建立起宏观现象和微观活动之间的联系。

4.解决问题

还原情境。侯氏制碱法：向饱和NaCl溶液中通入氨气，再通入过量的CO2，其反应方程式为：NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3=Na2CO3+CO2↑+H2O

给出Na2CO3、NaCl、NH4HCO3、NaHCO3、NH4Cl、NaOH等物质的溶解度，设计问题：

（1）NaCl溶液为什么要饱和？

（2）将二氧化碳通入氨的氯化钠饱和溶液中，如果没有NH3，直接通CO2会得到沉淀吗？

（3）請写出沉淀过程的离子方程式。

（4）NaOH溶解度大，能够提供浓度较大的Na+，CO2又能和OH-反应得到HCO3-，为什么不选？

（5）通二氧化碳先产生的是Na2CO3，为什么要先得到NaHCO3，而不是直接获得Na2CO3？

[设计意图]通过一系列的问题思考，引导学生利用已建立的模型，解释侯氏制碱法中要获得NaHCO3晶体，本质上要得到浓度足够大的Na+和HCO3-，再次将微观活动和宏观现象联系在一起。

5.拓展应用

（1）硝酸钾晶体的制备：工业上多以硝酸钠和氯化钾为主要原料生产硝酸钾，副产品为氯化钠。（2）硫酸亚铁氨的制备。

[设计意图]

《实验化学》中这两节内容的制备原理与本节课内容相一致，在此整合引入，拓宽学生视野，明白沉淀型离子反应的应用在实际工业生产中较为广泛，也是对本节课建立的模型的应用，同时也为高二的实验化学的学习做好准备。

六、总结与反思

1.明确思想，注重设计

目前发展核心素养的教学被广泛关注，核心素养如何被渗透于教学中，最重要取决于教师对课堂的设计。不同的理念会筛选出不同的教学思想，选用不同的教学策略。认真思考课程的内容，深入挖掘内容背后所能够提升的学科素养，才能更好地融入课程设计，提高课堂的有效性。课前充分的准备和设计，能够使课堂节奏紧凑，环环紧扣，提高课堂效率。

2.做好实验，深度探索

化学是以实验为基础的学科，在化学教学中，实验是不可或缺的教学手段。实验是宏观辨识的最有力的工具，实验的设计取材应为教学设计服务。特别是当实验结果与原有认知相冲突的时候，学生会产生较强的求知欲，分析原因，重新认知，对已有知识重新梳理、完善。

3.评价设计，略有欠缺

本次教学设计和实践过程中，评价的设计不够到位，在课堂中的评价局限于离子方程式的书写，问题的解决程度，以定性的评价为主。形式上以教师评价为主，也可以充分发挥学生自评和互评。课后评价可以设计针对核心素养目标设计问题，形成定量的数据反馈。

【参考文献】

[1]邱美虹，钟建坪.模型观点在化学教科书中的角色与对化学教学之启示[J].化学教学，2014（1）：3-6.

[2]雷范军.新课程教学中强化训练化学模型方法初探[J].化学教育，2006，27（4）：17.

[3]中华人民共和国教育部制定.《普通高中化学课程标准》（2017年版）.北京：人民教育出版社，2017.

（作者单位：杭州市余杭实验中学）