以探究实验启蒙平衡观的教学实践

张灵丽

摘要：在初中溶解和结晶的教学中，以问题情境引入，让学生亲自参与、设计实验探究活动，对学生进行平衡观的启蒙教学，使学生初步建立平衡观;通过晶体制作的拓展实验，实现动态平衡的可视化，使学生从根本上理解溶解和结晶的实质，为后续化学平衡的学习做铺垫和衔接。

关键词：平衡观;启蒙;实验探究;问题驱动;溶解和结晶

文章编号：1008-0546（2022）07-0035-05中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.009

一、教学主题内容及教学现状分析

1.教学主题内容

初中化学沪教版第六章“溶解现象”是初中化学课程一级主题“身边的化学物质”的重要组成部分，作为一种重要的身边的化学物质，溶液是继学生认识气体（如空气、氧气、二氧化碳）、固体（如常见的金属）、液体（如水）后接触到的一类成分更为复杂的化学物质。在下一章，将要学习酸、碱、盐的知识，它们之间的化学反应几乎都是在溶液中发生的，因此这一章的教学也为下一章的学习提供了知识基础，也为深入学习分散系的有关知识做了准备[1 ]。溶液教学的难点之一是从微观角度理解溶解和结晶的概念和过程。

2.教学现状

初中生在学习溶液这一章时，对溶解和结晶往往会一知半解。比如：在一定温度下，向一定量的水中，加入适量的氯化钠固体，氯化钠能溶解，再继续加氯化钠固体，氯化钠不再溶解了，学生疑惑：为什么氯化钠固体不能继续溶解了呢？溶液饱和的微观实质是什么？再比如，对饱和溶液概念的理解：在一定温度下，一定量的溶剂里不能继续溶解某种溶质的溶液，叫做这种溶质的饱和溶液，学生疑惑：为什么叫这种溶质的饱和溶液？氯化钠的饱和溶液，还可以溶解其他溶质吗？

即便高一新教材，课堂教学中，教师对化学平衡概念的引入，只是让学生接受这个“知识”或者说只是通过理论推理出这个“知识”，学生并没有建立化学平衡过程的真实体验，学生依然是模糊不清。

二、教学思想和着力点分析

1.教学思想

初中生具有追根溯源的天性。利用学生的困惑，引发认知冲突，激发学生学习兴趣，以及深入探究问题的热情，通过创新实验和拓展实验，对学生进行平衡观的启蒙教学，可从科学本质上解决学生的困惑，更是为高中化学平衡的学习做好铺垫和衔接。

化学实验不仅可以使微观变化宏观化，具有很强的说服力，并能分析理论的合理性，促使学生对知识的掌握，而且实验可以对学生进行科学研究方法的教育，使其体验科学研究的过程。学生在动手实验中感悟知识、形成方法、使知识结构化，最终得到的不仅仅是知识，更重要的是获取知识的方法和成功体验[2]。

2.教学着力点

化陌生为熟悉，建构学生认知结构。从学生熟悉的事物引入，充分利用新旧知识经验的冲突，引发认知结构的重组，引导学生把生活概念向科学概念转化。

创设真实的问题情境，通过创新实验设计，带领学生体验探究过程，在实验中形成溶解和结晶的动态平衡观，实现动态平衡的可视化。增强学生对科学探究的理解，发展学生的科学探究能力。

三、教学目标

（1）通过对溶解和结晶问题的讨论，让学生经历事物由现象到本质的过程，初步建立平衡观。

（2）通过实验探究活动，理解溶解和结晶的平衡，初步形成动态平衡观。

（3）能从微粒观视角，认识溶解结晶平衡以及平衡移动的规律。

（4）通过本节课的学习，培养学生运用平衡观解决实际问题的能力。

（5）通过拓展实验，培养学生用化学实验解决问题的兴趣，养成注重实证、严谨求实的科学精神。

四、教学流程

见图1。

五、教学过程

1.让学生初步建立平衡观

（1）溶解结晶平衡概念的启蒙

【学生分组实验1】取1 g食盐，放入氯化钠的饱和溶液中，观察现象。

现象：食盐不再完全溶解。

【问题】为什么氯化钠固体不能继续溶解在氯化钠的饱和溶液中？

【教师解析和视频播放】溶解：溶质分子或离子分散到水中形成水合分子或离子的过程（图2）。

结晶：溶液中的水合溶质分子（或离子）回到晶体表面形成晶体的过程。

氯化钠固体在水中的溶解过程：溶解刚开始时，单位时间内从固体表面扩散到溶液里的钠离子和氯离子多于回到固体表面的钠离子和氯离子，我们能观察到固体氯化钠在不断减少，此时，氯化钠的溶解速率大于结晶速率。

随着溶液中钠离子和氯离子数的增多，从溶液中回到晶体表面的钠离子和氯离子也不断增多，结晶速率在逐渐增大，虽然氯化钠固体的溶解速率基本不变，但由于结晶速率的增大，可以发现单位时间内氯化钠固体的减少变慢了。

当单位时间内从固体表面扩散到溶液里的钠离子和氯离子和回到固体表面的钠离子和氯离子数相等时，氯化钠固体的量便不再发生变化，此时得到的溶液便是氯化钠饱和溶液。此时，溶解和结晶仍在进行，但两者的速率相等，达到了一个溶解—结晶平衡。也就是溶质溶解的速率与溶质结晶的速率相等时，溶解过程与结晶过程达到了平衡。这两个同时进行的相反过程是可逆的，通常用“”表示，溶解结晶平衡是一种动态平衡。

当外部条件改变时，溶解速率和结晶速率便会发生改变，旧的溶解—结晶平衡被破坏，再形成新的溶解—结晶平衡。

（2）溶解—結晶平衡态的类比

【师】请学生列举身边有关“平衡”的事例。如托盘天平、跷跷板等都是典型的平衡事例，托盘上的物体和砝码、人与跷跷板系统达到了静态（稳定）平衡，其特征是天平指针和人在跷跷板上的位置保持不变，除非受到外界影响，它本身不能有自发的变化。再比如，生活中的其他平衡，如生态系统平衡，（破坏、再平衡），社会学平衡（人类社会的发展、变革），心理学平衡，社会关系的各种平衡等等[3]。

设计意图：人类的进步总是由类比本能激发的[3]。平衡概念首次被引入到化学中，学生的反应是陌生、新鲜、模糊和好奇的。通过类比其他平衡，用熟悉的事物解释不熟悉的事物，思维迁移，便于学生接受平衡观的概念。

（3）动态平衡观的启蒙

【问题】在地铁站乘扶手电梯，如果在扶手电梯上需要保持在某一特定水平位置，你将怎样运动？

【生】必须做与扶手电梯运动速率相等但方向相反的运动。

【师】人与扶手电梯有相对运动即为动态，人始终保持在特定的水平位置，即人与扶手电梯这个系统处于平衡状态，这种平衡状态即为动态平衡状态，“动态平衡”的特征是保持“位置不变”与“相对运动速率大小相等且方向相反”。

设计意图：帮助学生抓住动态平衡的本质特征，建立起有助于学习化学平衡概念的前概念[4]。

（4）化学平衡的概念和特征

【师】化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应中，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。

【师】溶解结晶平衡的特征：等、动、定、变。等—— v 溶解=v 结晶;动——动态平衡，v 溶解=v 结晶≠0;定——达到平衡时，溶液中离子浓度不再改变;变——当外界条件改变，溶解平衡将发生移动。

2.溶解结晶平衡的实验验证

（1）溶解结晶平衡符号表达式的初建立

【问题】氯化钠的饱和溶液，还可以溶解其他溶质吗？

【学生分组实验2】向氯化钠的饱和溶液中，加入高锰酸钾固体。

【现象】溶液变成紫红色。

【结论】说明高锰酸钾可以溶解在氯化钠的饱和溶液中。

【师生从平衡的视角分析】氯化钠的饱和溶液，对加入的高锰酸钾而言，高锰酸钾的溶解速率小于结晶速率，所以，高锰酸钾可以溶解。

设计意图：化学教师最好的理答方式是实验验证。儿童逐渐达到成人状态，依靠的不是听取一套行为准则和道理，而是从他的个人努力和经历中去懂得这一切。卢梭说过，每个年龄段都有其相应的发展动力，孩子自有其独特的观察、思考和感受的方式，如果不通过主动探寻，让学生重新发现科学，而只是重复口头的公式，他们就什么也学不到[5]。

【教师追问】氯化钠中混有可溶性杂质，如氯化钙、氯化镁、硫酸钠，工业上可以用饱和食盐水除去这些杂质，原理是什么？饱和食盐水能否无限次地使用？

【师】写出溶解结晶平衡的符号表达式：NaCl Na+（aq）+Cl-（aq）。

设计意图：学生在思考回答问题时，思维在宏观和微观之间转化，通过平衡的符号表达式，学生对平衡的概念由陌生到接受，对平衡的特征由模糊到逐渐清晰。

（2）溶解结晶动态平衡的可视化实验探究

【拓展实验1】实验操作：将一颗9.95 g 的硫酸铜晶体，放入同温度下的硫酸铜饱和溶液中，恒温密封2 周后，取出观察，发现晶体的形状有明显变化，原来的坑坑洼洼处被填平，晶体的棱角更明显。洗涤、干燥，称量质量为9.96 g（实验使用的是精确度为0.01 g 的电子天平）。数据见表1。

【实物展示】见图3、图4。

【师】提问：硫酸铜晶体的形状改变，质量不变，说明了什么？

【生】硫酸铜晶体的溶解和结晶过程都在进行，是动态平衡的过程。

设计意图：拓展实验前对学生平衡观的引入，只是让学生接受这个“知识”或者说只是通过理论推理出这个“知识”，学生并没有建立动态平衡过程的真实体验。该实验通过晶体的形状和质量上的变化对比，让学生获得动态平衡过程的真实体验，不仅实现了平衡状态的可视化，而且由定性到定量解析了动态平衡。

【拓展实验2】实验操作：取蒸馏水100 g，配制80℃的硫酸铜和氯化钠的饱和溶液，冷却至室温，观察到烧杯底部有硫酸铜晶体和氯化钠晶体。第二天，加热该烧杯及溶液，高于室温3℃左右时，将2块不同形状的硫酸铜晶体用线系好，放入饱和溶液中，密封。如此反复操作一周。

【照片展示】见图5。

【实验现象】硫酸铜晶体上有白色的氯化钠晶体析出，随着时间的变化，硫酸铜晶体和氯化钠晶体都在不断增大。

【师生分析】硫酸铜的溶解度受温度影响大，降温结晶，析出硫酸铜晶体，但氯化钠的溶解度受温度影响很小，在密封条件下，水分蒸发可忽略不计，氯化钠晶体在硫酸铜的大晶核上析出，说明氯化钠的溶解和结晶在同时进行，再次实验证明溶解结晶是一种动态平衡，符合科学探究的可重复性。平衡状态类似家庭的收支平衡，是动态变化的。

3.平衡移动的实验探究

【师】通过以上的实验说明：饱和溶液可以看成溶质不再溶解，也不再结晶。但实际上，溶解和结晶都仍在进行。能溶解在水里的物质，不能无限制地溶解就是因为存在这个平衡。当外界条件改变（如饱和溶液冷却或蒸发溶剂）时，溶解和结晶的速率也要相应地改变，便会有晶体析出等现象发生。

【问题】如果想从氯化钠的溶液中，获得晶体，你有什么方法？

【生】蒸发水，降温，加入氯离子（个别同学小心翼翼地说）。

【学生分组实验3】用玻璃棒蘸取饱和食盐水在酒精灯上加热蒸发。

【实验现象】玻璃棒上有白色固体析出。

【师生分析】水蒸发，钠离子和氯离子濃度增大，旧平衡被破坏。

【学生分组实验4】取饱和的氯化钠溶液2 mL，向其中加入浓盐酸[6]。

【实验现象】有白色晶体析出。

【师】追问：浓盐酸加入后，为什么会有白色晶体析出？

【生】浓盐酸中，有大量的氯离子，促使平衡朝生成氯化钠晶体的方向移动。

【师】因氯离子浓度增大，平衡朝氯化钠晶体生成的方向移动，析出氯化钠晶体。

因为平衡状态就是v 正=v 逆状态，当外界条件改变时，会引起反应速率的变化，使v 正≠v 逆平衡破坏。

【PPT 投影】见图6。

4.平衡观的实际应用

【问题】工业上，侯德榜法制纯碱的过程中，向氯化钠的饱和溶液中通入氨气和二氧化碳，會有碳酸氢钠产生。为什么是碳酸氢钠晶体析出，不是氯化铵析出？通过计算说明。

已知：20℃时，S （NaCl）=36 g，S （NaHCO3）=9.6 g， S （NH4Cl）=37.2 g，

【生】假设将36 g食盐溶于100 g水中，配成饱和溶液，完全反应后，生成51.7 g 碳酸氢钠和32.9 g 氯化铵，消耗11 g水，余下89 g水最多可溶解碳酸氢钠8.5 g，生成51.7 g碳酸氢钠溶解不了，会以沉淀的形式析出，89 g水可以溶解氯化铵33.1 g，大于32.9 g，氯化铵没有饱和，不会析出。

【师】碳酸氢钠晶体的析出，实质上是溶解和结晶的平衡被打破，碳酸氢钠的溶解速率小于结晶速率，所以，有碳酸氢钠晶体析出。

设计意图：从定性研究到定量计算，是对平衡移动的深入分析与生活应用的必然，达到学以致用的效果。

六、教学效果与反思

以问题驱动和实验探究，开启平衡观的启蒙教学，发展学生微粒观、平衡观、定量观等核心观念，培养学生注重实证、严谨求实的科学态度，实验分析和辩证思考相结合，学生手脑并用。看似有点超前，但实际这只是我们成人的固有思维。裴斯泰洛齐说过：教学的所有分支都要遵循从简单到复杂的顺序，然而，我们都明白，简单的概念只是对成人的思维来说的，儿童的思维在一开始都是整体的、未分化的。青少年的心智组织形式、思维和说话习惯和成年人的更为接近[5]。少年的好奇心有多强，潜力就有多强，他们天生有打破砂锅问到底的钻研精神，与其含糊其辞，不如明明白白弄个清楚。

化学平衡是基础化学中较难理解的概念，平衡观的启蒙，能为学生以后学习和理解电离平衡、水解平衡、沉淀和溶解平衡、氧化与还原平衡等知识提供牢固的知识基础，有利于学生的完整知识结构的形成[7]。比如，纯碱溶液中滴入酚酞试液变红，学生疑惑：碳酸钠的溶液中为什么会有氢氧根离子？教师可以溶解平衡为切入点，有意识地进行平衡知识的迁移，引入水的电离平衡、盐类水解平衡等概念。再比如，在铝片放入硫酸铜溶液的实验中，有气泡产生，学生开始会惊讶，但有了平衡的概念，他们会从化学平衡的角度来分析;再比如，在蛋白质的教学中，在盛有鸡蛋清的试管里，加入硫酸铵的饱和溶液，出现白色浑浊，实际是加了盐溶液后，水溶液变成盐溶液，改变溶剂后，降低了蛋白质的溶解度，蛋白质析出，其实质还是打破了溶解平衡。若用“同位素示踪法”则能更好地帮助学生建立动态平衡概念[8]。但因初中实验室条件的限制，这一遗憾等学生将来读高中时，期待可以弥补。

参考文献

[1] 王祖浩.化学教师指导用书（九年级下册）[M]. 上海：上海教育出版社，2012.

[2] 刘美丽，董素静，马占江.高中化学教师课堂教学行为有效分析——以“难溶电解质的溶解平衡”为例[J]. 化学教育，2013，38（6）：27-29.

[3] 赵华.化学教学应立足智慧的文本阅读[J]. 化学教学，2017（3）：12-16.

[4] 魏樟庆，杨益强，林焕东.基于动态平衡观建构的教学研究——以“化学反应的限度”为例[J]. 化学教育，2014，38（3）：16-19.

[5] 让·皮亚杰.教育科学与儿童心理学[M]. 北京：教育科学出版社，2018.

[6] 张文惠.再谈“难溶电解质的溶解平衡”教学设计[J]. 化学教育，2015，38（17）：24-27.

[7] 李广洲，程萍，任红艳.关于解决化学平衡问题的初步研究[J]. 教育探索，2002，135（9）：73-76.

[8] 吴凯伦，张欣.高中化学新课程“化学平衡”主题下的教科书衔接研究[J]. 化学教育，2012（12）：17-19.