基于學生認知障礙的化學概念課教學

程俊

摘要：學生的認知障礙是影響化學概念教學效果的重要因素，教師提前分析和把握學生在概念學習中的認知障礙，將大大提高化學概念教學的效果。基于學生的認知障礙，教師應首先激發學生的認知沖突，而后遵循概念的建立、辨析、同化、運用四個步驟來進行教學設計。

關鍵詞：認知障礙；概念課；辨析；同化；運用

文章編號：1008-0546（2016）09-0017-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.007

在目前的概念教學課堂中，由于教師普遍對學生的認知障礙把握不準確、不完整，同時沒有很好地結合概念課教學的特征和規律，所以，教學效果不甚理想。

“難溶電解質的溶解平衡”具有化學平衡的基本特征、滿足化學平衡的基本規律，是化學平衡學習的延伸、拓展，是對平衡理論體系的豐富和完善。因此，“難溶電解質的溶解平衡”教學是選修四《化學反應原理》的典型課題，以此研究為契機，能發現很多概念課教學的共性問題，對學生進行概念理論的學習有更高層次的指導。

一、學生的認知障礙及分析

分析學生在高三一輪復習前后關于“難溶電解質溶解平衡”的掌握情況，發現主要存在如下六個層次的學習障礙。

1. 電解質投入水中的行為有哪些？先后順序是怎樣的？

比如BaCO3投入水中，是先有CO32-的水解，還是先有BaCO3的電離？因為先后順序不清，學生將BaCO3能溶解于酸的問題歸因于CO32-水解呈堿性，而不是BaCO3的沉淀溶解平衡移動。先后順序決定著物質變化的從屬關系、主次關系，只有弄清了主次關系，才能抓住主要矛盾。

2. 認為易溶電解質在水溶液中不存在沉淀溶解平衡。

比如膽礬晶體的析出、AlCl3·6H2O晶體的析出、侯氏制堿法中NaHCO3的析出，學生不能從沉淀溶解平衡的角度去理解。

3. 不理解難溶電解質的溶解平衡符號的意義，不能用規范的符號表征平衡，很容易將沉淀溶解平衡與電離平衡等問題相混淆。

4. 難以識別平衡體系

何處存在難溶電解質的溶解平衡？何時用難溶電解質的溶解平衡移動解決問題？

如2014屆廣州一模第32題，“常溫下向AlCl3溶液中不斷通入HCl氣體，可析出大量AlCl3·6H2O晶體，結合化學平衡移動原理解釋析出晶體的原因”。最典型的錯誤是：學生認為平衡體系是Al3+的水解，而不是 AlCl3·6H2O的沉淀溶解平衡。究其原因，是高二教學時，學生沒有弄清鹽類水解平衡、沉淀溶解平衡各自適用的范圍，這些平衡體系該如何區分。

5. 知道難溶不等于不溶，但在實際情境中不會應用。

如2011廣東高考第33題，對于單一的BaCO3飽和溶液（pH=9.6），學生知道其中含有Ba2+和CO32-，但是當其中混有Ba（OH）2溶液時，學生就不能綜合分析其成分和性質，忽視了上層清液也是BaCO3飽和溶液，對于pH>9.6很難理解。這是對于沉淀溶解平衡體系的兩相共存問題把握不準確。

6. 理解了物質的溶解度隨溫度降低而降低、蒸發能使物質結晶，但是當溶液中還有其它成分時，學生常常沒有綜合考慮的意識。

如提問“在2mLAgNO3溶液中加入2mLNaCl溶液，沉淀靜置后，如何證明溶液中還同時存在Ag+、Cl-？”學生會提出蒸發結晶、降溫結晶、或電解看能否生成Cl2，沒有考慮到，在Ag+、Cl-的濃度如此之小的情況下，溶液中大量存在的NaNO3、H2O等物質時可能會發生變化。學生沒有學會在復雜的情境中綜合考慮難溶電解質的溶解問題。

從上述分析中，我們發現這些障礙都應該是在高二新課教學中就已經形成，今后在高三復習中怎么彌補似乎都難以達到很好的效果。因此，要在高二新課教學時就注意幫學生建立科學的概念和完整的理論體系，否則學生思維的混亂和心理上的懼怕將會一直延續下去。

二、基于學生認知障礙的化學概念教學

基于學生認知障礙的概念教學相對于普通概念教學的優勢在于，它直指學生可能會出現的問題，設計能激發認知沖突的問題情境，揭示概念的內涵與外延，使學生在一開始就意識到本概念在整個理論體系中的地位和聯系、將障礙消除在源頭，達到深刻理解概念、靈活運用概念的目的。

基于上述對學生學習障礙點的分析，我們以“難溶電解質的溶解平衡”教學為例，在實踐中探索概念教學的四個策略。

1. 重視概念的形成：首先，找到我們已學的上位概念

難溶電解質溶解平衡的上位概念有溶解度、化學平衡、電解質、離子反應等。深刻理解這些上位概念與難溶電解質溶解平衡概念之間的關系，可以有利于概念的建立與同化。然后從學生熟知的生活事實和實驗中提供感性材料，引導他們抽象出相應的化學概念，才能使學生較好地掌握概念的實質。

【環節1】回顧舊知

（1） 將NaCl固體投入蒸餾水中充分溶解至有固體剩余，體系中存在的微粒有哪些？

（2）在這個體系中通入HCl氣體，會有什么現象？

歸納：易溶電解質在水中存在沉淀溶解平衡。

【環節2】實驗激疑

【教師】 向0.1mol/L的MgCl2溶液中滴加0.02mol/L的NaOH溶液，請預測實驗現象。

【學生】會產生白色沉淀。

【教師】演示實驗。

【學生】好奇怪！先無沉淀后產生沉淀。

【教師】提問：為什么會這樣？ ①出現沉淀前，溶液（試管Ⅰ）中有OH-嗎？

【學生】有OH-，因為沒有反應。

【教師】Mg2+與OH-能共存嗎？

【學生】應該可以少量共存。

【教師】必修中學離子反應時，講到Mg2+與OH-能共存嗎？

【學生】對了，必修中一直強調能發生離子反應的離子不能大量共存。那就是說能不能發應還跟量有關。

【教師】②出現沉淀后，在完全反應前，溶液（試管Ⅱ）中存在OH-嗎？

【學生】都消耗了，不存在了。

【教師】我們可以想辦法證明OH-是否存在嗎？

【學生】用酚酞指示劑。

【教師】演示實驗：在試管Ⅰ和試管Ⅱ的溶液中分別滴加一滴酚酞。

【學生】 發現溶液都變紅。說明溶液中一直存在OH-，即使產生了Mg（OH）2沉淀。

【教師】那么，這就說明，即使我們認為的相對完全的反應，轉化率也不是100%。這個試管里就是一個Mg2+、OH-與Mg（OH）2共存的體系，一個平衡體系。下面，我們可以將生成沉淀的反應轉化為Mg（OH）2固體溶解的反應。

【環節3】類比遷移、建立概念

【教師】從物質的分類角度看，Mg（OH）2屬于哪一類物質？含有哪些微粒？[1]

【學生】Mg（OH）2屬于堿，含有Mg2+與OH-。

【教師】將Mg（OH）2固體投入蒸餾水中充分溶解至有固體剩余，Mg（OH）2會發生什么變化？體系中存在的微粒有哪些？怎樣用實驗證明？

【學生】Mg（OH）2會電離出Mg2+與OH-，溶液中存在的微粒有：Mg（OH）2、Mg2+、OH-、H2O、H+ （極少量），用酚酞試劑證明OH-的存在。

【教師】演示實驗：在Mg（OH）2懸濁液中滴加一滴酚酞。

【學生】發現溶液變紅，證明OH-確實存在。

【教師】我們只在水中加入了Mg（OH）2固體，有OH-就有Mg2+，那么，這就是一個Mg2+、OH-與Mg（OH）2共存的體系，一個平衡體系。（介紹平衡的建立過程。）

2. 注意概念的辨析

有些概念是成對出現的，兩個概念同屬于一個種概念且呈矛盾狀態（如強弱電解質，氧化劑還原劑等）；有些概念是由某一概念通過逐步推廣引申而得到的（如化學平衡與溶液中的各種平衡，化學反應與能量和電化學等）；有些概念是理論相近但適用于不同體系的（如弱電解質的電離平衡、水解平衡與難溶電解質的溶解平衡）等等。特別是鹽類的水解平衡與難溶電解質溶解平衡體系，很多學生容易混淆，在今后的應用中感覺十分困難。

注意對相近、對立、衍生概念之間的比較，特別是通過反例來糾正學生在理解概念中的錯誤，有利于學生準確理解概念。[2]

【環節3】下列幾個體系，請問哪些體系中存在沉淀溶解平衡？（提供體系圖片）

醋酸溶液、硫酸銅溶液、已經析出晶體的硫酸銅溶液、氯化鐵溶液、Mg（OH）2溶液、Mg（OH）2懸濁液

難點剖析：對于已經析出晶體的硫酸銅溶液體系，存在兩種平衡，即Cu2+的水解平衡、CuSO4·5H2O的沉淀溶解平衡。當要解決Cu2+向Cu（OH）2的轉化時，用水解平衡；當要解決CuSO4·5H2O晶體的析出或溶解時用沉淀溶解平衡。沉淀溶解平衡一定是兩相之間的轉化。

歸納：沉淀溶解平衡存在于懸濁液中，無論是易溶物還是難溶物。

3.落實概念的同化

所謂概念同化，是指學生利用認知結構中原有的有關概念來同化新概念，從而獲得科學概念的過程。在舊的知識體系中學習新概念，可深化對所學概念的認識，有利于將新學概念同化到原有的知識體系中。例如對難溶電解質的溶解平衡，它和之前所學的弱電解質的電離平衡、鹽類水解平衡一樣，具有化學平衡的一般屬性，即具有“等、定、動、變”的特性，也有一個平衡常數。只是它適用的體系不同，繼續豐富了平衡理論。因此，學習的方法可以遷移。

【環節4】沉淀溶解平衡的影響因素（沉淀溶解平衡也可以移動）

思考與交流：提供一瓶Mg（OH）2懸濁液，請問有哪些措施可以影響Mg （OH）2的沉淀溶解平衡體系，請提出合理的方案。

匯報提綱：對Mg（OH）2懸濁液的措施；平衡移動方向；促進固體溶解還是促進固體析出；對微粒濃度的影響（c（Mg2+） c（OH-） ）。

學生最容易提出的措施是：放入熱水浴、放入冰水浴、滴加蒸餾水、加Mg（OH）2固體、滴加濃MgCl2溶液、滴加濃NaOH溶液、滴加濃鹽酸；滴加FeCl3溶液或其它鹽。

問題解決1：

【學生1】向Mg（OH）2懸濁液中滴加蒸餾水，平衡向左移動，c（Mg2+）、c（OH-）都減小。

【學生2】不一定啊！

【教師】怎么不一定？

【學生2】如果滴加蒸餾水后溶液中的固體全部溶解了，那么溶液變得更稀，c（Mg2+）、c（OH-）都減小。如果滴加蒸餾水后溶液中的固體還有剩余，但平衡向右移動，c（Mg2+）、c（OH-）都增大。

【學生3】不可能都增大，始終加了水啊！

【教師】那c（Mg2+）、c（OH-）到底變不變？怎樣變？有沒有什么標準？

【學生4】對了，只要固體還有剩余，始終是平衡體系，是同溫度下的飽和溶液，所以c（Mg2+）、c（OH-）應該都保持不變。

【教師】很好，大家考慮問題很有深度。

問題解決2：

【學生】滴加FeCl3溶液，Fe3+也能結合溶液中少量OH-嗎？平衡能移動嗎？

【教師】演示實驗：在Mg（OH）2懸濁液中滴加幾滴FeCl3溶液，振蕩后靜置。

【學生1】發現產生了紅褐色沉淀，上層清液無色，下層的白色沉淀減少。

【學生2】說明Fe3+消耗了，與OH-結合產生了Fe（OH）3沉淀。

【學生3】使Mg（OH）2的沉淀溶解平衡向右移動，使Mg（OH）2沉淀減少。c（OH-）減小，c（Mg2+）增大。

【學生4】 為什么Fe3+能奪取與Mg2+結合的OH-？那反過來在Fe（OH）3懸濁液中滴加MgCl2溶液，也能將紅褐色沉淀轉化為Mg（OH）2白色沉淀嗎？

【教師】這是一個好問題，我們不妨用平衡常數來解決。

【環節5】沉淀溶解平衡常數（沉淀溶解平衡也有平衡常數）

深度思考：

（1）請寫出AgI、Fe（OH）3、Ag2SO4的沉淀溶解平衡方程式和溶度積表達式。（落實符號的書寫規范與理解）

（2）請查閱書本上的難溶電解質Ksp數據，思考并回答下列問題：

在25℃時，在0.1mol/LAgNO3溶液中加入氯化鈉固體，c（Cl-）= 時，開始產生沉淀。

若c（Cl-）≠1.8×10-9mol/L呢？（歸納Qc與Ksp的關系所反應的溶液狀態。）

【教師】為何之前的實驗，向0.1mol/L的MgCl2溶液中滴加0.02mol/L的NaOH溶液，在試管Ⅰ中沒沉淀，而試管Ⅱ中有沉淀？

【學生】因為試管Ⅰ中c（OH-）太小，Qc：Mg（OH）2Ksp：Mg（OH）2，所以，溶液產生沉淀。

【教師】那么現在試管Ⅱ中，Qc與Ksp是什么關系？

【學生】Qc：Mg（OH）2=Ksp：Mg（OH）2，因為現在是飽和溶液、處于動態平衡狀態。

【教師】 所以我們在必修中講的Mg2+和OH-可以少量共存，不能大量共存，原因在這里。

在25℃時，在0.1mol/LAgNO3溶液中加入碘化鉀固體，當c（I-）= 時，開始產生沉淀。

④比較上述①③的數據，我們能得出什么結論？Ksp數據能給我們哪些信息？（比較物質的溶解性、沉淀順序）

⑤在兩支0.01mol/L的NaOH溶液中，分別同時逐滴滴入MgCl2溶液和FeCl3溶液，先產生的沉淀是什么？（映證Fe3+能使Mg（OH）2沉淀發生轉化。）

4、 加強概念的運用

在教學中，應加強概念的應用，圍繞著一個概念要配備多種問題情境，讓學生從多角度，多層次上去進行運用。先鞏固性運用，后綜合性運用，在運用中達到切實掌握化學概念的目的。

【環節6】綜合運用問題示例

難溶電解質在水中溶解度雖小，但若平衡發生移動，也會在生產、科研、環保等領域有重要的應用。可以提供很多例子給學生解釋、分析。如：請用平衡移動的原理解釋：為何Mg（OH）2能溶于NH4Cl溶液？如何除去鍋垢？牙齒表面由一層硬的、組成為Ca5（PO4）3OH的物質保護著，哪些生活習慣會導致牙齒的腐蝕？如何保護牙齒？

在落實概念的運用時，需要不斷強化思維的有序性，即：找到已存在的平衡體系→分析外界施加的影響因素→外界因素對平衡體系的直接影響→平衡移動的方向→造成的結果。

三、課后反思與專家評價

1. 創新之處

（1）從學生學后的認知障礙出發，先研究學生將會出現的學習困難，再有針對性地設計課堂，有效降低了學習的難度，提高了課堂的有效性。

（2）以概念課的教學理論與策略來指導本節教學的設計，契合度很高，對障礙的化解有很強的指導意義。

（3）借助實驗制造的認知沖突貫穿整節課，實現了從去問題到激發認知沖突的轉變，在認知沖突中幫助學生完善認知結構。

（4）關于溶度積Ksp的計算，教學目的不僅是為了計算，更幫助學生從定量的角度深入理解沉淀生成和轉化的條件。

（5）關于Fe3+能使Mg（OH）2沉淀發生轉化，先用實驗證明，再用平衡理論解釋，進而用符號表征，最后再通過計算佐證，很有深度。實現了學生從定性→定量、從宏觀現象→微觀解釋→符號表征的概念原理認識思路。

2. 待改進之處

（1）關于“難以識別平衡體系”的障礙，學生在課后仍然存在，值得繼續想辦法化解。

（2） 應該盡量創造條件讓學生實驗代替教師演示，給學生的印象更加深刻。

參考文獻

[1] 黨玉杰.新課程標準下高中數學概念的教學探究[J]. 課程教育研究，2013，（01）：97-98