基于科學事實整理的電解質概念教學

王新文

摘 要：基于中學化學抽象概念提出的特點和化學三重表征思維的培養要求，針對國內三大化學期刊近年所載文章對電解質概念教學的建議和學生對電解質的相異構想，以如何選擇和組織實驗才能有效形成對電解質概念的意義建構為目標，立足科學事實整理的三層含義，即先將具體實驗整理為宏微符模塊化、再以分立的三維結構化的事實為據從宏微符三維度進行綜合思維與推理、并適時提煉整理表達形成知識，展示了電解質概念教學的關鍵，最后對這種教學的功能提出了自己的看法。

關鍵詞：化學思維特質；科學事實整理；電解質；概念教學

約翰·D·布蘭思福特等在《人是如何學習的》指出：“對于某些領域的專業知識的研究表明專家思考和解決問題的能力主要依賴于有關學科領域的大量知識。但是，這些研究也清晰地表明‘有用的知識不同于一連串無聯系的事實。專家的知識是圍繞重要概念而聯系和組織起來的。”[1]8那么，有用的化學知識有何性質，要形成重要概念本身的“有用的知識”，該組織哪些及如何組織有關科學事實呢。

一、化學學科的思維特質和抽象概念提出的特點

化學的思維特質可從化學研究的視角、化學研究的基本問題、化學的學科價值等方面進行分析，化學是在原子、分子水平上研究物質組成、結構及其變化；化學以物質及物質的變化為兩個基本問題；化學以探究物質構成和表征及物質轉化的規律（原理）和表征為基本任務；以認識分子并創造分子，進而解決人類社會發展過程中面臨的諸如材料及可持續發展等問題為核心價值。故，化學知識的建構通常是以“宏觀切入—微觀分析—符號表達”（微觀預測—宏觀驗證—符號表達）為基本方式，以建立“宏觀—微觀—符號”外顯的化學知識表征方式以及“宏觀—微觀—符號”三重表征內隱的思維方式為目的的。畢華林（2005）指出：“三重表征思維是體現化學學科特征的思維方式。”[2]錢楊義（2009）首次提出“曲線表征”的定量分析方法，并構建了化學“四重表征”教學模式?！扒€表征”要求學習者能將曲線的特殊點和線的變化趨勢及線段與實驗現象、微粒變化和反應方程式建立聯結。[3]電解質的導電曲線定量地反映了溶液中離子數量的變化，能夠有效促進宏微符間的關聯，但并非電解質概念教學無法脫離導電率曲線，魯科版教材就以導電性實驗示范了電解質概念的建立，畢竟手持實驗尚不普及。張怡納研究指出：“維度的增加對宏觀表征和微觀表征間、微觀表征和符號表征間、宏觀表征和符號表征間的轉換而言，影響是不同的。其中，維度增加對宏觀表征和微觀表征間的轉換是顯促進作用的；對微觀表征和符號表征間及宏觀表征和符號表征間的轉換的作用并不明顯?！盵4]故“三重表征”仍是化學思維特質的核心。電解質概念的深度理解應體現為宏微符三個維度間的轉化能力。

可見，在高中階段而言，有用的化學知識主要是應能促進三重表征發展的知識。如比較NaHCO3溶液中離子濃度的大小，有用的知識就表現為“看到了”NaHCO3溶液中的粒子及粒子發生的變化，“想到了”粒子的變化程度，“能寫出”物料、電荷及質子守恒表達式。這種結構化的三重表征能力正是從電解質等概念中逐步提取出來的，若拋開其三重表征內涵的“嚙合力”，則這些概念就成了一堆不相關的知識碎片。所以，電解質概念教學當以三重表征的思維意識、能力及表征能力的確立為目標。

吳星指出，中學化學課程中所涉及的化學理論和原理，都是建立在對大量實驗事實進行比較分析、歸納概括的基礎上的，是根據大量的實驗事實進行邏輯推理形成科學結論的。[5]電解質正是基于“大量”實驗事實的概念，像魯科版教材中就提供了氯化鈉固體、液體、溶液的導電實驗，是否還需要增減必要的實驗，又如何組織這些實驗才能消除學生的前概念、相異構想而構筑起科學理解呢？

二、基于科學事實整理是電解質概念教學的關鍵

（一）學生在電解質概念學習中的問題與歸因及教學改進

盧姍姍[6]等（2013）在文獻綜述中細述了國內外對學生理解電解質概念的研究結果，“學生普遍認為電流使電解質分解，從而形成陰離子和陽離子，大部分學生不能將溶液的導電性和自由移動的離子建立起聯系、機械地認為能導電的物質就是電解質”等是學生暴露出來的典型錯誤。盧姍姍等以改進教師的教學提供建議為目的，經調查研究后指出，學生電解質相異構想表現出“基于生活經驗”、“認識角度單一”、“推理不嚴密”、“綜合能力差”等類型。并指出電解質概念相異構想的主要來源有不恰當的類比和教師不恰當的教學。此研究雖未僅僅針對電解質，還有強弱電解質、電離平衡及水解等，但它們都是電解質隨不同學段的主題學習而豐富和發展起來的概念，其研究結果頗具借鑒價值。如基于生活經驗產生的相異構想說明教學未消除學生的前理解，推理不嚴密產生的相異構想說明教學未抓住邏輯等，教師可基于此進行研究和實踐。陸余平等指出，電解質教學問題的原因在于課本概念未能完全揭示電解質概念的本質、及通過導電實驗引入電解質概念也值得斟酌等，并指出應通過離子的微觀表征來強化電解質的本質特征、及電解質概念應突出電離的本質，而非通過導電來闡述。[7]作者對電解質概念的界定提出了異議。溶液導電是宏觀現象，需要其中的離子濃度較大，“導電性”揭示的是溶液有無導電能力的屬性，可以說只要溶液中有離子就具備了這種屬性，因為總可以通過調整電壓或離子濃度使燈泡發光，“導電”不過是對“導電性”的“婉述”。課本以導電來界定電解質而不用電離，既避免了概念中套概念的抽象，也因其“場景”感而便于學生感知，還能促使教師加強三重表征教學。高曉偉[8]等（2015）立足電解質概念發展歷史，采取依據史實和運用現代技術實驗不斷修正理解取得了電解質概念教學的較好效果，表現為能夠讓學生內心對“電解質水溶液中有自動解離為離子”產生認同。教學設計重視基于實驗的嚴謹推理，沒有對課本中電解質概念的表述提出異議。

盧姍姍等文中所歸納的學生錯誤情形不僅是過去的也是現在的，甚至還會是將來的。何以至此，乃因錯誤的本源實為三重表征思維能力不足，具體為如何用化學思維指導實驗設計、實驗組織及實驗整理尚無研究案例，而畢華林早就指出三重表征意識和能力需要教師的引導才能形成。

（二）有效事實整理需要精心的實驗組織

新學習科學強調理解性學習[1]8，盡管目前理解心理[1]3尚是一個謎，但理解與否可通過對形成理解的過程的評價而判定。對電解質等抽象化學概念而言，理解的過程就是一個推理過程，表現為能從溶液“導電”的具象經過思維和推理最終和“電離（或自由移動離子及表征）”形成果因認知。這就得針對學生可能含糊的、不完全的、甚至錯誤的前理解，基于學生具備的推理、分析等理解的方式和能力預設相應的豐富的實驗，引導學生采取整理科學事實（課本實驗事實的本質是科學事實）的科學方法，運用化學思維推理得出概念。所以，電解質概念產生過程的教學組織可表示為圖1（實線框部分）。

從“選擇”事實到結果表達或相反過程，就是過程與方法][情景創設][呈現事實][推理論證][結果表達][提供“科學事實”：設計能反映常見酸堿鹽在水溶液中存在形式的實驗][整理“科學事實”：基于事實獲取結論，矯正前概念并建立原理性認識][建立“概念”和“符號系統”：形成對電解質概念的三重表征和三重表征思維][根據事實或信息，基于三重表征思維提取三重表征結果，包括根據表征信息預測可能出現的事實

（此時推理論證的方式因個性化而隱性且趨于多元）

反思深化

而建立（或理解）電解質概念還需要“反思深化”環節（圖1中虛線框所示），反思表現為據事實（或信息）得出符號表征或對實驗的預測、解釋、控制等多種形式。概念建立與否可通過“顯現”學生的推理過程，反饋評價他們對概念三重表征思維能力來實現。

學生能否基于事實的整理而理解電解質概念，需學生主動參與到支持理解的精心組織的實驗中。

1.以探究性引領學生主動思維

“電解質”上承分散系下啟離子反應，溶液和膠體中的溶質都看不見，借“丁達爾效應”看到了它們的“尺寸”差異。那么若以蔗糖和氯化鈉溶液溶質的存在有何不同、又如何表征為主題，既開啟了離子反應符號表征思維的起點，又能讓學生明確引入導電實驗的本意，關鍵是能夠激發學生帶著初中所學參與到課堂。初三化學對物質在水溶液中有的以分子存在有的以離子存在已有介紹，初中物理已學電路初步知識，小燈泡發光表明了此電路閉合，小燈泡不亮的可能原因學生也可分析得出。把電解質概念滲透到情境之中，借助情境和知識間的靈活關聯為學生提供一種靈活的知識理解方式?？傊瑢W生只要理解了電流形成的微觀本質，就可將兩個學科融合起來主動思考，沒有學生的主動思維過程，就無法反饋學生是否有了三重表征意識與能力。

2.從不同成分（宏微符）將科學事實組合成模塊是科學事實整理的關鍵

電解質概念的語義中隱含電離、化合物、導電等諸多要素，又有像氯化鈉固體、液體、溶液的導電等實驗的現象與微觀，還有與用語表征的交錯等。借用SOLO分類評價理論，學生單點結構、多點結構水平的形成正是由于不能把諸多線索、關系整合而致，契合了“因綜合能力差”而導致相異構想的事實，比如認為導電的就是電解質、不能透過符號看到微觀預測宏觀等。為此可以圖2引導學生以微觀作為宏觀符號化的樞紐，將任何客觀事實從不同成分（宏微符）組合成模塊，這樣一個事實就構成一個宏微符結構化的單元。此圖表明從化學視角看待任一事實應包括三個維度，既有助于學生習得三重表征思維，也可助教師析得教學關鍵，如“導電”對應的微觀本質學生尚不曾學習，教學就須修齊補足。把眾多事實一一剖析至三維的過程有助于學生自我診斷宏微符轉換中“哪個環節出了問題”，當這些事實以三維結構化呈現后就構成了分立的思維單位，不同事實間的關系就應通過三個維度系統分析。還便于從微觀、符號軸看出相關具象間的邏輯關系，防止學生在關系間胡亂關聯。對教師而言則提供了根據學生思維特點設計推理線索優化實驗組織的抓手，如設計實驗、安排順序就需以此圖能給學生的思維線索為依據，以實驗的連貫性保證思維推理的順暢，以便于能把化學視野中有價值、有規律的發現適時地提煉出來，給以微觀的及符號（必要）的解釋及表征（必要），并形成知識。事實模塊化的整理技能可幫助學生運用化學思維有效使用事實信息進行推理或獲取規律性認知等。當然這對“新手”來說是比較陌生，但多次引導必然增強他們對有意義信息的敏感度，進而促使學生質性思維達到抽象拓展結構水平。

將水和離子簡化為Na+、Cl-][CaCO3][NaCl][宏觀][NaCl晶體

“溶”于水][CaCO3粉末

“溶”于水][分子][分子][NaCl晶體“溶”

于色拉油][微觀][解離][圖2 ]

（三）科學概念源于科學事實的有效整理

從圖1知，電解質概念形成的關鍵在于基于眾多事實的推理過程，教學只要幫助學生厘清所依之“理”，所推之“理”必順勢而生，所教之“識”便依之而得。首先，所依的“理”就是溶液導電的本質，學生知道物質可按導電性分為導體、半導體和絕緣體，但對金屬導電原理是不知的，更遑論溶液導電實質了，故先要設計（選擇）將“理”寄于其中的實驗促使學生理解，其次，要謹慎設計或選擇能把實施推理所要依仗的“邏輯”隱含其中的實驗（實驗組合），并要引導學生適時提煉整理獲取結論。圖3～圖5就是基于這種教學理解對電解質概念教學的關鍵節點的實驗處理。

大家目前接觸到的很多反應都是在水溶液中發生的，像NaCl和AgNO3固體間接觸幾乎不發生反應，但在水溶液中非常快。物質在水溶液中除了“大小”差別，到底還發生了些什么變化？比如它們是如何存在的呢？][觀察并記錄將碳酸鈣粉末、氯化鈉晶體和蔗糖晶體“溶”于適量水后的現象。

記錄：碳酸鈣粉末形成了濁液

氯化鈉和蔗糖形成了溶液][前理解][你能根據記錄現象，結合你已有的知識，推測出三種分散系中分散質的存在形式嗎？

認識：濁液中碳酸鈣是以分子形式存在的

NaCl在水中解離成了Na+和Cl-

蔗糖在水中無法準確推斷][修齊補足前理解][說說你對“解離”的理解，可以是場景描寫，也可以是微觀想象，只要能表達出你的理解即可。

追問：如何證實氯化鈉在水中解離了？

蔗糖在水中是否解離了？如何判定？][學科融合][微觀存在要“放大”為宏觀現象，大家能否從下面的資料卡片中獲得靈感呢？

資料卡片：電流是帶電微粒定向移動形成的，電流的方向和帶正電的微粒的移動方向相同，和帶負電的微粒的移動方向相反。][見著知微][（較濃）氯化鈉溶液能導電，表明氯化鈉溶液接通了電路，而且電路中電流較大

（較濃）蔗糖溶液不能導電，表明蔗糖溶液沒有接通電路（前理解），也可能電流較小][形成初步認知]

在對電解質溶液導電本質建立的微觀“景象”基礎上，依學生對電路的初步認知，需要借助“燈泡不亮”實驗引導學生通過科學假設與嚴謹論證獲得科學結論。

實驗發現：

極稀的氯化鈉溶液不導電

（向200mL蒸餾水中投入幾粒氯化鈉）][ 電學知識（物理）][猜想][“斷”路，無電流

電流過小，達不到小燈泡額定電流][采取措施][將小燈泡換做靈敏電流表][發現][有電流][思考][改變條件能使氯化鈉溶液導電（使小燈泡發光）嗎，如果可以，提出可行的簡易辦法。][思考][根據“電流是帶電微粒（電子、離子等）定向移動形成的”，請你對較濃氯化鈉溶液能導電（極稀氯化鈉溶液不能導電）提出微觀解釋。][認知][離子濃度太?。ú粶蚀_的認知）][微觀解釋（初步）][實驗發現：

氯化鈉固體不導電][電學知識（物理）][猜想][電阻過大，電流過小 適當增大電壓，將小燈泡改為電流表][“斷”路，電路不通 將小燈泡改為靈敏電流表][“斷”路所致。即氯化鈉固體不導電。][事實整理][對比、分析、歸納][氯化鈉溶液導電的本質：

1.有自由移動的離子（固體NaCl中有離子，但不能自由移動，故“斷”路不導電）。

2.自由移動的離子濃度影響電流大小，電流太小則燈泡不亮。導電的“潛質”存在，可以增大濃度使其導電。]

圖4

在理解“導電性”本質基礎上，引導學生對蔗糖溶液不導電提出嚴謹的推理“追問”。為聚焦學習難點并突破，圖5就是立足科學事實整理基于推理論證教學一定需要學生進行嚴謹思維推理的設計。圖6是基于科學事實整理的階段性結論。

剛才（較濃）蔗糖溶液不導電，是其一定不具備導電“潛質（沒產生自由移動的離子）”嗎？][遷移][將小燈泡換做靈敏電流表][發現][有微弱電流][遷移][適量增加蔗糖，增大蔗糖溶液的濃度，發現小燈泡還是不亮。][猜想][微弱電流來自于水產生的自由移動的離子。][實證][將蔗糖溶液換做蒸餾水，記錄并對比指針偏轉的角度。][蔗糖在水溶液中沒有產生自由移動的離子的潛質，應該是以分子形式存在的。

水能產生極少的自由移動的離子。][解釋解答]

實驗整理至此，水溶液中溶質常見的存在形態已經明晰，從NaCl與AgNO3的反應可看出溶液中以離子存在的物質間的反應往往很快，故“電離”作為事實整理的階段性成果提出來符合學習需要。

有些物質在水溶液中是以離子形式存在的，如NaCl。

有些物質在水溶液中是以分子形式存在的，如蔗糖。][認知小結][把在水溶液中（或熔融態）解離成自由移動的離子的過程，稱之為“電離”。][1.以NaCl為例，建立電離的微觀模型認知，形象理解水分子的作用（扯斷束縛力）。能破壞此束縛力的不僅僅是物質（水），也可能是能量（溫度）。

2.在對電離建立的從始狀態到末狀態的過程性理解基礎上，用符號簡明表征（明確符號意義，如NaCl表示物質）。

3.導電性實驗是電離與否的實驗驗證法之一，形象地說，電是物質是否“解離”的證明，故稱之為“電離”。比“解離”更科學地描述了從物質到離子的整個過程。]

“NaCl由Na+、Cl-構成”和“NaCl=Na++Cl-”中Na+看似無異，實有“自由”與否的意蘊之別。不從微觀賦予符號的內涵將化學概念（或知識）模塊化，學生必陷入關系的混沌之中。為突出“NaCl=Na++Cl-”發生的條件，為讓“條件”意識成為變化觀念中的基本意識得以率先確立，從淀粉可以從濁液變為膠體已表明改變條件就能打破分散系間的界限，此處鑒于學生對物質結構和電離之間關系尚屬“空白”，需借助必要的足夠數量的深度研究案例讓學生掌握特定的概念。

觀察氯化鈉晶體投入色拉油的現象。并思考氯化鈉在其中的存在形式。][氯化鈉應以分子形式存在，并未發生電離。][“電離”是講求物質間匹配的，或者說是有條件的。水是中學化學常用的分散劑，故以水界定有積極的意義。][熔融的氯化鈉能夠導電的事實（學生能分析其導電的微觀實質，并進行符號表征）。]

圖7中的“匹配”也可這樣看：“在特定的溶劑水中某物質是否電離，是由物質自身（結構）決定的”?！斑@是什么樣的物質”、“如何認識”、“有何種結構”等都是學習“電解質”需要解答的問題，經本結構性探究可知，可把像NaCl這樣在水溶液中發生電離的這類物質稱為電解質，而整個認知氯化鈉是電解質的實驗和NaCl電離模型都成為理解此概念的正例，自然也就有了對電解質的其他科學合理的見解，如課本概念的表述。像蔗糖則形成了電解質的反例，反例深化了對正例特征的理解與把握。必修教材結合常見的酸堿鹽對電解質給了初步認識指導，進而擴充了對化合物分類認知的視角，體現了高中化學從宏觀到微觀再到理論學習的特點。至于其和結構的關系則被作為更進一步的要求，鑲嵌到了后續主題學習中。如果依圖8對實驗進行深度的整理，則才更能體現出實驗設計的匠心。

極稀的氯化鈉水溶液不能使小燈泡發光，那么氯化鈉屬于電解質嗎，為什么？][小結：][小燈泡發光][需具備][足夠大的電流

和

閉合回路 ][需滿足][較大電壓

或

較大離子濃度][導電][衡量標準][小燈泡發光

或

電流計偏轉][只要是][閉合回路][微觀][對溶液，只要有離子，濃度可調節][調整變量，控制現象

本質一致：導電性][化學思維][宏觀：小燈泡發光，一定能導電

微觀：能電離，則一定能導電

符號：有自由移動的Na+和Cl-

] [用小燈泡，切合已有物理知識，現象明顯，便于直觀表明溶液中溶質的存在形式

如用電流計，因溶劑水具有導電性，易致思維混亂，也不利于從宏觀到微觀逐層深入

][為何用小燈泡是否發光衡量蔗糖溶液和氯化鈉溶液是否導電，而不用電流計呢？][小結：資料：升高溫度就能增 大水的電離程度][佐證

信息][水能導電（電流計指針發生偏轉）][因為][水能電離出H+和OH- ][證明][電解水實驗表明構成了閉合回路][對比認知][學生熟悉]

至此，通過圖9學生自然能夠推理得知電解質概念中“導電”的含義是指向其微觀本質的。

導電（燈泡發光）][定性：要能導電][定量：離子濃度較大][實驗調控][揭示了導電的本質]

不過教學此時若戛然而止則略顯單薄，若以圖10與研究主題呼應并促使學生從應用中提取對概念特征的穩定理解，并能有效地將陳述性知識轉化為策略性知識。

[1.（出示澄清石灰水和石灰乳試劑的圖片）請學生據圖寫出溶質在其中的存在形式。

意圖：照應探究主題，鋪墊離子反應

2.設計簡單實驗證明HCl氣體、H2SO4是電解質。

意圖：防止學生根據物質狀態對電解質產生相異構想；考察學生對導電實驗的意義理解。

3.經檢驗某溶液中含有Na+、K+、Cl-、SO42-四種主要的大量離子，則其溶質可能是什么？

意圖：通過逆向思維深度理解電離（物質到離子的確定性和離子到物質的不確定性）；

監測學生宏微符有效轉換能力。

變式：某溶液中含有Na+、K+、Cl-、SO42-四種主要離子的物質的量分別是1mol、2mol、1mol和1mol，則其溶質可能是什么？

意圖：引導學生關注電離的定量關系，“量”是思維推理的重要工具。

4.演示Na2CO3粉末和NaHCO3粉末與稀鹽酸反應的對比實驗（變量相同），推測二者在水溶液中的電離，并用符號表征。

意圖：實驗是認知物質的客觀態度。

變式：NaHSO4溶液和鹽酸與Na2CO3粉末反應的對比實驗（變量相同），推測NaHSO4在水溶液中的電離，并用符號表征。

]

三、對基于科學事實整理教學的功能認識

科學事實整理是促成學生對化學特點認識與理解的科學方法，其本質是學科思維及邏輯能力培養。教師用書[9]列出分析、類比、演繹等多種整理手段，不可將其簡單視作認識廖若星辰的物質與反應不可或缺的方法，要能將其視作促使化學思維形成的方法。這些方法用在不同學科便有不同的“烙印”，即體現著各自學科的思維方式?；瘜W學科“怎么整理”具體實驗事實的整理示范重在從宏經微至符的三重表征思維方式的教授，微觀思維和符號思維作為高度抽象的思維形式，確實需要引導學生以有序化模塊化方式落實宏微符三重表征思維能力。對組合實驗的綜合整理重在發展以宏微符為單元的事實間的邏輯推理能力，任何兩個實驗具象差異隱含著宏微符三個維度的比對整理，教學旨在能使學生根據宏觀的或微觀的或符號的任一維度的信息有效推至其余維度。如Na2CO3溶液中“遇”稀鹽酸的實質是Na+、CO32-、H+、Cl-相遇，從它們生成CO2的具象推得實乃CO32-、H+反應了。NaHCO3和稀鹽酸比Na2CO3和稀鹽酸產生CO2快，可推知NaHCO3=Na++HCO3-，具象差異揭示了HCO3-、CO32-與H+微粒間反應的快慢。有了這些認識就能初步鑒別或探究NH4HCO3和（NH4）2CO3的性質差異，有了這些認識理解并書寫“離子反應方程式”也是順水推舟。

整理實為推理，學會的難易在于教法，好的事實整理教學需要教師不斷發展像專家那樣圍繞主題選擇事實并科學組織事實的能力。實驗設計與組合是教師對學生現有思維能力和要達到思維能力的分解落實，如果某實驗應有的預期學生達不到，就要增加一個過渡實驗以提供宏微符單元間的銜接等?？傊?，實驗設計與運用反映的是教師的知識，即教師對教材基于學情的理解與建構，自然是也成為成就教師教學個性化的途徑。

基于科學事實整理教授電解質概念，是對元素化合物中很多抽象概念教學方法的實踐探索，因為“實驗、思維推理、總結表達”是它們生成的共性。[□][◢]

參考文獻：

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[3]林建芬，盛曉晴，錢楊義.化學“四重表征”的理論建構與實踐研究[J].化學教育，2015（07）：1.

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