知識與思維相融合 能力與素養共發展

解慕宗 申燕 范曉鳳 劉文婷

摘要： 課堂是落實化學核心素養的主陣地，知識是提升學生思維水平、培養學生關鍵能力的重要載體。以“Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行為”教學為案例，呈現16個簡約而高品質的問題，分析各個教學活動的設計意圖，力求實現知識、思維、能力、素養“四位一體化”建構。指出教學中應建構知識，讓能力自然生長;應內化知識，讓思維流光溢彩;應超越知識，讓素養潤澤學生。

關鍵詞： 能力與素養; Na2CO3和NaHCO3; 教學設計

文章編號： 1005-6629（2019）8-0062-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

1 ?引言

Na2CO3和NaHCO3是兩種應用廣泛的鈉鹽，該部分知識有著豐富的素養內涵和育人價值。通過對Na2CO3和NaHCO3的學習，學生能深入理解水溶液中的離子反應，建構正鹽和酸式鹽的轉化模型，發展“微粒觀”、“元素觀”、“轉化觀”等化學基本觀念。傳統的復習方式將重心落在“Na2CO3和NaHCO3的性質”，授課過程中伴隨著大量的知識點羅列或化學方程式記憶。然而當對Na2CO3和NaHCO3的考查以陌生情境為載體出現時，學生依舊無從下手。追本溯源，學生在知識的簡單羅列中孤立地學習元素及其化合物知識，未能建立元素化合物知識與反應原理知識之間的聯系，認識角度單一，認識思路僵化。教學過程中若只聚焦知識的應然解析，疏于探索知識的應用價值，將導致學生的大腦填滿了各類靜態的知識和結論，卻不具備相應的學科思維，不具備解決陌生問題的能力，學科核心素養的發展便成了無源之水。

故復習中有必要打破單一知識內容的桎梏，促使學生更新知識結構，提升遷移創新能力，面對復雜的陌生情境時，能多角度進行系統推理。知識與思維相融合，才能把握眾多知識表象下內聚的心智過程，提升統攝知識的能力，實現能力與素養的共同發展。

2 ?設計思路

本節課聚焦“Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行為”，通過微粒行為的符號表征、物質轉化與鑒別的討論、微粒行為強弱程度的比較、微粒行為多樣性的感受等教學活動，打破具體物質間的藩籬，整合元素及其化合物知識與反應原理知識。教學過程中努力改變學生依賴機械記憶的學習方式，指向學生的“最近發展區”，促使其深度思考，提升思維的系統性、敏捷性、深刻性、批判性。在知識的傳授中讓思維盡情舞蹈，使關鍵能力與化學核心素養在潛移默化中得到發展。

參考王磊教授的學科能力構成模型[1]，確定本節課的能力進階路徑，精選知識要點，設計教學活動，旨在提升思維水平，達成素養目標。具體設計思路如圖1所示。

3 ?教學過程

3.1 ?符號表征： 建立認識角度

[問題1]Na2CO3和NaHCO3在生活中應用廣泛，Na2CO3可用于肥皂和玻璃的制造，NaHCO3則是發酵粉的主要成分，也能用于治療胃酸過多。兩者一字之差，用途差異很大。性質決定用途，而分類是研究物質性質的好方法。能否從不同角度對二者進行分類？

[學生]Na2CO3是碳酸鹽、正鹽;NaHCO3是鈉鹽、碳酸氫鹽、酸式鹽。

[問題2]大部分鈉鹽均易溶于水，故兩者在

水中的溶解性均很好，而碳酸鹽和碳酸氫鹽均能與酸反應，為何NaHCO3可用于治療胃酸過多，而設計意圖： 從宏觀事實入手引入教學內容，列舉兩者在生活中的用途，引導學生對Na2CO3和NaHCO3分類，發展學生的分類觀。通過類別通性中的“反常之處”——Na2CO3能與酸反應，卻不能治療胃酸過多，創設認知沖突，引導學生關注物質在水溶液中的行為過程。通過符號表征，將復雜的微觀過程凝練成簡潔的形式。該環節幫助學生建立新的認識角度： 對于陌生物質，可以通過微粒在水溶液中行為，深入理解物質的性質和用途。

3.2 ?知識融合： 拓寬認識方式

3.2.1 ?應用1： Na2CO3與NaHCO3的轉化

[問題5]結合Na2CO3和NaHCO3在水溶液中的行為，請分析Na2CO3溶液如何轉化為NaHCO3溶液？

[學生甲]CO2-3結合H+即可轉化為HCO ?-3， CO2-3的水解即為結合水中H+，但水電離出的H+濃度太低，所以向Na2CO3溶液中滴加稀鹽酸即可。

[學生乙]一旦鹽酸過量，CO2-3會轉化為CO2和H2O。可以向Na2CO3溶液中通入過量的CO2，發生反應CO2+H2O+CO2-32HCO ?-3， H2CO3具有釋放H+的能力，CO2-3具有結合H+的能力，CO2-3從H2CO3處“借”一個H+，兩者“均攤”為HCO ?-3。

[問題6]NaHCO3溶液怎樣轉化為Na2CO3溶液？

[學生丙]通過降低H+濃度的方式： 促使電離平衡HCO ?-3CO2-3+H+正向移動，故加入NaOH即可，發生反應： HCO ?-3+OH-CO2-3+H2O。

[學生丁]加入具有結合H+能力的物質且不引入雜質離子，可以是NaAlO2溶液，發生反應： HCO ?-3+AlO ?-2+H2OCO2-3+Al（OH）3↓。

[問題7]CO2-3也具有結合H+的能力，為何CO2-3不會從Al（OH）3中“搶奪”H+生成HCO ?-3？

[學生]因為AlO ?-2結合H+的能力強于CO2-3，即AlO ?-2的堿性更強。

[模型建構]總結Na2CO3和NaHCO3的相互轉化，建構轉化模型，如圖2所示。

設計意圖： 從H+結合與釋放的角度研究Na2CO3和NaHCO3的相互轉化，將平衡移動原理應用于物質的轉化，元素化合物知識和反應原理知識互相融合，既有助于“變化觀”和“平衡觀”的發展，又能豐富學生的認識角度，促使認知模型的建構。教學中呈現不同板塊知識間的關聯，理清知識間豐富的邏輯關系，避免學生凌亂地“存儲”化學知識，加深學生對學科知識的整體認識，拓寬認識方式，提升認識能力。

3.2.2 ?應用2： Na2CO3與NaHCO3的鑒別

[問題8]實驗室有兩瓶等濃度的未貼標簽的Na2CO3和NaHCO3溶液，如何設計實驗加以鑒別？

[各抒己見]方案1： 測定溶液的pH， pH更大的是Na2CO3;

方案2： 取少量溶液于試管中，滴加稀鹽酸，若一開始無氣泡，溶質為Na2CO3;若立即產生氣泡，表明溶質為NaHCO3;

方案3： 取少量溶液于試管中，滴加CaCl2溶液，若不產生白色沉淀，則表明溶質為NaHCO3，反之，溶質為Na2CO3。

[問題9]NaHCO3溶液與CaCl2溶液真的不反應嗎？請大家觀察“白面包”實驗。

[演示實驗1]將10g無水CaCl2固體放入小燒杯，倒入5mL蒸餾水，攪拌，得到稍黏稠的過飽和CaCl2濁液，一次性倒入15g NaHCO3粉末，快速攪拌至黏稠，將玻璃棒扶在燒杯中央。發現固體迅速膨脹，產生無色無味氣體。停止膨脹后，松開玻璃棒，玻璃棒立在燒杯中部。加水溶解，燒杯底部有難溶的白色固體。

[學生]通過實驗現象推測兩者反應產生了CO2氣體和CaCO3沉淀。

[問題10]大家能否嘗試從平衡移動的角度解釋氣體和沉淀產生的原因？

[學生]HCO ?-3CO2-3+H+，加入氯化鈣，Ca2+結合CO2-3生成CaCO3沉淀，電離平衡正向移動，產生更多的H+與未電離的HCO ?-3結合生成氣體CO2。

[教師]聯想HCO ?-3在水溶液中的行為，還有別的解釋方法嗎？

[學生]也可以從自耦電離的角度進行解釋： 2HCO ?-3H2CO3+CO2-3， Ca2+結合CO2-3生成CaCO3沉淀，促使平衡正向移動，最終同時生成氣體和沉淀。

設計意圖： 從Na2CO3與NaHCO3的鑒別引出對NaHCO3溶液與CaCl2溶液能否反應的討論。通過現象明顯的“白面包”實驗引燃課堂，激發學生的求知欲，再組織開展分析、評價、解釋、論證等高階認知活動。學生從多角度解釋氣體和沉淀產生的原因，將平衡移動原理進一步應用于物質的鑒別，認識思路得以外顯，偏差認識得以糾正，學生在問題解決過程中能深入認識電解質在水溶液中的行為，增強了思考內容的靈活度。在高三復習課中引入實驗，能避免學生機械記憶固有結論，幫助學生通過實驗事實，運用化學特有的學科視角，透過現象看本質，實現問題的有效解決。

3.3 ?證據推理： 形成認識思路

[問題11]（推理1）經過上述討論，我們知道NaHCO3溶液與CaCl2溶液的反應可以理解為Ca2+促進了HCO ?-3的電離，HCO ?-3的電離實質上是釋放H+的過程，HCO ?-3結合H+的能力和釋放H+的能力相比，何者更強？能否從多角度尋找證據支撐你的推斷？已知： Ka1（H2CO3）=4.4×10-7， Ka2（H2CO3）=4.7×10-11。

[學生]（積極討論）HCO ?-3結合H+的能力強于釋放H+的能力。

證據1： （定性角度）NaHCO3可用于治療胃酸過多，NaHCO3溶液顯弱堿性;

證據2： （定量角度）Ka（HCO ?-3）=4.7×10-11， Kh（HCO ?-3）=KwKa1（H2CO3）=2.3×10-8， HCO ?-3的水解程度更大，結合H+的能力更強。

[問題12]（推理2）CO2-3也具有結合H+的能力，HCO ?-3結合H+的能力和CO2-3結合H+的能力相比，何者更強？

[學生]（踴躍作答）CO2-3結合H+的能力強于HCO ?-3。

證據1： （定性角度）Na2CO3雖顯堿性，卻不能用于治療胃酸過多，表明Na2CO3的堿性更強，即CO2-3結合H+的能力更強;

證據2： （定量角度）Kh（CO2-3）=KwKa2（H2CO3）=2.1×10-4， Kh（HCO ?-3）=2.3×10-8， CO2-3的水解程度更大，故其結合H+的能力更強;

證據3： （實驗事實角度）向等濃度的Na2CO3和NaHCO3的混合溶液中滴加HCl，一開始無氣泡，后來產生氣泡，表明CO2-3結合H+的能力更強。

[演示實驗2]將質量均為0.5g的Na2CO3、 NaHCO3固體置于試管中，加入5mL蒸餾水完全溶解，滴加2mol·L-1的鹽酸，實驗過程中一開始出現了少量的氣泡，有部分氣泡在上升的過程中逐漸變小乃至消失，后來出現大量的氣泡。

[教師]引導學生觀察演示實驗2，討論證據3的科學性。

[教師]該實驗現象與預期有差異，嘗試從微觀角度解釋一開始有少量氣泡，有部分氣泡在上升過程中逐漸變小乃至消失的原因。

[學生]滴加鹽酸過程中，局部酸性較強，CO2-3捕捉濃度較高的H+生成H2CO3， H2CO3分解生成CO2，出現小氣泡，當CO2努力從溶液內部向液面上升時，與大量未反應的CO2-3相遇，生成了HCO ?-3，小氣泡會繼續變小乃至于消失。該實驗現象雖然與預期有差異，但能說明CO2-3結合H+的能力強于HCO ?-3。

設計意圖： 證據推理過程容易以偏概全，教師的點評能幫助學生尋找支撐推斷的關鍵性證據，形成完整的“證據鏈”。劉懷樂說：“教師不做實驗或不能成功地做好實驗本身，就是不能向學生提供真實的事實。[2]”做實驗可以為證據推理提供可靠的事實依據。通過實驗佐證證據3的科學性，實驗現象雖有些出乎意料，但也說明了實驗是化學的最高法庭。從提出問題到多角度證據推理，再到證據的科學性論證，在學生心中埋下了科學精神的種子。

[問題13]（推理3）HCO ?-3結合水中H+的能力和結合自身H+的能力何者更強？

[學生]HCO ?-3結合自身H+的能力更強。

證據： （定量角度）HCO ?-3+H2OH2CO3+OH-， Kh（HCO ?-3）=2.3×10-8; HCO ?-3+HCO ?-3H2CO3+CO2-3， K=Ka2Ka1=1.1×10-4，故HCO ?-3自耦電離的程度更大。

[學生]原來HCO ?-3自耦電離的程度并沒有我們想象中的那么小。

[問題14]HCO ?-3自耦電離的程度遠大于其自身電離的程度，NaHCO3溶液與CaCl2溶液的反應完全可以理解為Ca2+促進了HCO ?-3的自耦電離。已知： Ksp（CaCO3）=2.8×10-9，計算Ca2++2HCO ?-3H2CO3+CaCO3↓的平衡常數K。

[學生]K=c（H2CO3）c（Ca2+）·c2（HCO ?-3）=Ka2（H2CO3）Ka1（H2CO3）·Ksp（CaCO3）≈4×104，該反應的平衡常數接近105，可近似認為該反應進行完全，所以“白面包”實驗現象很明顯。

設計意圖： 圍繞微粒結合和釋放H+能力的比較，引導學生從定性、定量、實驗現象等多個角度尋找證據，培養學生的證據意識。本環節的教學中，凸顯平衡常數的重要性，幫助學生形成認識思路。學會結合生活常識和實驗事實定性分析反應程度，學會通過平衡常數量化反應程度的大小。在一系列的平衡常數的計算中，探索知識的功能，促使知識經驗的程序化。引導學生分析復雜溶液體系中的多重平衡，通過定性分析和定量計算推出合理結論，在問題的解決中提升高階思維能力。

3.4 ?思維發散： 促使認識進階

[問題15]反應Ca2++2HCO ?-3H2CO3+CaCO3↓的平衡常數很大，NaHCO3溶液與CaCl2溶液反應一定會有非常明顯的現象嗎？

[演示實驗3]向三支裝有2mL 0.1mol·L-1的NaHCO3溶液中分別滴入2滴1mol·L-1、 0.1mol·L-1、 0.01mol·L-1的CaCl2溶液，觀察實驗現象。

[學生]2mL 0.1mol·L-1的NaHCO3溶液與1mol·L-1的CaCl2溶液反應，溶液明顯變渾濁，而換成0.1mol·L-1的CaCl2溶液，溶液略微變渾濁，若滴加0.01mol·L-1的CaCl2溶液，幾乎觀察不到任何明顯現象。

設計意圖： 平衡常數很大反應也有可能觀察不到明顯的實驗現象，再度引發學生的認知沖突，挑戰學生的已有認識角度，引發學生的深度反思，將課堂推向高潮。在教師的推動下，學生能打破原有的認知平衡，初步學會從“趨勢、限度、速率”等多個角度認識化學反應，感受到化學反應中宏觀現象背后微觀機理的復雜性，驚嘆化學反應的神奇，也為大學階段深入學習化學熱力學和動力學奠定基礎。

[問題16]許多反應中都能找到自耦電離存在的依據，書寫下列過程的反應的化學方程式。

（1） CoSO4溶液與NH4HCO3溶液反應生成CoCO3沉淀（化學方程式）;

（2） NH4HCO3溶液與ZnSO4溶液在一定條件下可生成ZnCO3·Zn（OH）2（化學方程式）;

（3） 向1mol·L-1的NaHCO3溶液中滴加BaCl2溶液，同時通入過量的NH3（離子方程式）。

參考答案： （1） CoSO4+2NH4HCO3CoCO3↓+CO2↑+H2O+（NH4）2SO4

（2） 4NH4HCO3+2ZnSO4ZnCO3·Zn（OH）2↓+3CO2↑+H2O+2（NH4）2SO4

（3） Ba2++HCO ?-3+NH3BaCO3↓+NH ?+4

設計意圖： 本題組旨在讓學生感受水溶液體系中離子反應的豐富多彩，打破思維定勢，優化認識模型，提升思維的有序性和系統性。最終在新舊知識的整合、知識結構的更新中實現思維認識的進階。

4 ?教學反思

4.1 ?建構知識： 讓能力自然生長

傳統的高三復習課往往圍繞“兩題三點”展開，即注重高考真題和模擬試題的訓練，注重重點、難點和考點的歸納整理。僅以試題為素材，看似有利于快速提分，但學生容易就題論題，只能獲得局部的知識與方法，未能實現知識獲得與能力發展的統一融合。高考試題往往通過陌生的情境素材考查學生的綜合能力，依賴“題海戰術”收效甚微，故復習中應關注知識的建構過程，尊重學生的主體地位，不能讓課堂淪為“兩題三點”的密集講練。

本節課中，無需羅列Na2CO3與NaHCO3的若干性質，也無需告訴學生Na2CO3與NaHCO3的轉化方法，可以讓學生用符號語言描述兩者在水溶液中的行為，并將其離子行為應用于兩者的轉化。教師沿著認知發展的脈絡引導學生循序漸進地建構知識，學生的關鍵能力在潛移默化中自然生長。例如： 學生可以在對微粒行為的符號表征中發展概括關聯能力，在對HCO ?-3自耦電離的討論中提升說明論證能力，在對NaHCO3溶液與CaCl2溶液能否反應的探討中提升復雜推理能力。知識的建構過程與能力的發展過程往往相伴隨行。