知识与思维相融合 能力与素养共发展

解慕宗 申燕 范晓凤 刘文婷

摘要： 课堂是落实化学核心素养的主阵地，知识是提升学生思维水平、培养学生关键能力的重要载体。以“Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行为”教学为案例，呈现16个简约而高品质的问题，分析各个教学活动的设计意图，力求实现知识、思维、能力、素养“四位一体化”建构。指出教学中应建构知识，让能力自然生长;应内化知识，让思维流光溢彩;应超越知识，让素养润泽学生。

关键词： 能力与素养; Na2CO3和NaHCO3; 教学设计

文章编号： 1005-6629（2019）8-0062-06            中图分类号： G633.8            文献标识码： B

1  引言

Na2CO3和NaHCO3是两种应用广泛的钠盐，该部分知识有着丰富的素养内涵和育人价值。通过对Na2CO3和NaHCO3的学习，学生能深入理解水溶液中的离子反应，建构正盐和酸式盐的转化模型，发展“微粒观”、“元素观”、“转化观”等化学基本观念。传统的复习方式将重心落在“Na2CO3和NaHCO3的性质”，授课过程中伴随着大量的知识点罗列或化学方程式记忆。然而当对Na2CO3和NaHCO3的考查以陌生情境为载体出现时，学生依旧无从下手。追本溯源，学生在知识的简单罗列中孤立地学习元素及其化合物知识，未能建立元素化合物知识与反应原理知识之间的联系，认识角度单一，认识思路僵化。教学过程中若只聚焦知识的应然解析，疏于探索知识的应用价值，将导致学生的大脑填满了各类静态的知识和结论，却不具备相应的学科思维，不具备解决陌生问题的能力，学科核心素养的发展便成了无源之水。

故复习中有必要打破单一知识内容的桎梏，促使学生更新知识结构，提升迁移创新能力，面对复杂的陌生情境时，能多角度进行系统推理。知识与思维相融合，才能把握众多知识表象下内聚的心智过程，提升统摄知识的能力，实现能力与素养的共同发展。

2  设计思路

本节课聚焦“Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行为”，通过微粒行为的符号表征、物质转化与鉴别的讨论、微粒行为强弱程度的比较、微粒行为多样性的感受等教学活动，打破具体物质间的藩篱，整合元素及其化合物知识与反应原理知识。教学过程中努力改变学生依赖机械记忆的学习方式，指向学生的“最近发展区”，促使其深度思考，提升思维的系统性、敏捷性、深刻性、批判性。在知识的传授中让思维尽情舞蹈，使关键能力与化学核心素养在潜移默化中得到发展。

参考王磊教授的学科能力构成模型[1]，确定本节课的能力进阶路径，精选知识要点，设计教学活动，旨在提升思维水平，达成素养目标。具体设计思路如图1所示。

3  教学过程

3.1  符号表征： 建立认识角度

[问题1]Na2CO3和NaHCO3在生活中应用广泛，Na2CO3可用于肥皂和玻璃的制造，NaHCO3则是发酵粉的主要成分，也能用于治疗胃酸过多。两者一字之差，用途差异很大。性质决定用途，而分类是研究物质性质的好方法。能否从不同角度对二者进行分类？

[学生]Na2CO3是碳酸盐、正盐;NaHCO3是钠盐、碳酸氢盐、酸式盐。

[问题2]大部分钠盐均易溶于水，故两者在

水中的溶解性均很好，而碳酸盐和碳酸氢盐均能与酸反应，为何NaHCO3可用于治疗胃酸过多，而设计意图： 从宏观事实入手引入教学内容，列举两者在生活中的用途，引导学生对Na2CO3和NaHCO3分类，发展学生的分类观。通过类别通性中的“反常之处”——Na2CO3能与酸反应，却不能治疗胃酸过多，创设认知冲突，引导学生关注物质在水溶液中的行为过程。通过符号表征，将复杂的微观过程凝练成简洁的形式。该环节帮助学生建立新的认识角度： 对于陌生物质，可以通过微粒在水溶液中行为，深入理解物质的性质和用途。

3.2  知识融合： 拓宽认识方式

3.2.1  应用1： Na2CO3与NaHCO3的转化

[问题5]结合Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行为，请分析Na2CO3溶液如何转化为NaHCO3溶液？

[学生甲]CO2-3结合H+即可转化为HCO  -3， CO2-3的水解即为结合水中H+，但水电离出的H+浓度太低，所以向Na2CO3溶液中滴加稀盐酸即可。

[学生乙]一旦盐酸过量，CO2-3会转化为CO2和H2O。可以向Na2CO3溶液中通入过量的CO2，发生反应CO2+H2O+CO2-32HCO  -3， H2CO3具有释放H+的能力，CO2-3具有结合H+的能力，CO2-3从H2CO3处“借”一个H+，两者“均摊”为HCO  -3。

[问题6]NaHCO3溶液怎样转化为Na2CO3溶液？

[学生丙]通过降低H+浓度的方式： 促使电离平衡HCO  -3CO2-3+H+正向移动，故加入NaOH即可，发生反应： HCO  -3+OH-CO2-3+H2O。

[学生丁]加入具有结合H+能力的物质且不引入杂质离子，可以是NaAlO2溶液，发生反应： HCO  -3+AlO  -2+H2OCO2-3+Al（OH）3↓。

[问题7]CO2-3也具有結合H+的能力，为何CO2-3不会从Al（OH）3中“抢夺”H+生成HCO  -3？

[学生]因为AlO  -2结合H+的能力强于CO2-3，即AlO  -2的碱性更强。

[模型建构]总结Na2CO3和NaHCO3的相互转化，建构转化模型，如图2所示。

设计意图： 从H+结合与释放的角度研究Na2CO3和NaHCO3的相互转化，将平衡移动原理应用于物质的转化，元素化合物知识和反应原理知识互相融合，既有助于“变化观”和“平衡观”的发展，又能丰富学生的认识角度，促使认知模型的建构。教学中呈现不同板块知识间的关联，理清知识间丰富的逻辑关系，避免学生凌乱地“存储”化学知识，加深学生对学科知识的整体认识，拓宽认识方式，提升认识能力。

3.2.2  应用2： Na2CO3与NaHCO3的鉴别

[问题8]实验室有两瓶等浓度的未贴标签的Na2CO3和NaHCO3溶液，如何设计实验加以鉴别？

[各抒己见]方案1： 测定溶液的pH， pH更大的是Na2CO3;

方案2： 取少量溶液于试管中，滴加稀盐酸，若一开始无气泡，溶质为Na2CO3;若立即产生气泡，表明溶质为NaHCO3;

方案3： 取少量溶液于试管中，滴加CaCl2溶液，若不产生白色沉淀，则表明溶质为NaHCO3，反之，溶质为Na2CO3。

[问题9]NaHCO3溶液与CaCl2溶液真的不反应吗？请大家观察“白面包”实验。

[演示实验1]将10g无水CaCl2固体放入小烧杯，倒入5mL蒸馏水，搅拌，得到稍黏稠的过饱和CaCl2浊液，一次性倒入15g NaHCO3粉末，快速搅拌至黏稠，将玻璃棒扶在烧杯中央。发现固体迅速膨胀，产生无色无味气体。停止膨胀后，松开玻璃棒，玻璃棒立在烧杯中部。加水溶解，烧杯底部有难溶的白色固体。

[学生]通过实验现象推测两者反应产生了CO2气体和CaCO3沉淀。

[问题10]大家能否尝试从平衡移动的角度解释气体和沉淀产生的原因？

[学生]HCO  -3CO2-3+H+，加入氯化钙，Ca2+结合CO2-3生成CaCO3沉淀，电离平衡正向移动，产生更多的H+与未电离的HCO  -3结合生成气体CO2。

[教师]联想HCO  -3在水溶液中的行为，还有别的解释方法吗？

[学生]也可以从自耦电离的角度进行解释： 2HCO  -3H2CO3+CO2-3， Ca2+结合CO2-3生成CaCO3沉淀，促使平衡正向移动，最终同时生成气体和沉淀。

设计意图： 从Na2CO3与NaHCO3的鉴别引出对NaHCO3溶液与CaCl2溶液能否反应的讨论。通过现象明显的“白面包”实验引燃课堂，激发学生的求知欲，再组织开展分析、评价、解释、论证等高阶认知活动。学生从多角度解释气体和沉淀产生的原因，将平衡移动原理进一步应用于物质的鉴别，认识思路得以外显，偏差认识得以纠正，学生在问题解决过程中能深入认识电解质在水溶液中的行为，增强了思考内容的灵活度。在高三复习课中引入实验，能避免学生机械记忆固有结论，帮助学生通过实验事实，运用化学特有的学科视角，透过现象看本质，实现问题的有效解决。

3.3  证据推理： 形成认识思路

[问题11]（推理1）经过上述讨论，我们知道NaHCO3溶液与CaCl2溶液的反应可以理解为Ca2+促进了HCO  -3的电离，HCO  -3的电离实质上是释放H+的过程，HCO  -3结合H+的能力和释放H+的能力相比，何者更强？能否从多角度寻找证据支撑你的推断？已知： Ka1（H2CO3）=4.4×10-7， Ka2（H2CO3）=4.7×10-11。

[学生]（积极讨论）HCO  -3结合H+的能力强于释放H+的能力。

证据1： （定性角度）NaHCO3可用于治疗胃酸过多，NaHCO3溶液显弱碱性;

证据2： （定量角度）Ka（HCO  -3）=4.7×10-11， Kh（HCO  -3）=KwKa1（H2CO3）=2.3×10-8， HCO  -3的水解程度更大，结合H+的能力更强。

[问题12]（推理2）CO2-3也具有结合H+的能力，HCO  -3结合H+的能力和CO2-3结合H+的能力相比，何者更强？

[学生]（踊跃作答）CO2-3结合H+的能力强于HCO  -3。

证据1： （定性角度）Na2CO3虽显碱性，却不能用于治疗胃酸过多，表明Na2CO3的碱性更强，即CO2-3结合H+的能力更强;

证据2： （定量角度）Kh（CO2-3）=KwKa2（H2CO3）=2.1×10-4， Kh（HCO  -3）=2.3×10-8， CO2-3的水解程度更大，故其結合H+的能力更强;

证据3： （实验事实角度）向等浓度的Na2CO3和NaHCO3的混合溶液中滴加HCl，一开始无气泡，后来产生气泡，表明CO2-3结合H+的能力更强。

[演示实验2]将质量均为0.5g的Na2CO3、 NaHCO3固体置于试管中，加入5mL蒸馏水完全溶解，滴加2mol·L-1的盐酸，实验过程中一开始出现了少量的气泡，有部分气泡在上升的过程中逐渐变小乃至消失，后来出现大量的气泡。

[教师]引导学生观察演示实验2，讨论证据3的科学性。

[教师]该实验现象与预期有差异，尝试从微观角度解释一开始有少量气泡，有部分气泡在上升过程中逐渐变小乃至消失的原因。

[学生]滴加盐酸过程中，局部酸性较强，CO2-3捕捉浓度较高的H+生成H2CO3， H2CO3分解生成CO2，出现小气泡，当CO2努力从溶液内部向液面上升时，与大量未反应的CO2-3相遇，生成了HCO  -3，小气泡会继续变小乃至于消失。该实验现象虽然与预期有差异，但能说明CO2-3结合H+的能力强于HCO  -3。

设计意图： 证据推理过程容易以偏概全，教师的点评能帮助学生寻找支撑推断的关键性证据，形成完整的“证据链”。刘怀乐说：“教师不做实验或不能成功地做好实验本身，就是不能向学生提供真实的事实。[2]”做实验可以为证据推理提供可靠的事实依据。通过实验佐证证据3的科学性，实验现象虽有些出乎意料，但也说明了实验是化学的最高法庭。从提出问题到多角度证据推理，再到证据的科学性论证，在学生心中埋下了科学精神的种子。

[问题13]（推理3）HCO  -3结合水中H+的能力和结合自身H+的能力何者更强？

[学生]HCO  -3结合自身H+的能力更强。

证据： （定量角度）HCO  -3+H2OH2CO3+OH-， Kh（HCO  -3）=2.3×10-8; HCO  -3+HCO  -3H2CO3+CO2-3， K=Ka2Ka1=1.1×10-4，故HCO  -3自耦電离的程度更大。

[学生]原来HCO  -3自耦电离的程度并没有我们想象中的那么小。

[问题14]HCO  -3自耦电离的程度远大于其自身电离的程度，NaHCO3溶液与CaCl2溶液的反应完全可以理解为Ca2+促进了HCO  -3的自耦电离。已知： Ksp（CaCO3）=2.8×10-9，计算Ca2++2HCO  -3H2CO3+CaCO3↓的平衡常数K。

[学生]K=c（H2CO3）c（Ca2+）·c2（HCO  -3）=Ka2（H2CO3）Ka1（H2CO3）·Ksp（CaCO3）≈4×104，该反应的平衡常数接近105，可近似认为该反应进行完全，所以“白面包”实验现象很明显。

设计意图： 围绕微粒结合和释放H+能力的比较，引导学生从定性、定量、实验现象等多个角度寻找证据，培养学生的证据意识。本环节的教学中，凸显平衡常数的重要性，帮助学生形成认识思路。学会结合生活常识和实验事实定性分析反应程度，学会通过平衡常数量化反应程度的大小。在一系列的平衡常数的计算中，探索知识的功能，促使知识经验的程序化。引导学生分析复杂溶液体系中的多重平衡，通过定性分析和定量计算推出合理结论，在问题的解决中提升高阶思维能力。

3.4  思维发散： 促使认识进阶

[问题15]反应Ca2++2HCO  -3H2CO3+CaCO3↓的平衡常数很大，NaHCO3溶液与CaCl2溶液反应一定会有非常明显的现象吗？

[演示实验3]向三支装有2mL 0.1mol·L-1的NaHCO3溶液中分别滴入2滴1mol·L-1、 0.1mol·L-1、 0.01mol·L-1的CaCl2溶液，观察实验现象。

[学生]2mL 0.1mol·L-1的NaHCO3溶液与1mol·L-1的CaCl2溶液反应，溶液明显变浑浊，而换成0.1mol·L-1的CaCl2溶液，溶液略微变浑浊，若滴加0.01mol·L-1的CaCl2溶液，几乎观察不到任何明显现象。

设计意图： 平衡常数很大反应也有可能观察不到明显的实验现象，再度引发学生的认知冲突，挑战学生的已有认识角度，引发学生的深度反思，将课堂推向高潮。在教师的推动下，学生能打破原有的认知平衡，初步学会从“趋势、限度、速率”等多个角度认识化学反应，感受到化学反应中宏观现象背后微观机理的复杂性，惊叹化学反应的神奇，也为大学阶段深入学习化学热力学和动力学奠定基础。

[问题16]许多反应中都能找到自耦电离存在的依据，书写下列过程的反应的化学方程式。

（1） CoSO4溶液与NH4HCO3溶液反应生成CoCO3沉淀（化学方程式）;

（2） NH4HCO3溶液与ZnSO4溶液在一定条件下可生成ZnCO3·Zn（OH）2（化学方程式）;

（3） 向1mol·L-1的NaHCO3溶液中滴加BaCl2溶液，同时通入过量的NH3（离子方程式）。

参考答案： （1） CoSO4+2NH4HCO3CoCO3↓+CO2↑+H2O+（NH4）2SO4

（2） 4NH4HCO3+2ZnSO4ZnCO3·Zn（OH）2↓+3CO2↑+H2O+2（NH4）2SO4

（3） Ba2++HCO  -3+NH3BaCO3↓+NH  +4

设计意图： 本题组旨在让学生感受水溶液体系中离子反应的丰富多彩，打破思维定势，优化认识模型，提升思维的有序性和系统性。最终在新旧知识的整合、知识结构的更新中实现思维认识的进阶。

4  教学反思

4.1  建构知识： 让能力自然生长

传统的高三复习课往往围绕“两题三点”展开，即注重高考真题和模拟试题的训练，注重重点、难点和考点的归纳整理。仅以试题为素材，看似有利于快速提分，但学生容易就题论题，只能获得局部的知识与方法，未能实现知识获得与能力发展的统一融合。高考试题往往通过陌生的情境素材考查学生的综合能力，依赖“题海战术”收效甚微，故复习中应关注知识的建构过程，尊重学生的主体地位，不能让课堂沦为“两题三点”的密集讲练。

本节课中，无需罗列Na2CO3与NaHCO3的若干性质，也无需告诉学生Na2CO3与NaHCO3的转化方法，可以让学生用符号语言描述两者在水溶液中的行为，并将其离子行为应用于两者的转化。教师沿着认知发展的脉络引导学生循序渐进地建构知识，学生的关键能力在潜移默化中自然生长。例如： 学生可以在对微粒行为的符号表征中发展概括关联能力，在对HCO  -3自耦电离的讨论中提升说明论证能力，在对NaHCO3溶液与CaCl2溶液能否反应的探讨中提升复杂推理能力。知识的建构过程与能力的发展过程往往相伴随行。