“证据推理与模型认知”素养导向的“沉淀溶解平衡”教学实践与反思

刘臣 左京平

摘要：学科核心素养具有独特的学科育人价值，基于化学概念原理知识的特点及其教学价值，阐述了依据理解和应用学科素养框架开展沉淀溶解平衡主题教学设计的思路及策略。以促进学生对沉淀转化实质的认识为例，整合教材内容为教学内容，依托学科典型的学习方式开展探究教学，着重发展学生“证据推理与模型认知”的学科素养，并进行了教学反思。

关键词：证据推理;模型认知;科学探究;问题解决;教学设计

文章编号：1008-0546（2020）09-0063-05

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

学科核心素养是指学生在经历对某一学科的学习后，逐步形成的该学科独特的思想方法、基本观念和思维方式，学科核心素养对学生的终身成长具有独特的贡献和育人价值。中学阶段，教师通过课堂教学，帮助学生后天习得某个学科的基本素养，教师的角色从教书转变为育人，逐步实现新时期育人目标的跨越和升级。为此，基于培养学生学科素养引发的教学变革，广大教育工作者展开了深入的思考和实践。

一、问题的提出

化学概念原理知识是学生化学学习的重要内容，承载着对物质性质、转化及化学反应的认识功能与价值。在传统的概念原理教学中，教师开展基于知识解析式的教学，对概念涉及的内涵和外延进行知识点式的逐条分解、固化;以及应用概念在解决“真实”问题中思维模板化、条目化，从而导致学生在学习概念原理时感觉“只见树木、不见森林”，知识条目繁多，难于理解、难于记忆，更难于运用。由此可见，在学生头脑中并没有形成结构化的知识，自以为“掌握”的知识更不具有可迁移性。每当遇到较为复杂的实际问题时，便无從下手，不能独立操作且自觉调用所学知识去解决问题。

化学学科核心素养是学生在面对真实复杂的问题情境时所表现出来的关键能力和必备品格。当学生在探究与创新实践过程中遇到和发现问题时，需要调用原有模型，进行假设推理、寻找证据，并基于证据推理发现或建立新的模型。从这个意义上说，证据推理与模型认知是科学探究与创新的思维核心，也是科学探究与创新的方法。据此，基于新课标的课程理念，依据理解和应用学科素养框架开展“沉淀溶解平衡”单元教学设计，以帮助学生从学习和理解“难溶电解质在水溶液中存在沉淀溶解平衡”这一知识内容出发，基于知识载体设计有层次且具有挑战性的学生活动，在探究中引导学生对实验现象和现象背后的原因进行剖析、类比和归纳，提升学生对“沉淀的生成、溶解与转化”实质的认识。在过程设计中突出发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科素养，彰显知识的素养发展价值。

二、教学内容分析

1.课标要求

《普通高中化学课程标准（2017年版）》在选择性必修课程模块1化学反应原理的主题3“水溶液中的离子反应与平衡”内容要求中指出：“认识难溶电解质在水溶液中存在沉淀溶解平衡，了解沉淀的生成、溶解与转化”。在学业要求中指出：“能用化学用语正确表示水溶液中的离子反应与平衡，能通过实验证明水溶液中存在的离子平衡，能举例说明离子反应与平衡在生产、生活中的应用”。此外，在学习活动建议中提出了“沉淀的转化”实验及探究活动建议。

2.教材分析

“沉淀溶解平衡”隶属于鲁科版化学选择性必修1第3章“物质在水溶液中的行为”的第3节，教学内容包括沉淀溶解平衡与溶度积、沉淀溶解平衡的应用。其中，教材着重讨论了溶度积Ksp的相关概念以及如何通过比较溶度积与离子积Qc的相对大小，判断难溶电解质在给定条件下沉淀能否生成或溶解。教材对难溶电解质溶解平衡的内容呈现，充分展示并承载着从微观、动态、平衡的角度深入认识物质性质、转化及化学反应的功能与价值，有助于发展学生对难溶电解质溶于水及其变化的微观本质认识，进一步丰富和完善学生对离子反应的理解。

3.对知识的深入分析

（1）学科大概念背景下知识的教学价值

沉淀溶解平衡其核心内容是探讨难溶电解质在其饱和溶液中的微观、动态行为，发展学生对难溶物能否溶于水、生成沉淀的反应能否真正进行到底，以及在必修阶段学习过的复分解型离子反应，如碳酸钙与盐酸的反应，两种反应物是否真正“交换成分”的进一步认识，其上位的学科大概念是化学平衡观。发展学生从反应有限度的平衡视角看沉淀的生成、溶解和转化，认识结果将不再单一和固化。与此同时，变化平衡的高认知水平基础是宏微结合。由此从三维目标的发展上看，学生通过对难溶电解质溶解平衡的学习，不仅可以很好地经历“宏观辨识与微观探析”的辨识转换过程，又能很好地体验和感悟“变化观念与平衡思想”这一化学学科特征，学习过程是基于知识学习转化为学科能力和素养的有力抓手。

（2）依据相关知识间的联系设计教学

“沉淀溶解平衡”单元教学安排2课时完成：第1课时着重探讨沉淀溶解平衡的建立过程，从宏观、微观、动态、定量的视角看AgCl悬浊液与KI溶液的反应，然后将其转化为分析物质性质及其变化的思路和方法;进而从溶解平衡的视角看Mg（OH）2的性质与反应，为后续应用核心知识解决较为复杂的实际问题打下基础。第2课时学生在经历通过实验实现难溶物的生成与溶解的基础上，重点探讨沉淀转化的方向问题，引导学生从理论分析和实验探究两个维度，探讨了两组难溶物BaCO3和BaSO4、AgCl和Agl相互转化的可行性。与此同时，在实验设计中借助学生在第1章学过的电化学原理，将不易观察到的实验现象转化为具有说服力且可观测的电压数据，实现了概念原理知识间的融合，也着重培养学生“证据推理与模型认知”的学科思维素养。其相关知识间的联系和主题教学框架如下图1所示。

三、学生学习情况分析

1.学生已有的认知基础

依据教材的学习顺序，学生已经学习了电解质、氧化还原反应和电化学等化学核心概念及相关模型;初步建立了对化学反应的认识角度：化学反应的方向、速率、限度和能量。在本主题第1课时的学习中，已经认识到难溶电解质在其饱和溶液中存在沉淀溶解平衡，通过改变外界条件可以调控反应进行的方向，即沉淀的生成、溶解与转化现象。

2.学生学习本课的障碍点分析

学生学习本课遇到的困难与常出现的错误有：①对沉淀发生转化的方向问题认识片面。前测表明：班级2/3以上的学生普遍认为BaSO4沉淀不能转化为BaCO3，Agl沉淀也不能转化为AgCl…即溶解度较小的沉淀不能转化为溶解度较大的沉淀。②依据实验目的，在设计实验方案寻找证据时，缺乏对获得实验证据条件重要性的认识，实验条件的改变将直接影响获得证据的有效性，缺乏对证据的准确性保持基本审慎的态度。③对电化学装置模型的功能认识不足，没有打通概念原理相关知识间的联系，缺乏对应用所学知识分析并解决实际问题的角度与路径。

四、基于理解和应用学科素养框架的教学活动设计与实践

1.基于工业生产实际问题引出课题

课堂引入，首先给出一则实际问题的背景资料：

重晶石（BaSO4）是自然界中含钡元素的重要矿石，其难溶于水，且难溶于盐酸、硝酸等强酸。以重晶石为原料制取各种钡盐的方法之一是将其转化为可用盐酸溶解的BaCO3。

查阅物质在20℃时的溶解度数据，S（BaCO3）=l.4×10-3g，S（BaSO4）=2.4×10-4g，引导学生关注将BaSO4转化为BaCO3的过程，是溶解度较小的盐转化为溶解度较大盐的过程，那么这种转化容易实现吗？其转化的原理和依据又是什么呢？至此，完成了课堂引入一即发现问题的过程，引导学生关注应用化学原理解决生产生活实际中的真实问题，也最大限度地承载了中学生社会责任的教育价值。

2.探究BaCO3和BaSO4间的相互转化

在本环节中，教师围绕“探究BaCO3和BaSO4間的相互转化”，提出下述三个问题：

[问题1]设计实验方案，探究BaCO3和BaSO4间的相互转化，并说明设计依据。

[问题2]通过收集何种证据（现象），证实BaCO3和BaSO4实现了相互转化。

[问题3]结合沉淀溶解平衡原理，解释说明沉淀发生转化的原因。

在分小组设计BaCO3和BaSO4相互转化的实验方案中，学生能够依据沉淀溶解平衡原理，先建立平衡再设计沉淀转化的方向;通过检验“反应物消失”或“生成物存在”等实验证据，证实沉淀发生了转化，说明学生已经具备了一定的证据意识。但在设计BaCO3转化为BaSO4的实验方案中，呈现出如图2，图3所示的两种方案：

两种方案的不同之处在于建立BaCO3的溶解平衡状态时，BaCl2与Na2CO3溶液的用量相对多少问题。此时教师及时抓住教学契机，引导学生对两组实验方案设计进行反思和评价，启发学生找到某种过量的试剂对后续实验造成的影响，以及判断据此得到的实验现象能否作为可信的证据进行推理。期间，进一步强调实验证据的有效性及获得实验证据条件的重要性，提醒学生在进行证据推理时应保持基本的审慎。

依据学生设计的方案，分小组完成BaCO3和BaSO4间的相互转化，对假设进行证实或证伪。通过观察加入稀盐酸后无明显现象，证实BaCO3可全部转化为BaSO4;对比加入稀盐酸后产生少量气泡，沉淀部分溶解，说明BaSO4部分转化为BaCO3。通过对比实验，使学生深刻体验和感悟沉淀转化的过程性及差异性，为后续的理论分析打下基础。

随后讨论问题3：结合沉淀溶解平衡原理，解释说明沉淀发生转化的原因。通过分析、归纳促使溶解平衡发生移动的因素及上述实验现象可知：溶解度小的沉淀转化成溶解度更小的沉淀容易实现，反之则不易。此环节引导学生初步建立现象证据和理论证据间的联系，点拨学生基于证据进行逻辑推理的分析角度和思维路径。那么，对于溶解度相差较大的物质，其沉淀间的转化是否能够实现呢？

3.Agl向AgCl发生转化的可行性分析及实证

问题的提出激发了学生的探究欲望和兴趣。随后一些学生也疑惑起来，对由Agl沉淀向AgCl转化的可行性提出质疑，课堂上出现了两种不同的声音。此时，教师抛出两个引导性问题启发学生做进一步思考：

[问题4]依据溶度积常数，计算向Agl悬浊液中加入c（Cl-）为多大时，可产生AgCl沉淀。

[问题5]设计实验验证：Agl转化为AgCl。

问题4要求学生结合AgCl和Agl的溶度积数据，进行理论推算，学生计算结果如下：

通过计算结果可知：若要产生AgCl沉淀，溶液中的c（Cl-）≥0.02mol/L时即可实现，理论上此条件完全能够达到，由此可得Agl也可以转化为AgCl沉淀。但在实际操作中，向Agl悬浊液中加入饱和NaCl溶液，沉淀仍为黄色，始终未观察到预期的白色AgCl沉淀。本环节利用理论证据与实验证据呈现出的相反结果制造思维冲突，促使学生深刻感受理论推演与实证的差异性，以及在真实情况下化学反应的复杂性。

进而引导学生寻找原因，再次回到反应体系本身进行分析。在Agl悬浊液中，溶液中的c（Ag+）已经很小，即使生成AgCl，其物质的量也很小;再加之AgCl为白色沉淀，受到黄色Agl沉淀的干扰和覆盖，更难于观察。为此，如何设计实验，实现由Agl转化为AgCl，并获得有明显可观测的实验现象或证据呢？随之教师继续给出一组背景资料：

①查询物质的氧化还原性数据可知：2Ag++2I--I2+2Ag。

②其它条件不变时，参与原电池反应的氧化剂（或还原剂）的氧化性（或还原性）越强，原电池的电压越大。

③离子的氧化性（或还原性）强弱与其浓度有关。

依据补充资料，进一步启发学生思考：Ag+可以氧化I-，能否依据氧化还原反应的实质，将此反应设计成原电池，通过改变物质的浓度来改变其氧化（还原）性，进而通过观测电池两电极间电压的变化，说明Agl转化为AgCl呢？随后小组间围绕实验设计展开了激烈地讨论、分析和论证，设计出如下图4所示的实验装置及相关实验步骤。在师生间的对话中，教师重点要求学生阐明“为什么要这样设计实验”及“哪些实验现象能够支撑所得结论”，促使学生的思维完整而有序。

相关实验步骤及原理分析如下：

[步骤1]如图连接装置并加入试剂，闭合K，观察并记录电压表读数。

[步骤2]向盛有KI溶液的烧杯中不断滴入AgNO3（aq），至不再产生黄色沉淀为止;由于发生反应：Ag++I-=Agl↓，导致c（I-）降低，还原性减弱，电压表读数减小。

[步骤3]再向盛有KI溶液的烧杯中加入一定量的NaCl固体，由于增大了溶液中c（Cl-），可使Agl（s）+Cl=AgCl（s）+I-正向移动，导致c（I-）增大，还原性增强，电压表读数增大。

[步骤4]重复步骤1，再向盛有KI溶液的烧杯中加入与步骤3等量的NaCl固体，观察并记录电压表读数与步骤1相同，排除了加入的NaCl固体与AgNO3形成原电池对实验产生的影响。实验过程中电压表的读数变化如下图5所示。

据此，可以通过观测电压表读数的变化趋势来证实AgI（s）+Cl-=AgCl（s）+I-沉淀转化的发生。在本环节中，教师也潜移默化地教给学生实验方案设计的一般思路与方法——先理性分析，明确实验目的，再设计方案进行实证，最终得出结论。

4.课堂小结

本环节先由学生自行整理收获与感悟，教师给予适当点评和补充，也提升了课堂小结的起点。教师重点围绕学生在本节课认识发展上的提升和探究过程中证据推理思维模型的构建进行课堂小结。本课时探讨物质的溶解度大小与沉淀转化方向间的关系问题，基于对沉淀转化一般规律的认知，围绕由Agl（s）→AgCl（s）转化这一核心问题开展实验探究，充分发挥电化学装置的实验研究功能，提升学生对沉淀转化实质的认识。课堂教学过程遵从开展科学探究过程的一般思路：从真实情境中确立问题一形成假设、拆解问题一实证法收集证据、分析问题一获得结论，解决问题。在探究中，学生基于资料、数据和电化学装置结构模型进行分析、推理，对假设进行证实或证伪，逐步发展了学生的证据意识。

五、素养导向的教学实践认识与反思

1.精心设计教学环节，依托探究活动提升证据意识

教育家杜威说，探究是“对任何一种信念或假设的知识进行的积极、持续、审慎的思考”。在课堂教学中，逐步发展学生的证据意识，既要让学生感受理论证据推导中的科学性，又要让学生体验实验证据的过程性和复杂性，需要教师精心设计课堂上的学生活动环节，坚持以开展科学探究的学习方式发展学生“证据推理与模型认知”的学科素养。我们说，化学反应是有一定规律的，但化学实验的结果又具有不确定性。例如在本课时中，学生通过理论计算得出，只需向AgI的悬浊液中加入0.02mol/L的NaCl溶液，即可实现Agl转化为AgCl。但实验实证却发现，即使加入饱和NaCl溶液，也始终未观察到AgCl白色沉淀的生成。开展教学设计时，教师有意识地设置了这样的“冲突”环节，理论证据和实验證据产生了“矛盾”，探究中获取的证据错了吗？随之引发学生对推理过程的再思考。设置学生分组研讨，对探究中的证据展开多次理性的剖析，层层深入，最终找出问题所在，为后续进一步提升学生对沉淀转化实质的认识打下了坚实的基础。

2.基于模型揭示变化过程，打通概念原理知识间的联系

化学中的模型认知可理解为“利用模型进行思维的一种方法”，即基于一定的感性认识，以理想化的思维方式对看不见的化学原型客体进行近似、简化的摹写，以揭示其本质和规律的一种科学抽象方法。电化学原理及其装置是高中阶段学生认识的典型学科模型，学生认识其功能主要有：化学能与电能间的能量转换、应用原电池或电解池原理制备物质等。本课时基于原电池装置开展实验研究，将试管实验中不易观察到的沉淀转化现象转化为具有说服力的可观测的电压数据，用电压数据产生的变化揭示化学反应过程，为拓展学生的实验设计思路提供了新的角度和路径，并据此转化为今后研究同类型问题的一般思路与方法。在探究活动中，学生积极、主动参与实验过程，充分体验和感悟概念原理知识对实践的指导价值，承前启后，在学习过程中收获成就感。

六、结束语

总之，证据推理与模型认知不仅是化学科学发展的重要元素，也是化学学习中不可或缺的认知能力。这些能力不仅有助于学生深刻理解知识是如何建构的，更有利于学生的知识迁移。2017版新课标提出以素养发展导向的教学，发展学生的学科核心素养，需要广大一线教师在每一节常态课上扎扎实实地去设计教学，改变以往的教学范式，大跨步地开展学科素养导向下的教学实践，进行更多有益地探索与尝试。