培养学科核心素养 实践化学建模教学

胡倩

摘 要：以高中化学核心概念之一的“盐类水解”为例，基于模型教学的一般步骤（情境创设、模型建构、模型应用、模型修正、模型评估）的教学设计，旨在帮助学生提高综合素养，培养化学思维，建立解决盐类水解问题的模型.

关键词：核心素养;盐类的水解;化学建模;高中化学

中图分类号：G632   文献标识码：A   文章编号：1008-0333（2022）06-0110-03

1 化学建模教学

建模教学是一种通过教学活动，利用证据推理和经验来建构模型，借助图画、表格、符号、数据、文字表征具体过程，然后利用模型帮助学生解决实际问题，理解客观事物的本质，提高认知发展水平，最终达到提升学生的化学思维，提高学生核心素养的目标.

化学建模教学就是将建模的思想融入到化学教学活动中，本文对化学建模教学的步骤进行了实践探究.

2 化学建模教学的过程—以“盐类的水解”为例

2.1 教材和学情分析

“盐类的水解”选自高中化学人教版选修四模块《化学反应原理》中的第三章第三节，之前学生已初步掌握了溶液酸碱性的判断方法及其微观实质，在教学设计中需要通过任务和实验探究活动的设计，引导学生学会利用模型进行证据推理和模型认知，提高解决实际问题的能力.

2.2 设计思路

以模型构建为教学主线，通过情境创设、模型构建、模型应用、模型修正、模型评估的教学设计层层递进，将小组合作、实验探究、思考讨论、总结归纳、模型构建等教学环节连贯起来，激发学生的主观能动性，建立宏观现象、微观本质、符号表征之间的联系，梳理概念和原理，构建模型认知，形成化学思维，内化“盐类水解”这一核心概念，真正理解原理的本质，从而学会分析复杂的化学情景，解决实际问题.

2.3 教学过程

2.3.1 情境创设

[提出问题]日常生活中我们熟悉的“纯碱”明明是“盐”，可为什么叫“碱”呢？提出问题，引发学生思考讨论.

[思考讨论]学生提出可能因为纯碱的水溶液呈碱性，小组讨论验证方法，提出可以用酸碱指示剂（例如酚酞）、pH试纸或者pH计测出纯碱溶液的酸碱性.

[提出问题]请同学们复习回顾前面的知识，溶液呈酸碱性的实质是什么？

[总结归纳]在溶液中，当c（H+）>c（OH-）时溶液呈酸性，当c（H+）=c（OH-）时溶液呈中性，当c（H+）

2.3.2 模型建构

任务一：盐溶液的酸碱性如何判断？

[提出问题]除了纯碱Na2CO3以外的盐，其溶液的酸碱性又如何？

[实验探究]小组讨论，设计实验，用pH计分别检测NaCl、Na2SO4、NH4Cl、（NH4）2SO4、CH3COONa、NaHCO3溶液的酸碱性.

[模型建构]建构“盐的类型”模型，适用于快速判断盐溶液的酸碱性.有弱才水解，无弱不水解;谁强显谁性，两强显中性.

任务二：盐类水解的本质是什么？

[提出问题]为什么NH4Cl溶液呈酸性？思考NH4Cl溶液中存在哪些微粒？这些微粒之间能发生反应吗？

[思考讨论]NH4Cl是一种盐，在水溶液中能完全电离出NH+4和Cl-，而溶液中的水自身还能电离出+和OH-，其中NH+4和OH-能结合生成弱电解质NH3·H2O，溶液中OH-的浓度减小，水的电离平衡向电离方向移动，离子浓度c（H+）>c（OH-），溶液呈酸性.

[提出问题] 如何将这个过程更加直观的表现出来？

[学生板书]

[总结归纳]在水溶液中，盐电离出来的“弱酸阴离子或弱碱阳离子”与水电离出来的+ 或OH-结合，生成弱电解质的反应，叫做盐类的水解.盐类的水解的实质是结合水电离出来的+或OH-，生成弱电解质，促进水的电离，使c（H+） ≠ c（OH-）.

[模型建构] 建构“盐类水解的本质”模型，建立宏微结合的思想（如图1所示）.图1

[强化练习]请用模型分析NaCl、CH3COONa、CuCl2溶液的酸碱性.

[总结归纳]简化分析过程，总结出盐类水解方程式的书写要求.

任务三：盐类的水解强弱如何判断？

[提出问题]同浓度的Na2CO3和CH3COONa溶液哪一个碱性更强？

[实验探究]通过pH计直接测量同物质的量浓度两溶液的pH.如何用理论解释？

[思考讨论]根据水解方程式表示出水解平衡常数，通过简单的数学变形，查阅数据，可以分别计算出两种盐水解常数的大小，从而比较碱性的强弱.假设有一种强碱弱酸盐MA，水解离子方程式为：A-+H2OHA+OH-，水解常数Kh =

c（HA）·c（OH-）c（A-）;弱酸HA的电离方程式为：HAA-+H+，电离常数Ka =c（A-）·c（H+）c（HA）;则Kh·Ka =

c（HA）·c（OH-）·c（A-）·c（H+）c（A-）·c（HA）=c（H+）·c（OH-）=Kw.因此，強碱弱酸盐中弱酸阴离子所对应酸的酸性越大，Ka越大，盐的Kh就越小，即盐的水解程度就弱，碱性就弱.通过查阅数据可知，在25℃下，H2CO3的二级电离常数Ka2=4.7×10-11小于CH3COOH的电离常数Ka=1.8×10-5，因此，同物质的量浓度的Na2CO3溶液比CH3COONa溶液碱性更强.

[模型建构] 建构“盐类的水解强弱判断”模型，能够水解的离子对应的酸（或碱）越弱，水解程度越大，盐溶液的碱（或酸）性越强，即越弱越水解.

2.3.3 模型应用

任务四：弱酸的酸式盐溶液都为碱性吗？

[实验探究]请分别用pH计测量出室温下，同物质的量浓度的NaHCO3和NaHSO3的pH，学生们发现NaHCO3溶液呈碱性，NaHSO3溶液呈酸性，引发认知冲突.

[模型应用] ①判断盐的类型：NaHCO3和NaHSO3两种盐都为弱酸的酸式盐，无法判断溶液中+和OH-浓度的大小关系.②溶液种各微粒分析：例如NaHCO3溶液中所含有的微粒有Na+、HCO-3、H2CO3、CO2-3、H2O、H+和OH-，所以，不仅要考虑HCO-3离子的水解，还要考虑它的电离.③水解方程式：HCO-3+H2OH2CO3+OH- Kh1，HSO-3+H2OH2SO3 +OH- Kh2;电离方程式：HCO-3CO2-3+H+Ka1，HSO-3SO2-3+H+Ka2.④运用平衡常数表达式和查阅数据：在NaHCO3溶液中，Kh1>Ka1，HCO-3的水解程度大于电离程度，溶液中c（OH-）>c（H+），呈碱性;在NaHSO3溶液中，K a2>K h2，HSO-3的电离程度大于水解程度，溶液中c（H+）>c（OH-），呈酸性.

2.3.4 模型修正

任务五：弱酸弱碱盐会水解吗？溶液显什么性？

[实验探究]室温下，用pH计测量一定物质的量浓度的CH3COONH4的pH，约为中性.

[模型应用]①判断盐的类型：CH3COONH4为弱酸弱碱盐，无法判断溶液中H+和OH-浓度的大小关系.②溶液种各微粒分析：CH3COONH4溶液中所含有的微粒有CH3COO-、NH+4、CH3COOH、NH3·H2O、H2O、H+和OH-，CH3COO-、NH+4兩种离子在溶液中都能水解.③用水解方程式表示：CH3COO-+H2OCH3COOH+OH- Kh1，NH+4+H2ONH3·H2O+H+ Kh2.④运用平衡常数表达式和查阅数据可知，25℃下，CH3COOH的电离常数Ka=1.8×10-5，NH3·H2O的电离常数Kb=1.8×10-5，通过计算可得Kh1=Kh2，即NH+4的水解程度和CH3COO-的水解程度几乎相同，c（H+）=c（OH-），溶解接近中性.

[模型修正]建构解决盐类水解问题的思维模型（如图2所示）

图2

2.3.5 模型评估

本文采用建模的教学方式对“盐的水解”这一节课进行了教学设计，评价模型教学的效果需要借助一些评价手段：1.实验班与对照班教学前后测试成绩分析：选取两个平行班，实验之前先进行一次普通测试，用软件SPSS-17.0处理数据，形成测前成绩分析;然后，在实验班进行一系列的模型教学实践，在对照班则仍是传统教学，一段时间后，再次测试，形成后测成绩分析;最后，将两次成绩进行对比分析，得出结论.2.调查问卷分析：要求实验班的同学填写问卷，问卷以选择题的形式，问题主要围绕“模型教学”展开，旨在了解学生是否认为模型的应用对自己的能力有提高？哪些化学模型让学生受益匪浅？3 结论与展望

建模教学有利于落实新课标的课程理念，培养学生的学科核心素养，提高学生的综合素质、科学思维以及解决实际问题的能力.期待未来可以对化学建模教学的策略、学生学习化学建模等问题有更加深入和系统的研究.

参考文献：

[1] 史凡，王磊.论国际化学教育研究热点：模型与建模[J].全球教育展望，2019（5）：9.

[2] 胡影梅.高中化学建模教学的研究与实践[D].长沙：湖南师范大学，2019.

[3] 周颖.新课标下基于核心素养的高中化学教学设计研究[D].延安：延安大学，2019.

[责任编辑：季春阳]