“證據推理與模型認知”指導的實驗-原理整合復習

方華才

摘 要：本文通過水溶液中的離子競爭反應，將實驗復習與原理復習互相整合，通過利用原理解釋實驗現象來活化原理知識，使學生對實驗的認識從現象上升到本質。原理的復習通過實驗進行驗證，體現理論的指導作用和實驗的實證功能。二者相結合有效落實“證據推理與模型認知”，有利于提高學生的核心素養。

關鍵詞：證據推理與模型認知 離子競爭反應 教學設計和實踐

一、文獻調查

為了將實驗與原理整合進行教學，活化“沉淀溶解平衡”“氧化還原”“原電池”等原理，進行了深入的文獻調查：徐凱里^[1]在化學教育上發表的文章“建模思想在化學原理教學中的運用”通過競爭反應與海水曬鹽2個案例，指出在化學原理教學過程中運用建模思想，可以使復雜的過程變得簡潔、抽象，從而明晰現象背后的原理、規律。范書寧等^[2]在化學教學上發表的文章“關于中學化學中競爭反應先后順序的討論”從化學熱力學、動力學視角對中學化學中競爭反應先后順序問題進行理論分析，指出在中學化學教學中應謹慎討論競爭反應先后順序問題，建議將競爭反應置于有應用意義的真實情境問題解決中學習，有利于提高學生的核心素養。吳文中等^[3]在化學教學上發表的文章“深刻理解體驗相互競爭的平行反應”指出許多化學反應存在多個相互競爭的平行反應，實際發生可能是化學反應限度（ 熱力學） 主導，也可能是反應速率（ 動力學）主導，亦或由熱力學動力學共同驅動。如何理解相互競爭的多個平行反應？ 通過著重解讀2017年北京化學高考28 題讀懂這類相互競爭的平行反應，以糾正對競爭反應的不夠全面的看法，并提出相關的教學策略。

二、整合設計與實踐

高三化學復習中，學生對原理的復習存在從原理到原理，缺乏實驗實證;實驗復習強記模板套路，缺乏理論支持而難以找到解決問題的角度，沒有穩定的解決策略。如何通過課堂教學落實“證據推理與模型認知”的化學核心素養，讓學生建立化學學科邏輯？本文以“Ag⁺與I^-的反應”為例，整合原理復習和實驗復習，將二者有機結合，通過實驗來引導學生思考探究離子間會發生哪些反應？反應的先后順序怎樣？怎樣設計實驗驗證？分別應該有哪些實驗現象？在學生自主設計、驗證、改進實驗的過程中，要求設計方案合理可行，操作現象明顯。如何在多種可行探究方案中進行優選，能很好地提升學生思維的嚴密性。本文對實際問題的解決中涉及“沉淀溶解平衡原理”“氧化還原反應原理”“原電池反應原理”等原理模型，有助于深化認識和熟練運用這些原理，通過層層遞進的實踐活動培養學生的創新精神和實證精神。

[探究實驗]已知Ag⁺具有較強的氧化性，I^-具有較強的還原性，根據氧化還原理論推測Ag⁺與I^-會發生什么反應，寫出對應離子反應方程式。設計實驗驗證推測。（已知：低濃度的碘水為黃色）。

三、實驗小結

將Ag⁺與I^-的反應設計為原電池反應，可直接氧化還原生成Ag和I₂;Ag⁺與I^-直接接觸先產生AgI沉淀，后感光轉化Ag。二者都存在競爭反應，且隨著時間延長，產物發生了變化。說明速率快的開始具有競爭優勢，但產物不一定穩定，還可能隨著時間延長轉化為更穩定的產物。結合“能量—反應過程”二維圖可得出如下結論：①平行反應之間，活化能較小、反應較快的在反應中具有競爭優勢（動力學即速率決定）;②隨著時間的延長，產物穩定、平衡常數大的反應具有競爭優勢（熱力學即平衡決定）;③反應較快但平衡常數小的反應先發生，隨著時間的延長會逐步轉化為平衡常數大的反應的產物。

四、實踐反思

該探究過程研究離子互換反應和氧化還原反應的競爭，根據現場信息和原理預測反應，預測現象，設計實驗進行驗證，整合了“沉淀溶解平衡”“氧化還原反應”“原電池反應”。

探究過程中要根據信息，現場設計實驗，要求更高，是對原理的深度實踐應用：如右圖，首先根據信息預期Ag⁺與I^-直接接觸發生氧化還原反應，進行實驗，出現非預期結果（產生思維沖突），根據原理分析評價，進行實驗設計改進，進行實驗驗證改進設計，探討干擾，分析評價方案的優缺點，進一步改進改設計，進行實驗探究。整個過程都是基于如何更好地完成實驗目的——驗證Ag⁺能夠氧化I^-，結合所學原理，逐層改進優化方案。最后根據速率和平衡原理，對異常細節現象深入分析，進一步活化所學原理。嚴密的思維活動能夠很好地訓練學生的思維品質，體會原理的指導功能。

實驗-原理整合復習能幫助學生建立化學學科邏輯：如何從事實出發，聯系原理分析現象、解釋原因;如何從信息出發，聯系原理預測反應、設計實驗、驗證并評價;如何從物質性質出發，聯系原理預測反應、設計實驗、驗證并評價。最后，高度重視實驗教學是課程改革的基本要求，理論結合實際，理論指導實踐是化學學科的內在要求;通過實踐深化理解原理，通過實踐將原理內化為學科素養是原理教學的必由之路。

參考文獻

[1]徐凱里.建模思想在化學原理教學中的運用[J].化學教育（中英文），2018，39（17）：32-35.

[2]范書寧，吳星，呂琳.關于中學化學中競爭反應先后順序的討論[J].化學教學，2018（04）：91-93+96.

[3]吳文中，李文博.深刻理解體驗相互競爭的平行反應——著重討論2017年北京化學高考第28題[J].化學教學，2018（02）：87-91.