基于认知进阶的单元教学设计

郑国雄

摘 要 单元教学设计应该以提升素养为终极目标，准确刻画认知的“阶”，掌握学生已有的经验和认知水平，描述学生预期达到的中间水平，在障碍点帮助学生及时修正与强化。通过层级清晰的问题情境来激疑启迪，外显学生认知过程，引导学生进行体验式和研究性学习，注重探究知识本原，实现“扩展认知对象和视角，让认识思路结构化，从经验定性思维走向模型、定量、图像思维，达成提升学生认知水平”的单元教学目标。

关键词 高中化学 认知进阶 沉淀溶解平衡 单元教学设计

学习是一个训练思维、扩展认识对象和视角的过程。学习进阶是用来描述学生对某一领域知识不断复杂化的学习过程的假设模型，学习水平高度存在上下限，根据学生表现划分不同成就水平[1]。在素养教学背景下，单元教学设计应该围绕核心概念，以提升素养为总目标，规划与优化认知的“阶”，了解学生的不同基础和认知能力水平，对中间水平进行深刻描述，在符合学生的认知水平和规律的基础上，在相应时间节点给予学生支持与帮助。单元教学设计就是从一章或者一个单元的角度出发，根据知识点的需要，综合利用各种教学形式和教学策略，对教学目标、内容、方法、步骤等进行整体的综合设计，通过一个阶段的学习，让学习者完成对一个相对完整的知识单元的学习。

一、“沉淀溶解平衡”的认知进阶分析

《化学反应原理》中的“沉淀溶解平衡”是在学习“化学平衡、电离平衡、水解平衡”之后。学生通过前面的学习，已积累了对平衡概念的基本认知，但是对平衡相关知识的掌握程度仍存在差异。“沉淀溶解平衡”在工业除杂等领域有重要应用，许多学生在此之前只会定性理解。作为“离子平衡”的结束篇，它承载了提升学生对离子反应整体认识的任务。针对这些实际情况，笔者認为，通过学案导学及递进式的问题情境激疑深究，引导学生进行体验式及研究式学习，外显学生的认知过程，在障碍点帮助学生及时反馈、反思、修正与强化，不断扩展认知领域，丰富认知角度和结构，构建新认知和新观念，实现认知“从事实到方法，从经验到理论，从定性到定量，从孤立到系统”等[2]的转变，感悟学科的本质与价值，以提升学科素养。

二、案例研究

“沉淀溶解平衡”也是一种化学平衡，但是又不同于其他化学平衡，它是一种异相平衡，难溶电解质固体浓度视为常数;相同点，它们都遵循平衡的建立和移动原理。

（一）从经验走向理论，实现认知理解本原化

“沉淀溶解平衡”需要融入化学平衡这一核心概念，应用平衡移动原理的知识，丰富学生对平衡体系的认知，可以将它与其他化学平衡进行辨析比较（如表1），帮助学生进一步认识沉淀溶解平衡的内涵。

表1 沉淀溶解平衡与弱电解质电离平衡的比较

[平衡类别 电离平衡 沉淀溶解平衡 表达式（举例） H2O [] H+ + OH- AmBn（s） [] mAn+（aq） + nBm-（aq） 物质类别 弱电解质 难（微）溶，强、弱电解质都可 溶液特征 稀溶液 饱和溶液 平衡特征 逆、等、动、定、变、Qc=Kw 逆、等、动、定、变、Qc=Ksp ]

溶度积常数的表达、意义、应用是本单元教学的重点，同时概念的理解存在“经验、映射、关联、系统、整合”五个发展水平[3-4]。例如，溶解平衡与电离平衡也有关联点，难溶弱电解质的溶解平衡实际上存在两个过程，溶解与电离：Fe（OH）3（s）[]Fe（OH）3（aq）[]Fe3+（aq）+ 3OH-（aq），但是一般只表示出总的平衡。除了联系电离平衡，还可以引导学生对其他相关概念进行比较、关联、整合（如图1所示）：

通过构建概念网络图，对溶度积与其他平衡常数、溶解度概念的辨析，让学生深刻理解“沉淀溶解平衡”概念的本原，即内涵、本质、规律，认识到沉淀溶解平衡的本质也是化学平衡，有可逆性、条件性、可移动性、宏观静止与微观动态等特点，达到定量思维水平。

（二）从繁杂走向模型，使认知思路结构化

例1 侯氏制碱中为什么要先通氨气后通CO2？这一问题的解决，需要学生知道溶解度的差异（见表2）及应用、离子交换反应的内在条件、碳酸的电离过程及平衡移动原理。

通过分析，要生成碳酸氢钠沉淀，需要在饱和食盐水中先通入氨气的原因：一是增大二氧化碳的溶解量，二是使碳酸更多电离出HCO3-。在这一过程中，学生会突破原来的思维误区——认为H2CO3与[CO2-3]、[HCO-3]之间没有本质区别，能正确理解3种微粒之间的区别，在不同的pH环境中，其存在的主要形式是不同的。

表3中4种解决问题的方式体现了从定性走向定量，也是更科学严谨的思维。不囿于记住一些过度归纳的结论——“酸与盐反应，一定是较强酸制较弱酸”，事实就有反例：Cu2++H2S[]CuS（s）+2H+ K = [[Ka1]·[Ka2]（H2S）] / Ksp（CuS） ≈ 7.7 × 1016。所以不能以一概全，事物往往受多因素影响，当生成的沉淀极难溶时，弱酸也可以制得强酸。用定量思维、数学模型认识离子反应的方向，可以使学生对反应的理解更深刻，也能想到其可以用于创造新的反应。

（三）从孤立走向系统，丰富认识视角

沉淀反应是离子交换中的一种反应，不仅要对它分类分析（如表4），也要将它放在无机反应整体中进行比较分析。

方法：①加沉淀剂;②生成难溶的氢氧化物、弱酸盐可调控pH 条件：Qc

方法：①可加入酸或碱或盐，通过复分解反应、水解反应生成弱电解质;②利用氧化还原反应，改变离子中的元素化合价;③加入配位剂，生成难电离的稳定配合物 对于同类难溶物质且离子浓度相同时，可直接由其Ksp的大小进行判断，Ksp小的先沉淀。浓度不同或不同类型时不能直接由Ksp的大小判断，需根据溶度积规则进行计算判断 ML（s）+N-（aq）[]MN（s）+L（aq）转化条件：Ksp（MN）比Ksp（ML）小或相差不大。一种沉淀生成以后，转化为另一种比其更难溶的沉淀是容易实现的，但是同类型的沉淀，由Ksp小的变成Ksp大的也不是不可能 ]

以上分析使用溶度积规则，为学生理解沉淀反应规律提供了一个模型，即找到相应平衡，计算Ksp或K，使用平衡移动原理，解释反应的方向。

图2是笔者在教学中以“阳离子与阴离子是如何‘对话”为话题做的总结。

当然，实际反应也与离子存在的pH环境有关。部分学生由于缺少融会贯通的能力，误认为化学反应没有规律可言。教师可以在学习“离子平衡”的结束篇时改变这一局面，使学生真正理解化学反应是“有理可循”的，如反应方向判断可以依据焓减或熵增，离子交换反应及氧化还原反应也是遵循这一规律（见表5）。

通过概念的集结，建构完整的概念结构图，使学生能够系统把握无机物的化学性质，学会从物质分类、从价态、从反应类型及其规律或物质结构等方面具體问题具体分析。这样，学生对无机反应的认识就有了整体的框架，避免死记硬背零散的事实性知识。

（四）从定性走向定量，使认知路径显性化

例2 再如，从自然的重晶石（主要成分是硫酸钡，含杂质）如何制得钡餐？25 ℃时，Ksp[BaSO4] = 1.1×10-10，Ksp[BaCO3] = 2.6×10-9。通过计算，BaSO4（s）+CO32-[]BaCO3（s）+SO42-  K = Ksp[BaSO4]/Ksp[BaCO3] = 1/24。虽然值小于1，但并非很小，所以要控制条件，让[QC24Ksp1/2[BaSO4]即可。

分析这些典例的目的就是要让学生意识到，这就是定量的科学思维，也是证据在“说话”，树立证据意识，基于证据推理，从对平衡常数数据的分析，认识到物质的共性与个性、反应的规律及其本质。

（五）具象与抽象相互转化，感悟学科本质

化学三维表征有“宏观辨识—微观本质—符号表达”，所以化学学习可以符号化，用公式、示意图、数学模型等来表达，用数据、图像等来说明解释，实现具象与抽象的相互转化，从化学事实中提取出本质特征，建构思维模型，理解学科本质（如表7）。

通过图像分析，可以从更为抽象和综合的角度去分析反应的过程，也可适时引导激发学生去深究图像的内涵和意义。如图5和图6为什么有诸多相似之处？是因为无论是Kw还是Ksp都是只有分母没有分子，所以两种离子浓度呈现“此消彼长、此长彼伏”;pH与pAg都出现“首尾平缓、中间突跃”，因为中间阶段都是由c（OH-）或c（Cl-）微小的变化导致c（H+）与c（Ag+）微小的变化，却引起pH与pAg的“巨大”变化，这就是突跃;而首尾的情况是c（OH-）或c（Cl-）微小的变化，不会导致c（H+）与c（Ag+）产生数量级的变化，所以pH与pAg也只能是微小的变化。应用数据模型建构认知，借助沉淀溶解平衡图像进行表征分析，数形结合，有利于锤炼抽象思维、综合思维，在图像分析中深刻理解过程与平衡、平衡建立与移动等关系。

图4 AgCl饱和溶液 溶度积常数中两种离子浓度是“此消彼长、此长彼伏”，既对立又统一，可以转化为一个反函数图像（图3），也可以转化为pM与pA关系图（图4），pM+pA=pKsp，直线斜率为-1，截距为 pKsp，图像既简洁又对称

图5 向盐酸溶液中逐滴加入NaOH溶液时，溶液的pH随着加入NaOH溶液的体积而变化

图6 向AgNO3溶液中逐滴加入NaCl溶液时，溶液的pAg随着加入NaCl溶液的体积而变化的图像如图（实线） 解析图像，明确起点和突跃点意义，对于突跃点，要明确虽是少量的银离子变化却引起pAg的大变化，道理如同强酸与强碱滴定反应，pH一般在4～10区间有突跃，也是因为在7附近的pH会随着c（H+）或c（OH-）极微小的变化而发生大的变化。若用等浓度的KI溶液代替NaCl溶液，其pAg的突跃点会更高，因为其Ksp更小，算出的pAg更大。同时注意突跃点与沉淀刚好完全不一定是同一点，沉淀完全的一般标准：【c（残留离子）≤10-5 mol·L-1】，因为pKsp不一定等于10-10 ]

三、教学反思

教学设计是否符合素养目标要求，很大程度取决于教师对化学学科知识及其思维方式和方法的本原性、结构化的理解水平，取决于教师能否结合学生的已有经验，对单元教学目标进行整体规划和设计[5]。认知进阶教学设计的难点是对认知的“阶”进行准确地刻画，对学生原有认知误区反馈的纠偏，所以需多关注学生的学，留足够时间空间让学生外显认知路径，才能有的放矢。通过教学实践，笔者认为，本设计研究对其他单元教学设计同样有借鉴意义的经验有：（1）概念的理解一定要放在多关联、成系统、整合水平高的概念群中，充分挖掘知识概念的本原，即内涵、本质与规律，让认识思路结构化和观念结构化，实现从知识进阶到思想方法进阶、到素养进阶;（2）定量思维也是一种严谨科学的思维，用定量手段来建构相应模型或收集证据进行推理论证、认识反应或预测设计反应，有效地激发学生的学习好奇心;（3）使用数学模型或图像来表征与分析反应或平衡中的数量关系，为学生提供一次更抽象与综合的认知能力训练机会，也能扩展学生的认知对象和视角，提升认知水平。

[参 考 文 献]

[1]Corcoran T，Mosher F A，Rogat A.Learning Progressions in Science：An Evidence-Based Approach to Reform：CPRE Research Report #RR-63[R].Philadelphia：Consortium for Policy Research in Education，2009：41-48.

[2]姜显光.高中化学反应限度学习进阶研究[D].长春：东北师范大学，2019：82.

[3]郭玉英，姚建欣.基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J].课程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.

[4]李万军，张静，顾效源.不同浓度条件下液溶胶丁达尔现象的研究[J].化学教育（中英文），2016，37（7）：77-81.

[5]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：76.

（责任编辑：赵晓梅）