基于科学事实整理的电解质概念教学

王新文

摘 要：基于中学化学抽象概念提出的特点和化学三重表征思维的培养要求，针对国内三大化学期刊近年所载文章对电解质概念教学的建议和学生对电解质的相异构想，以如何选择和组织实验才能有效形成对电解质概念的意义建构为目标，立足科学事实整理的三层含义，即先将具体实验整理为宏微符模块化、再以分立的三维结构化的事实为据从宏微符三维度进行综合思维与推理、并适时提炼整理表达形成知识，展示了电解质概念教学的关键，最后对这种教学的功能提出了自己的看法。

关键词：化学思维特质；科学事实整理；电解质；概念教学

约翰·D·布兰思福特等在《人是如何学习的》指出：“对于某些领域的专业知识的研究表明专家思考和解决问题的能力主要依赖于有关学科领域的大量知识。但是，这些研究也清晰地表明‘有用的知识不同于一连串无联系的事实。专家的知识是围绕重要概念而联系和组织起来的。”[1]8那么，有用的化学知识有何性质，要形成重要概念本身的“有用的知识”，该组织哪些及如何组织有关科学事实呢。

一、化学学科的思维特质和抽象概念提出的特点

化学的思维特质可从化学研究的视角、化学研究的基本问题、化学的学科价值等方面进行分析，化学是在原子、分子水平上研究物质组成、结构及其变化；化学以物质及物质的变化为两个基本问题；化学以探究物质构成和表征及物质转化的规律（原理）和表征为基本任务；以认识分子并创造分子，进而解决人类社会发展过程中面临的诸如材料及可持续发展等问题为核心价值。故，化学知识的建构通常是以“宏观切入—微观分析—符号表达”（微观预测—宏观验证—符号表达）为基本方式，以建立“宏观—微观—符号”外显的化学知识表征方式以及“宏观—微观—符号”三重表征内隐的思维方式为目的的。毕华林（2005）指出：“三重表征思维是体现化学学科特征的思维方式。”[2]钱杨义（2009）首次提出“曲线表征”的定量分析方法，并构建了化学“四重表征”教学模式。“曲线表征”要求学习者能将曲线的特殊点和线的变化趋势及线段与实验现象、微粒变化和反应方程式建立联结。[3]电解质的导电曲线定量地反映了溶液中离子数量的变化，能够有效促进宏微符间的关联，但并非电解质概念教学无法脱离导电率曲线，鲁科版教材就以导电性实验示范了电解质概念的建立，毕竟手持实验尚不普及。张怡纳研究指出：“维度的增加对宏观表征和微观表征间、微观表征和符号表征间、宏观表征和符号表征间的转换而言，影响是不同的。其中，维度增加对宏观表征和微观表征间的转换是显促进作用的；对微观表征和符号表征间及宏观表征和符号表征间的转换的作用并不明显。”[4]故“三重表征”仍是化学思维特质的核心。电解质概念的深度理解应体现为宏微符三个维度间的转化能力。

可见，在高中阶段而言，有用的化学知识主要是应能促进三重表征发展的知识。如比较NaHCO3溶液中离子浓度的大小，有用的知识就表现为“看到了”NaHCO3溶液中的粒子及粒子发生的变化，“想到了”粒子的变化程度，“能写出”物料、电荷及质子守恒表达式。这种结构化的三重表征能力正是从电解质等概念中逐步提取出来的，若抛开其三重表征内涵的“啮合力”，则这些概念就成了一堆不相关的知识碎片。所以，电解质概念教学当以三重表征的思维意识、能力及表征能力的确立为目标。

吴星指出，中学化学课程中所涉及的化学理论和原理，都是建立在对大量实验事实进行比较分析、归纳概括的基础上的，是根据大量的实验事实进行逻辑推理形成科学结论的。[5]电解质正是基于“大量”实验事实的概念，像鲁科版教材中就提供了氯化钠固体、液体、溶液的导电实验，是否还需要增减必要的实验，又如何组织这些实验才能消除学生的前概念、相异构想而构筑起科学理解呢？

二、基于科学事实整理是电解质概念教学的关键

（一）学生在电解质概念学习中的问题与归因及教学改进

卢姗姗[6]等（2013）在文献综述中细述了国内外对学生理解电解质概念的研究结果，“学生普遍认为电流使电解质分解，从而形成阴离子和阳离子，大部分学生不能将溶液的导电性和自由移动的离子建立起联系、机械地认为能导电的物质就是电解质”等是学生暴露出来的典型错误。卢姗姗等以改进教师的教学提供建议为目的，经调查研究后指出，学生电解質相异构想表现出“基于生活经验”、“认识角度单一”、“推理不严密”、“综合能力差”等类型。并指出电解质概念相异构想的主要来源有不恰当的类比和教师不恰当的教学。此研究虽未仅仅针对电解质，还有强弱电解质、电离平衡及水解等，但它们都是电解质随不同学段的主题学习而丰富和发展起来的概念，其研究结果颇具借鉴价值。如基于生活经验产生的相异构想说明教学未消除学生的前理解，推理不严密产生的相异构想说明教学未抓住逻辑等，教师可基于此进行研究和实践。陆余平等指出，电解质教学问题的原因在于课本概念未能完全揭示电解质概念的本质、及通过导电实验引入电解质概念也值得斟酌等，并指出应通过离子的微观表征来强化电解质的本质特征、及电解质概念应突出电离的本质，而非通过导电来阐述。[7]作者对电解质概念的界定提出了异议。溶液导电是宏观现象，需要其中的离子浓度较大，“导电性”揭示的是溶液有无导电能力的属性，可以说只要溶液中有离子就具备了这种属性，因为总可以通过调整电压或离子浓度使灯泡发光，“导电”不过是对“导电性”的“婉述”。课本以导电来界定电解质而不用电离，既避免了概念中套概念的抽象，也因其“场景”感而便于学生感知，还能促使教师加强三重表征教学。高晓伟[8]等（2015）立足电解质概念发展历史，采取依据史实和运用现代技术实验不断修正理解取得了电解质概念教学的较好效果，表现为能够让学生内心对“电解质水溶液中有自动解离为离子”产生认同。教学设计重视基于实验的严谨推理，没有对课本中电解质概念的表述提出异议。

卢姗姗等文中所归纳的学生错误情形不仅是过去的也是现在的，甚至还会是将来的。何以至此，乃因错误的本源实为三重表征思维能力不足，具体为如何用化学思维指导实验设计、实验组织及实验整理尚无研究案例，而毕华林早就指出三重表征意识和能力需要教师的引导才能形成。

（二）有效事实整理需要精心的实验组织

新学习科学强调理解性学习[1]8，尽管目前理解心理[1]3尚是一个谜，但理解与否可通过对形成理解的过程的评价而判定。对电解质等抽象化学概念而言，理解的过程就是一个推理过程，表现为能从溶液“导电”的具象经过思维和推理最终和“电离（或自由移动离子及表征）”形成果因认知。这就得针对学生可能含糊的、不完全的、甚至错误的前理解，基于学生具备的推理、分析等理解的方式和能力预设相应的丰富的实验，引导学生采取整理科学事实（课本实验事实的本质是科学事实）的科学方法，运用化学思维推理得出概念。所以，电解质概念产生过程的教学组织可表示为图1（实线框部分）。

从“选择”事实到结果表达或相反过程，就是过程与方法][情景创设][呈现事实][推理论证][结果表达][提供“科学事实”：设计能反映常见酸碱盐在水溶液中存在形式的实验][整理“科学事实”：基于事实获取结论，矫正前概念并建立原理性认识][建立“概念”和“符号系统”：形成对电解质概念的三重表征和三重表征思维][根据事实或信息，基于三重表征思维提取三重表征结果，包括根据表征信息预测可能出现的事实

（此时推理论证的方式因个性化而隐性且趋于多元）

反思深化

而建立（或理解）电解质概念还需要“反思深化”环节（图1中虚线框所示），反思表现为据事实（或信息）得出符号表征或对实验的预测、解释、控制等多种形式。概念建立与否可通过“显现”学生的推理过程，反馈评价他们对概念三重表征思维能力来实现。

学生能否基于事实的整理而理解电解质概念，需学生主动参与到支持理解的精心组织的实验中。

1.以探究性引领学生主动思维

“电解质”上承分散系下启离子反应，溶液和胶体中的溶质都看不见，借“丁达尔效应”看到了它们的“尺寸”差异。那么若以蔗糖和氯化钠溶液溶质的存在有何不同、又如何表征为主题，既开启了离子反应符号表征思维的起点，又能让学生明确引入导电实验的本意，关键是能够激发学生带着初中所学参与到课堂。初三化学对物质在水溶液中有的以分子存在有的以离子存在已有介绍，初中物理已学电路初步知识，小灯泡发光表明了此电路闭合，小灯泡不亮的可能原因学生也可分析得出。把电解质概念渗透到情境之中，借助情境和知识间的灵活关联为学生提供一种灵活的知识理解方式。总之，学生只要理解了电流形成的微观本质，就可将两个学科融合起来主动思考，没有学生的主动思维过程，就无法反馈学生是否有了三重表征意识与能力。

2.从不同成分（宏微符）将科学事实组合成模块是科学事实整理的关键

电解质概念的语义中隐含电离、化合物、导电等诸多要素，又有像氯化钠固体、液体、溶液的导电等实验的现象与微观，还有与用语表征的交错等。借用SOLO分类评价理论，学生单点结构、多点结构水平的形成正是由于不能把诸多线索、关系整合而致，契合了“因综合能力差”而导致相异构想的事实，比如认为导电的就是电解质、不能透过符号看到微观预测宏观等。为此可以图2引导学生以微观作为宏观符号化的枢纽，将任何客观事实从不同成分（宏微符）组合成模块，这样一个事实就构成一个宏微符结构化的单元。此图表明从化学视角看待任一事实应包括三个维度，既有助于学生习得三重表征思维，也可助教师析得教学关键，如“导电”对应的微观本质学生尚不曾学习，教学就须修齐补足。把众多事实一一剖析至三维的过程有助于学生自我诊断宏微符转换中“哪个环节出了问题”，当这些事实以三维结构化呈现后就构成了分立的思维单位，不同事实间的关系就应通过三个维度系统分析。还便于从微观、符号轴看出相关具象间的逻辑关系，防止学生在关系间胡乱关联。对教师而言则提供了根据学生思维特点设计推理线索优化实验组织的抓手，如设计实验、安排顺序就需以此图能给学生的思维线索为依据，以实验的连贯性保证思维推理的顺畅，以便于能把化学视野中有价值、有规律的发现适时地提炼出来，给以微观的及符号（必要）的解释及表征（必要），并形成知识。事实模块化的整理技能可帮助学生运用化学思维有效使用事实信息进行推理或获取规律性认知等。当然这对“新手”来说是比较陌生，但多次引导必然增强他们对有意义信息的敏感度，进而促使学生质性思维达到抽象拓展结构水平。

将水和离子简化为Na+、Cl-][CaCO3][NaCl][宏观][NaCl晶体

“溶”于水][CaCO3粉末

“溶”于水][分子][分子][NaCl晶体“溶”

于色拉油][微观][解离][图2 ]

（三）科学概念源于科学事实的有效整理

从图1知，电解质概念形成的关键在于基于众多事实的推理过程，教学只要帮助学生厘清所依之“理”，所推之“理”必顺势而生，所教之“识”便依之而得。首先，所依的“理”就是溶液导电的本质，学生知道物质可按导电性分为导体、半导体和绝缘体，但对金属导电原理是不知的，更遑论溶液导电实质了，故先要设计（选择）将“理”寄于其中的实验促使学生理解，其次，要谨慎设计或选择能把实施推理所要依仗的“逻辑”隐含其中的实验（实验组合），并要引导学生适时提炼整理获取结论。图3～图5就是基于这种教学理解对电解质概念教学的关键节点的实验处理。

大家目前接触到的很多反應都是在水溶液中发生的，像NaCl和AgNO3固体间接触几乎不发生反应，但在水溶液中非常快。物质在水溶液中除了“大小”差别，到底还发生了些什么变化？比如它们是如何存在的呢？][观察并记录将碳酸钙粉末、氯化钠晶体和蔗糖晶体“溶”于适量水后的现象。

记录：碳酸钙粉末形成了浊液

氯化钠和蔗糖形成了溶液][前理解][你能根据记录现象，结合你已有的知识，推测出三种分散系中分散质的存在形式吗？

认识：浊液中碳酸钙是以分子形式存在的

NaCl在水中解离成了Na+和Cl-

蔗糖在水中无法准确推断][修齐补足前理解][说说你对“解离”的理解，可以是场景描写，也可以是微观想象，只要能表达出你的理解即可。

追问：如何证实氯化钠在水中解离了？

蔗糖在水中是否解离了？如何判定？][学科融合][微观存在要“放大”为宏观现象，大家能否从下面的资料卡片中获得灵感呢？

资料卡片：电流是带电微粒定向移动形成的，电流的方向和带正电的微粒的移动方向相同，和带负电的微粒的移动方向相反。][见著知微][（较浓）氯化钠溶液能导电，表明氯化钠溶液接通了电路，而且电路中电流较大

（较浓）蔗糖溶液不能导电，表明蔗糖溶液没有接通电路（前理解），也可能电流较小][形成初步认知]

在对电解质溶液导电本质建立的微观“景象”基础上，依学生对电路的初步认知，需要借助“灯泡不亮”实验引导学生通过科学假设与严谨论证获得科学结论。

实验发现：

极稀的氯化钠溶液不导电

（向200mL蒸馏水中投入几粒氯化钠）][ 电学知识（物理）][猜想][“断”路，无电流

电流过小，达不到小灯泡额定电流][采取措施][将小灯泡换做灵敏电流表][发现][有电流][思考][改变条件能使氯化钠溶液导电（使小灯泡发光）吗，如果可以，提出可行的简易办法。][思考][根据“电流是带电微粒（电子、离子等）定向移动形成的”，请你对较浓氯化钠溶液能导电（极稀氯化钠溶液不能導电）提出微观解释。][认知][离子浓度太小（不准确的认知）][微观解释（初步）][实验发现：

氯化钠固体不导电][电学知识（物理）][猜想][电阻过大，电流过小 适当增大电压，将小灯泡改为电流表][“断”路，电路不通 将小灯泡改为灵敏电流表][“断”路所致。即氯化钠固体不导电。][事实整理][对比、分析、归纳][氯化钠溶液导电的本质：

1.有自由移动的离子（固体NaCl中有离子，但不能自由移动，故“断”路不导电）。

2.自由移动的离子浓度影响电流大小，电流太小则灯泡不亮。导电的“潜质”存在，可以增大浓度使其导电。]

图4

在理解“导电性”本质基础上，引导学生对蔗糖溶液不导电提出严谨的推理“追问”。为聚焦学习难点并突破，图5就是立足科学事实整理基于推理论证教学一定需要学生进行严谨思维推理的设计。图6是基于科学事实整理的阶段性结论。

刚才（较浓）蔗糖溶液不导电，是其一定不具备导电“潜质（没产生自由移动的离子）”吗？][迁移][将小灯泡换做灵敏电流表][发现][有微弱电流][迁移][适量增加蔗糖，增大蔗糖溶液的浓度，发现小灯泡还是不亮。][猜想][微弱电流来自于水产生的自由移动的离子。][实证][将蔗糖溶液换做蒸馏水，记录并对比指针偏转的角度。][蔗糖在水溶液中没有产生自由移动的离子的潜质，应该是以分子形式存在的。

水能产生极少的自由移动的离子。][解释解答]

实验整理至此，水溶液中溶质常见的存在形态已经明晰，从NaCl与AgNO3的反应可看出溶液中以离子存在的物质间的反应往往很快，故“电离”作为事实整理的阶段性成果提出来符合学习需要。

有些物质在水溶液中是以离子形式存在的，如NaCl。

有些物质在水溶液中是以分子形式存在的，如蔗糖。][认知小结][把在水溶液中（或熔融态）解离成自由移动的离子的过程，称之为“电离”。][1.以NaCl为例，建立电离的微观模型认知，形象理解水分子的作用（扯断束缚力）。能破坏此束缚力的不仅仅是物质（水），也可能是能量（温度）。

2.在对电离建立的从始状态到末状态的过程性理解基础上，用符号简明表征（明确符号意义，如NaCl表示物质）。

3.导电性实验是电离与否的实验验证法之一，形象地说，电是物质是否“解离”的证明，故称之为“电离”。比“解离”更科学地描述了从物质到离子的整个过程。]

“NaCl由Na+、Cl-构成”和“NaCl=Na++Cl-”中Na+看似无异，实有“自由”与否的意蕴之别。不从微观赋予符号的内涵将化学概念（或知识）模块化，学生必陷入关系的混沌之中。为突出“NaCl=Na++Cl-”发生的条件，为让“条件”意识成为变化观念中的基本意识得以率先确立，从淀粉可以从浊液变为胶体已表明改变条件就能打破分散系间的界限，此处鉴于学生对物质结构和电离之间关系尚属“空白”，需借助必要的足够数量的深度研究案例让学生掌握特定的概念。

观察氯化钠晶体投入色拉油的现象。并思考氯化钠在其中的存在形式。][氯化钠应以分子形式存在，并未发生电离。][“电离”是讲求物质间匹配的，或者说是有条件的。水是中学化学常用的分散剂，故以水界定有积极的意义。][熔融的氯化钠能够导电的事实（学生能分析其导电的微观实质，并进行符号表征）。]

图7中的“匹配”也可这样看：“在特定的溶剂水中某物质是否电离，是由物质自身（结构）决定的”。“这是什么样的物质”、“如何认识”、“有何种结构”等都是学习“电解质”需要解答的问题，经本结构性探究可知，可把像NaCl这样在水溶液中发生电离的这类物质称为电解质，而整个认知氯化钠是电解质的实验和NaCl电离模型都成为理解此概念的正例，自然也就有了对电解质的其他科学合理的见解，如课本概念的表述。像蔗糖则形成了电解质的反例，反例深化了对正例特征的理解与把握。必修教材结合常见的酸碱盐对电解质给了初步认识指导，进而扩充了对化合物分类认知的视角，体现了高中化学从宏观到微观再到理论学习的特点。至于其和结构的关系则被作为更进一步的要求，镶嵌到了后续主题学习中。如果依图8对实验进行深度的整理，则才更能体现出实验设计的匠心。

极稀的氯化钠水溶液不能使小灯泡发光，那么氯化钠属于电解质吗，为什么？][小结：][小灯泡发光][需具备][足够大的电流

和

闭合回路 ][需满足][较大电压

或

较大离子浓度][导电][衡量标准][小灯泡发光

或

电流计偏转][只要是][闭合回路][微观][对溶液，只要有离子，浓度可调节][调整变量，控制现象

本质一致：导电性][化学思维][宏观：小灯泡发光，一定能导电

微观：能电离，则一定能导电

符号：有自由移动的Na+和Cl-

] [用小灯泡，切合已有物理知识，现象明显，便于直观表明溶液中溶质的存在形式

如用电流计，因溶剂水具有导电性，易致思维混乱，也不利于从宏观到微观逐层深入

][为何用小灯泡是否发光衡量蔗糖溶液和氯化钠溶液是否导电，而不用电流计呢？][小结：资料：升高温度就能增 大水的电离程度][佐证

信息][水能导电（电流计指针发生偏转）][因为][水能电离出H+和OH- ][证明][电解水实验表明构成了闭合回路][对比认知][学生熟悉]

至此，通过图9学生自然能够推理得知电解质概念中“导电”的含义是指向其微观本质的。

导电（灯泡发光）][定性：要能导电][定量：离子浓度较大][实验调控][揭示了导电的本质]

不过教学此时若戛然而止则略显单薄，若以图10与研究主题呼应并促使学生从应用中提取对概念特征的稳定理解，并能有效地将陈述性知识转化为策略性知识。

[1.（出示澄清石灰水和石灰乳试剂的图片）請学生据图写出溶质在其中的存在形式。

意图：照应探究主题，铺垫离子反应

2.设计简单实验证明HCl气体、H2SO4是电解质。

意图：防止学生根据物质状态对电解质产生相异构想；考察学生对导电实验的意义理解。

3.经检验某溶液中含有Na+、K+、Cl-、SO42-四种主要的大量离子，则其溶质可能是什么？

意图：通过逆向思维深度理解电离（物质到离子的确定性和离子到物质的不确定性）；

监测学生宏微符有效转换能力。

变式：某溶液中含有Na+、K+、Cl-、SO42-四种主要离子的物质的量分别是1mol、2mol、1mol和1mol，则其溶质可能是什么？

意图：引导学生关注电离的定量关系，“量”是思维推理的重要工具。

4.演示Na2CO3粉末和NaHCO3粉末与稀盐酸反应的对比实验（变量相同），推测二者在水溶液中的电离，并用符号表征。

意图：实验是认知物质的客观态度。

变式：NaHSO4溶液和盐酸与Na2CO3粉末反应的对比实验（变量相同），推测NaHSO4在水溶液中的电离，并用符号表征。

]

三、对基于科学事实整理教学的功能认识

科学事实整理是促成学生对化学特点认识与理解的科学方法，其本质是学科思维及逻辑能力培养。教师用书[9]列出分析、类比、演绎等多种整理手段，不可将其简单视作认识廖若星辰的物质与反应不可或缺的方法，要能将其视作促使化学思维形成的方法。这些方法用在不同学科便有不同的“烙印”，即体现着各自学科的思维方式。化学学科“怎么整理”具体实验事实的整理示范重在从宏经微至符的三重表征思维方式的教授，微观思维和符号思维作为高度抽象的思维形式，确实需要引导学生以有序化模块化方式落实宏微符三重表征思维能力。对组合实验的综合整理重在发展以宏微符为单元的事实间的逻辑推理能力，任何两个实验具象差异隐含着宏微符三个维度的比对整理，教学旨在能使学生根据宏观的或微观的或符号的任一维度的信息有效推至其余维度。如Na2CO3溶液中“遇”稀盐酸的实质是Na+、CO32-、H+、Cl-相遇，从它们生成CO2的具象推得实乃CO32-、H+反应了。NaHCO3和稀盐酸比Na2CO3和稀盐酸产生CO2快，可推知NaHCO3=Na++HCO3-，具象差异揭示了HCO3-、CO32-与H+微粒间反应的快慢。有了这些认识就能初步鉴别或探究NH4HCO3和（NH4）2CO3的性质差异，有了这些认识理解并书写“离子反应方程式”也是顺水推舟。

整理实为推理，学会的难易在于教法，好的事实整理教学需要教师不断发展像专家那样围绕主题选择事实并科学组织事实的能力。实验设计与组合是教师对学生现有思维能力和要达到思维能力的分解落实，如果某实验应有的预期学生达不到，就要增加一个过渡实验以提供宏微符单元间的衔接等。总之，实验设计与运用反映的是教师的知识，即教师对教材基于学情的理解与建构，自然是也成为成就教师教学个性化的途径。

基于科学事实整理教授电解质概念，是对元素化合物中很多抽象概念教学方法的实践探索，因为“实验、思维推理、总结表达”是它们生成的共性。[□][◢]

参考文献：

[1]约翰·D·布兰思福特等编著.人是如何学习的[M]. 第2版.程可拉，孙亚玲，王旭卿等，译.上海：华东师范大学出版社，2015.

[2]毕华林. 化学学习中“宏观—微观—符号”三重表征的研究[J].化学教育，2005（05）：51-54 .

[3]林建芬，盛晓晴，钱杨义.化学“四重表征”的理论建构与实践研究[J].化学教育，2015（07）：1.

[4]张怡纳.基于MAS问题编码的化学三重知识表征研究[EB/OL].https：//max.book118.com/html/2017/0608/112484197.shtm，2017-09

-21.

[5]吴星.对高中化学核心素养的认识[J].化学教学，2017（05）：4.

[6]卢姗姗，毕华林.化学学习中“电解质”概念相异构想的跨年级研究[J].化学教育，2013（12）：36-40.

[7]陆余平，赵拯. 电解质概念教学中存在的问题及解决对策[J].化学教育，2014（11）：40-41.

[8]高晓伟，郑长龙，徐洁.“电解质”的教学设计与反思[J].中学化学教学参考，2015（07）：19-23.

[9]化学1教师教学用书[M].第3版.北京：人民教育出版社，2015：30.