基于核心素养的“离子反应”进阶学习

叶晨 张文华

摘    要：选择性必修课程是必修课程的进阶学习，很多核心概念在必修课程和选择性必修课程中重复出现，但是难度、深度和广度有所增加。在高中化学教学中，教师可以根据进阶学习理论和学生的认知发展规律，科学规划各阶段学习发展水平，以核心概念的思维模型为出发点，设计核心教学流程。

关键词：进阶学习;离子反应;核心素养;核心概念

在过去的十多年里，进阶学习因其理论体系完整地呈现了学生对科学核心概念的理解过程，一直是国际科学教育的关注点。进阶学习借助经验模型，将学生先前的经验和后续学习概念的延伸发展进行了紧密联系，设计了螺旋式发展的学习路径[1]。循序渐进的学习路径帮助学生构建核心概念学习的思维模型，逐步内化为个体独特的学习行为和学习素养。进阶学习层级水平并不是课程标准在每个学习阶段的简单划分，而是依据特定学习者群体的认知发展规律和知识经验储备进行科学性、系统性的规划和设定。本文选用“离子反应”学习主题，以2019年版山东科学技术出版社出版的普通高中化学教科书（简称鲁科版）必修一和选择性必修《化学反应原理》为研究对象，探讨新教材基于进阶学习理论的知识体系的构建。

一、必修一模块《离子反应》的进阶学习

（一）教材体系解读

2019年版鲁科版教材必修一第2章第2节为《电解质的电离、离子反应》。教材从“联想?质疑”栏目开始，选用“药用泡腾片在水中立刻产生大量气体”为导入情境，引发思考：“为什么干燥的泡腾片不产生气体，而放入水中会立刻释放气体？”教材选用真实的生活情境，激发学生对现象的深入思考，自然引导学生进入新概念的学习。教师可以直接在新授课的教学中运用此情境，操作简单，现象明显，紧扣主题。

在“离子反应的含义”主题中，“观察?思考”栏目设置了稀硫酸与氢氧化钡溶液反应的电导率实验，通过对实验事实和数据的推理，分析并归纳该反应的本质是离子浓度的降低。“交流?研讨”栏目引导学生合作学习，分析“稀硫酸溶液与氢氧化钠溶液、硫酸铜溶液与氢氧化钠溶液、碳酸钠溶液与稀盐酸”等5组溶液混合后反应的实质，特别提示学生从混合前后电解质溶液所产生的离子种类变化、离子数量变化两个维度进行探讨。教材以实验为基础，引导学生从实验现象和实验数据出发，通过对数据的推理，分析证据、结论和本质之间的逻辑关系，深入理解离子反应的实质。

在“离子方程式”主题中，“方法引导”栏目以稀硫酸溶液与氢氧化钡溶液的反应为例，引导学生掌握离子方程式的书写方法。《普通高中化学课程标准（2017年版）》对于“证据推理与模型认知”素养维度，提出学生需要建立认知模型，并运用模型解释化学反应，揭示反应的本质和规律[2]4。教材呈现了两种离子方程式的书写方法，一种是传统课堂教学的思维模式，另一种是核心素养导向下的方法引导，详见表1。对比旧版本，新教材在此强调方法和技巧的传授，引导学生建立微粒观，学会用符号正确表征离子反应的本质。

在“离子反应的应用”主题中，学生需要达成以下两个维度的进阶学习水平：（1）利用离子反应检验某种或某些离子的存在情况;（2）将离子反应运用于物质的除杂和分离。教材在“活动?探究”栏目中特意设置了“食盐的精制”实验，并强调此实验为“学生必做实验”，不能由教师的演示实验或其他教学手段所代替。教材呈现了完整的实验探究流程，包含了实验原理分析→实验目的设定→实验用品选择→实验方案设计，总结了“利用离子反应除去杂质的思路和方法”，培养了学生的科学探究与创新意识。教材在“概括?整合”栏目中，引导学生采用思维导图的模式，归纳、总结、分析溶液体系的基本思路。

（二）进阶学习水平设定

在本节主题的学习之前，学生认知起点主要由以下两方面构成：（1）初中科学的“水与常见的溶液”相关知识、生活中常见的酸性物质与碱性物质、四大基本反应的理解与应用;（2）高中的课程体系“物质的量浓度”的应用、物质与元素的分类体系和电解质的电离行为。根据现行化学课程标准、高一学生的学情分析与选择性必修模块进阶学习的需要，以核心素养为导向，现将必修一“离子反应”进阶学习划分为以下4个水平，详见图1。

基于学生认知体系建构的螺旋式发展，必修一“离子反应”是化学反应原理模块的基石，教师在进行新课教学时，应着重于离子反应核心概念的理解教学和问题分析模型的初步构建。

二、选择性必修模块《离子反应》的进阶学习

（一）教材体系解读及进阶学习水平设定

2019年版鲁科版教材的《化学反应原理》第3章《物质在水溶液中的行为》第4节为《离子反应》。学生的前侧知识为必修一中“电解质电离理论和离子反应简单理论”、选择性必修模块中“弱电解质的电离平衡和盐类的水解平衡”。教材提出电解质在水溶液中的行为可能存在电离平衡、水解平衡或沉淀溶解平衡，不同电解质的离子之间可能存在多样化的反应体系，具体编排体系详见图2。

通过对选择性必修教材编排体系进行研究，教师在实际教学中应重点发展以下三个维度的化学学科核心素养：“宏观辨识与微观探析”素养维度，形成微粒观，建立微粒之间相互作用的视角，认识、预测并解释物质在水溶液中的行为;“变化观念与平衡思想”素养维度，形成变化观，用平衡思想分析复杂水溶液体系中的微粒变化，解释自然界、生产生活中的现象，解决实际问题;“证据推理与模型认知”素养维度，形成电解质溶液认知的科学模型，建立宏观与微观、证据与结论的辩证关系[2]33-36。基于化学学科核心素养导向、教材解读和学情分析，对选择性必修模块的“离子反应”进阶学习水平进行了科学设定，详见图3。

（二）进阶学习的教学流程设计

进阶学习是以实验和事实为基础，在系统性的教学引导下，随着时间的推移，培养更深层次核心概念、科学理论等的理解与应用能力[3]。本文节选“物质制备与纯化”主题的“交流?研讨”中新增内容“从海水中提取二氧化碳”，以进阶学习理论为导向，设计了“拯救小丑鱼行动——从海水中提取二氧化碳”的15分钟核心教学流程。

1.进阶学习起点

学生初步完成离子反应大概念的框架构建，基本达成了图3中的进阶水平1和2。

2.预期进阶学习终点

形成基于学习者个体特点的理论模型和经验模型，解决实际的离子反应问题。

3.教学流程设计思路

教学活动要与核心素养、核心概念和基本问题之间保持高度统一性，目的是以事实促进学生对核心概念的理解，进而内化为核心素养，详见图4。问题设置要点：把核心概念以“是什么、为什么、怎么样”这样的驱动性问题的形式表达出来。

4.基于问题链的教学流程设计

问题情境：海水呈弱碱性，但是近年来，过量温室气体二氧化碳的排放导致海水酸性增强，影响了多种海洋生物的生存，对海洋生态系统造成了严重的威胁。英国《生物学通讯》杂志研究显示，由于空气中的二氧化碳含量增加致使海水酸性增强，本世纪末海洋中的小丑鱼可能失聪。

问题一：海水中含有HCO3-，为什么呈弱碱性？

学生活动设计：数据推理和模型认知，H2CO3 Ka1=4.2×10-7，Ka2=5.6×10-11，通过对比HCO3- Kh和Ka2的大小，形成弱酸酸式根离子在水溶液中电离和水解行为的认知模型。

问题二：为什么过量的二氧化碳排放会降低海洋表层水的pH？

学生活动设计：变化观念，空气中CO2增多导致海水CO2浓度上升，进而引起H2CO3浓度上升，促进了H2CO3的电离。

问题三：珊瑚礁的主要成分是碳酸钙，是海洋固碳行为的一种重要产物，但是随着海水酸性增加，珊瑚礁遭受了大面积的破坏，请用相关化学原理来分析此海洋环境问题。

学生活动设计：建立多样化的微粒观，正确用化学符号表征实际化学反应过程。

问题四：哪些环境条件改变会引起海水pH的变化？如何使海水pH恢复正常，从而拯救小丑鱼？

学生活动设计：平衡思想与变化观念，运用化学平衡原理分析实际问题。

问题五：科学家提出用阳离子交换膜的三室电渗析法从海水中提取二氧化碳，装置图详见图5，此方法的设计原理是什么？写出相关的电极反应式和离子方程式。

学生活动设计：综合运用电化学原理、离子反应理论评估方案的合理性。

问题六：怎样对B室的海水进行处理，从而得到可以直接排放的合格海水？

学生活动设计：认识化学、生活和环境的紧密联系，体会STEM教育理念。

提升与迁移：归纳离子反应理论的科学模型，详见表2。

表2   复杂离子反应体系的思维模型

[微粒观 变化观 平衡观 实践观 步骤一：从微观角度分析电解质的电离行为，用化学符号正确表征 步骤二：认识不同微粒之间的相互作用 步骤三：建立复杂电解质溶液中的多重平衡 步骤四：分析原电池体系、电解池体系、实际生产生活中的复杂离子反应体系 ]

此模块内容所涉及的知识点比较广，难度比较大，对学生的思维水平、问题分析和问题解决能力要求比较高。教师在实施教学过程中，要注重以问题为導向的启发式教学手段，时刻关注学生的课堂反馈情况，及时调整教学进度，不可盲目追求教学目标的完成。

三、进阶学习在高中化学课程体系中的重要作用和借鉴意义

普通高中化学课程由必修课程、选择性必修课程和选修课程组成，其中必修课程是普通高中学生发展的共同基础，是选择性必修课程的先行知识体系[2]8。选择性必修课程是必修课程的进阶学习，很多核心概念在必修课程和选择性必修课程中重复出现，但是难度、深度和广度有所增加。

高中化学课程体系内容繁多、体系复杂，教师若直接呈现知识不仅不利于学科素养的培养，还会削弱学生学习化学的积极性，增加学生的学业负担。教师应当重点关注核心概念的教学与理解。核心概念其本身具有整合性、普适性、迁移性和进阶性，在不同学段中会重复出现，并随着学习的推进而不断加深[4]。基于核心概念的进阶学习能有效引导学生更深入地学习相关化学主题，提升学生化学学科的核心素养。教师可以依据课程标准划分的核心素养水平，多维度地整合核心概念的进阶学习，注重核心概念之间的意义连接，关注学生个体独特的概念发展途径，从而实现不同个体学习者的进阶预期。

参考文献：

[1]DUSCHL R， MAENG S， SEZEN A.Learning progressions and teaching sequences： a review and analysis[J]. Studies in Science Education， 2011， 47（2）： 123–182.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]皇甫倩，常珊珊，王后雄. 美国学习进阶的研究进展及启示[J]. 外国中小学教育，2015（8）：53-59.

[4]GOBERT J， BUCKLEY B. Introduction to model-based teaching and learning in science education[J]. International Journal Science Education， 2000， 22（9）： 891–894.