以大概念引领，促进学生自主建构知识体系的教学研究——以高三化学复习“物质结晶微专题”为例

邢东阳 王 玲 杨 剑 曾仲献 陈婷利

（1.佛山市南海区南海中学 广东 佛山 528200；2.佛山市南海区南海实验学校 广东 佛山 528251；3.佛山市南海区教育发展研究中心 广东 佛山 528200）

一、问题提出

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》［1］明确指出，“重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。”“大概念”是课程内容的核心知识，需要学习者从探究、讨论、验证等学习经验中总结而得，从而培养学习者掌握一种“透过表面现象发现本质”的认识论和价值观。由此可见“大概念”是具体知识背后的核心内容，深入挖掘“化学学科大概念”在课堂教学中的价值，是促进化学核心素养落地，培养学生关键能力与必备品格的必然要求。

产品的获得是制备实验和工艺生产中的核心问题。如何在复杂的环境中创造条件让目标物质结晶析出一直是高考的热点话题；但有关晶体析出的基础知识在初高中教材中均以点状分布，造成目前在高三复习时较为常见的方法是选择典型例题，让学生首先试错，然后再根据溶解度随温度的变化情况归纳析出晶体的解题技巧，最后简单介绍利用同离子效应和加入有机溶剂析出晶体的常温结晶方法，这样的复习模式导致学生对“物质结晶”的方法选择上是基于已有的经验，甚至是记住几种方法。学生在学习的过程中因没有系统性、本源性知识的形成，认知思维仅停留在具体操作方法的选择层面，面对复杂的真实情境时难以厘清知识的脉络关系，导致复习效果不佳。因此，在高三复习时基于“学科大概念Q（离子积）与Ksp（溶度积）的关系”对晶体析出这一现象的本质原因及相关知识进行梳理与整合，促进学生将碎片化的结晶知识系统化、结构化显得尤为必要。

二、教学背景分析与教学设计框架

1.教材与课标分析

初中教材在“水与常见的溶液”课题2溶解度部分介绍了饱和溶液、结晶、溶解度三个基本概念。课标的要求是：了解饱和溶液和溶解度的含义；知道结晶现象。依据初中教材内容的设置及课标要求，在初中阶段学生对结晶知识的认识仅停留在单点知识层次，即通过蒸发结晶或冷却结晶可以获得晶体；晶体析出时溶液达到了饱和状态；晶体的析出与溶解度有关；但是学生认知思维达不到建立晶体析出与溶解度、饱和溶液的深层关联。高中阶段在必修1第一章“物质的分离提纯”内容板块粗盐的提纯实验中用到了“蒸发结晶”，《有机化学基础》第一章第三节内容苯甲酸的分离提纯实验中用到了“重结晶”，因此学生对“物质结晶”的理解仅为一种分离提纯方法。通过分析“物质结晶”在三本教材中的内容，我们不难发现三个问题：一是教材上没有系统完整的结晶知识的介绍；二是结晶方法仅停留在蒸发结晶与降温结晶；三是没有从速率与平衡的视角解释结晶的本质原因。这就导致学生对结晶认识的碎片化和平面化，从而导致学生在复杂的情境中难以厘清条件控制与目标物质析出之间的因果关系，无法从本质上解决晶体析出的相关问题。从知识本源上看，物质从水溶液中的结晶问题应属于“水溶液中的离子反应与平衡”主题知识的一部分，新课标［1］明确提出从离子反应、化学平衡的角度认识电解质水溶液的组成、性质和反应，思考平衡问题的方式更多体现在K-Q关系层面，分析平衡移动，发展学生的微粒观、平衡观，形成认识水溶液中离子反应与平衡的基本思路。基于此，本文利用真实情境，通过大概念引领，帮助学生建构完整的物质结晶知识体系，引导学生从速率与平衡的新视角深层次理解结晶问题，提升学生在复杂情境中解决真实问题的能力。

通过教学背景分析可以看出，在不同学段“物质结晶”知识进阶如图1所示。由图1可以看出，在高三复习时，非常有必要对物质结晶的知识进行系统的归纳与深层次的挖掘，提炼学科大概念，深化学生对结晶现象本源的认知。

图1 “物质结晶”学习进阶

2.文献分析

在中国知网上以“物质结晶”为主题词，可以检索到97 篇文献，其中与本文有关联的仅6 篇，这6 篇文献涉及简单介绍结晶方法、［2］试题中结晶方法的选择技巧与归纳、［3-5］物质的分离提纯、［6］物质的简单制备，［7］但都未从平衡视角对物质结晶问题进行阐述。因此，基于大概念Q与Ksp的相对关系探讨物质从溶液中的结晶问题具有重要现实意义。

3.教学设计框架

教学内容是核心素养形成和开展学习活动的载体，依据“物质结晶”的学习内容，本教学设计参考钱扬义教授的五线谱［8］教学模式，以复分解法制备硝酸钾为真实情境，通过5个教学任务展开设计，利用问题驱动，将知识的获得、能力的提升、情感的体验、素养的发展等有机融合（见图2）。

图2 “物质结晶”教学设计框架

三、教学实录

1.从速率与平衡的视角认识“物质结晶”的本质原因

【教师】播放利用复分解法制备KNO3的无声实验

视频【问题1】实验视频中为什么会析出晶体？

【学生】析出晶体是因为该晶体在溶液中达到了饱和。

【追问】溶液饱和的实质是什么？

【生甲】饱和就是不能再溶了。

【生乙】饱和就是固体溶质进入溶液的速率等于溶液中溶质微粒回到晶体表面的速率，溶液中溶质分子或离子的量不再发生改变。以NaCl溶液为例，在饱和的溶液中存在平衡：

【追问】能否借用沉淀溶解平衡理论定量描述一下晶体析出的原因？

【生丙】晶体析出是因为外界条件的变化导致溶液中化合物离子的离子积Q>Ksp，溶解结晶平衡向着晶体析出的方向移动。

设计意图：通过问题串连续诊断学生对晶体析出这一概念本质原理的掌握水平，引导学生从速率与平衡理论认识结晶现象，促进学生对结晶问题认知的思维进阶，同时引导学生从宏微结合的视角解释推理物质的变化规律。

2.探究“物质结晶”的外界影响因素——完善结晶知识体系

【问题2】你有什么方法可以让溶质结晶析出呢？

【学生】蒸发浓缩。

【追问】蒸发浓缩时我们改变的外界条件是什么？

【学生】温度、溶剂的量。

【追问】你还有其他方法让溶质达到饱和而结晶析出吗？

【学生实验1】常温下，向1支大试管中加入20 mL饱和的NaCl溶液，然后向其中滴加浓盐酸。

【学生实验2】常温下，向1支大试管中加入20 mL饱和的NaCl溶液，然后向其中加入20 mL无水乙醇。

【追问】你观察到了什么现象？你能解释产生该现象的原因吗？

【生甲】向饱和的NaCl溶液中滴加浓盐酸，有白色晶体析出。原因：向饱和的NaCl 溶液中滴加浓盐酸时，因c浓盐酸（Cl-）>c饱和NaCl（Cl-），导致溶液中溶质NaCl的Q>Ksp从而析出NaCl晶体。

【生乙】向饱和的NaCl溶液中加入无水乙醇，有白色晶体析出。原因是乙醇为极性较小的有机溶剂，向水溶液中加入乙醇，减小了溶剂的极性，而NaCl 是离子化合物，根据“相似相溶原理”，NaCl难溶于乙醇，导致NaCl结晶析出。

【老师】同学们回答得非常好！向饱和的NaCl 溶液中滴加浓盐酸析出NaCl 晶体就是我们平常所说的同离子效应，其本质是增大了离子积Q，导致Q>Ksp，晶体析出；而向饱和的NaCl溶液中加入无水乙醇改变了原有溶剂的极性，相当于减小了NaCl 的溶解度，即减小了Ksp，导致Q>Ksp，从而析出晶体。

【课堂归纳】请同学们根据上述问题的解决以流程图的形式归纳晶体析出的影响因素。

教师展示晶体析出影响因素的流程图，见图3。

图3 物质结晶的影响因素

设计意图：通过对实验现象的推理与问题的解决，让学生的认知水平和思维方法可视化，促进学生自主建构晶体析出影响因素的完整知识体系，发展学生的证据推理能力和解决真实问题时的有序思维与归纳能力，培养学生分析问题的一般思维模型，引导学生从知识的本源“有结晶，必有Q>Ksp”的“平衡观”新视角来深度认识结晶问题。

3.提炼物质结晶的大概念，建构物质结晶的思维模型

【老师】根据对结晶知识的学习与理解，请同学们讨论如何分别从单一的NaCl 溶液、KNO3溶液、NaH⁃CO3溶液、AlCl3溶液、FeSO4溶液中获得晶体，并分享讨论结果。

教师根据同学们的讨论结果有序建构晶体析出方法的二维坐标图，见图4。

图4 晶体析出方法的二维坐标

【问题3】依据图4 内容，请同学们思考不同体系析出晶体有什么相似性或规律？

【生甲】结晶方法的选择要根据溶质的物理化学性质而定。

【生乙】通过具体操作必须实现溶质的Q>Ksp才能析出晶体。

【老师】结晶方法的选择实质就是控制条件，而条件的控制需要从溶质的物理与化学性质角度进行思考，基于此我们可以抽象出析出晶体的思维模型如图5所示：

图5 晶体析出的思维模型

设计意图：通过分析不同物质获得晶体方法的不同，外显学生利用控制条件获得晶体的认知发展水平，同时引导学生：选择合理的结晶方法不仅要考虑溶解度随温度的变化因素，还要考虑溶质本身的热稳定性、水解性、氧化还原性以及同离子效应和溶剂的极性，强化“性质决定方法”的化学基本观点，促进学生思维进阶，并构建晶体析出的思维模型。

4.解决混合体系物质结晶问题——强化大概念，促进认知思维进阶

【问题4】基于Q与Ksp的关系建构的结晶思维模型是否适用于混合体系呢？

【学生实验3】利用复分解反应制备KNO3。分别称取18.62 g KCl 与20.12 g NaNO3固体，倒入大烧杯中，向其中加入100 mL热蒸馏水，搅拌后将溶液倒入蒸发皿中，蒸发浓缩至有部分晶体析出，停止加热，趁热过滤得到固体A；待滤液冷却，析出晶体后过滤，得到固体B。

【老师】请同学们画出实验3的实验流程图，并根据表1 的相关信息判断固体A 和B 的主要成分是什么？说明判断理由。

表1 NaNO3、KCl、NaCl和KNO3四种盐的溶解度与温度的变化

【老师】请同学们展示分享制备KNO3的实验流程图，并汇报固体A、B的主要成分。见图6。

图6 制备KNO3的实验流程图

【学生】固体A是NaCl，固体B是KNO3。根据表1信息，混合溶液在约100 ℃进行蒸发浓缩，随着溶剂量的减少，四种盐中因NaCl 的溶解度最小，最先达到饱和而结晶析出，因此，固体A 为NaCl；当NaCl 大量结晶析出后，溶液中主要含K+和，因KNO3的溶解度随温度的降低迅速减小，降温后结晶析出，因此固体B为KNO3。

设计意图：通过实验现象和已知素材，诊断并发展学生的证据推理能力；通过推理结论的展示与分享帮助学生建立混合溶液中微粒之间存在的竞争意识，理解晶体析出的本质规律符合“优胜劣汰，适者生存”，把握析出晶体的核心思路——即控制合适条件，让目标物的Q>Ksp，从而结晶析出。析出物的种类为该条件下溶解度最小的物质，最终实现溶液中离子的重新组合，促使复分解反应的被动发生。

5.挑战真题——诊断学生基于Q 与Ksp的结晶思维模型在复杂情境中的问题解决能力

【问题5】你能运用Q与Ksp的结晶思维模型突破真题吗？

例1：（2018 江苏卷节选）以Cl2、NaOH、（NH2）2CO（尿素）和SO2为原料可制备N2H4·H2O（水合肼）和无水Na2SO3，其主要实验流程如下：

（3）步骤Ⅳ用步骤Ⅲ得到的副产品Na2CO3制备无水Na2SO（3水溶液中H2SO3、随pH 的分布如图7所示，Na2SO3的溶解度曲线如图8所示）。

图7 微粒随pH的分布图

②请补充完整由NaHSO3溶液制备无水Na2SO3的实验方案：______，用少量无水乙醇洗涤，干燥，密封包装。

【解题思路】根据图7 可知，要析出Na2SO3晶体必须控制pH 为10 左右，根据图8 可知要析出Na2SO3晶体，温度必须控制在34 ℃以上，且发现Na2SO3的溶解度随温度的升高而降低，所以在具体实验操作时，应先调节溶液的pH 值，然后控制温度蒸发结晶，增大Q，使Na2SO3的Q>Ksp。

图8 Na2SO3的溶解度曲线

答案：边搅拌边向NaHSO3溶液中滴加NaOH 溶液，测量溶液pH，pH约为10时，停止滴加NaOH溶液，加热浓缩溶液至有大量晶体析出，在稍高于34 ℃条件下趁热过滤。

例2：（2020 新课标Ⅰ）钒具有广泛用途。黏土钒矿中，钒以+3、+4、+5 价的化合物存在，还包括钾、镁的铝硅酸盐，以及SiO2、Fe3O4。采用以下工艺流程可由黏土钒矿制备NH4VO3。

图9 由黏土钒矿制备NH4VO3的工艺流程

（6）“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，其原因是___________。

【解题思路】根据题干提示“沉钒”中析出NH4VO3晶体时，需要加入过量NH4Cl，NH4Cl 是易溶于水的盐，NH4Cl 的加入会增大，从而增大NH4VO3的Q，实现Q>Ksp。

答案：利用同离子效应，促进NH4VO3尽可能析出完全。

设计意图：例1 中设问点涉及的核心问题是如何根据题干信息选择并控制结晶的条件与实验操作；例2 设问点涉及的核心问题是析出晶体进行操作的目的、原因和作用。这样的例题选择一是为了让学生熟悉结晶问题的问答点是围绕“怎么做？为什么要这么做？”；二是为了让学生在用模型时结合物质的性质抓住条件的变化与控制皆是为了改变Q或Ksp，从而实现Q>Ksp，导致晶体析出，实现高效的解题思维，提高备考效率。

四、教学反思

1.化学课程基本理念重视开展“素养为本”的教学，倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，重视教学内容的结构化设计，激发学生的学习兴趣，促进学生学习方式的转变，培养他们的创新精神和实践能力。［1］本文以复分解制备KNO3为真实情境，通过“任务驱动”将具体知识的学习嵌合于真实的情境中，促进教学中从知识解析的模式向学生认识发展的模式转变，实现学生对知识的自主建构，让课堂生态化、持续发展化。

2.“问题驱动”是以建构主义教学理论为基础，通过设置层层递进的问题，引导学生在问题解决中获得知识和方法，同时实现核心素养的培养，充分发挥学生的主体作用。设置有效的问题是发展思维的核心。本文通过问题链层层递进，启发学生进行合理的预测、探究、讨论、论证，帮助学生自主建构系统化、结构化、模型化的结晶知识体系，同时引导学生从“平衡观”学科大概念的新视角理解溶液中的结晶现象，促进学生对结晶问题认知的思维进阶。通过课堂实施，学生能深刻认知到结晶的本质是通过控制外界条件，使溶质的Q>Ksp，从而启动溶液中离子间被动发生复分解反应，形成结晶问题的“条件控制平衡观”。

3.运用模型思想，能使学生突破感官和时空的局限，充分发挥他们的想象、抽象和推理能力。运用模型思维方法，可以拓展学生的思维领域，从而提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。［9］本文基于学科大概念“平衡观”，建构了简单适切的结晶问题思维模型，通过复杂情境用模实践，发现学生能根据模型思想快速找到突破口，高效解决问题。这一事实说明，基于学科大概念Q与Ksp建构的结晶问题思维模型，能够促进学生的思维进阶，实现复杂情境中选择科学的结晶方法，实现分离提纯获得产品的基本需求，体现知识的实用价值，落实学科素养。