基于數據進行推理的化學深度學習案例分析
——以平衡原理知識教學為例

林建成

（南安市僑光中學，福建 泉州 362314）

一、問題的提出

深度學習相對于淺層次學習而言，是一種基于深度理解的學習方式，要求學習者能夠對知識進行理解與批判、聯系與建構、遷移與應用，從而對知識進行深層次加工與理解，實現問題分析解決能力和創造性思維等高階思維能力的發展。［1］“證據推理”是化學學科核心素養的重要組成部分，是一種高階思維形式，要求學習者“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。”［2］要求教師在教學中要樹立證據意識，通過收集、獲取和整理證據，引導學生進行分析推理，強化學生的高階思維訓練，促使學習者對知識進行深層次加工和深度理解，從而達到深度學習的效果。“證據推理”中的“證據”是客觀的、真實的，它可以是知識，也可以是數據。［3］學生通過查閱、收集數據（必要時教師提供數據），利用數據進行推理，更能強化學生的證據意識，發展學生的推理能力，培養學生的核心素養。

化學平衡知識往往需要通過深度理解才能把握知識的本質，才能運用有關原理知識進行分析解決問題，該部分知識是學生關鍵能力形成的重要載體。但學生在對平衡原理知識的學習和運用過程中存在知識理解不清或不夠深入的學習盲點，而有的教師對學生存在的學習盲點沒有引起足夠的重視，未能提供相關證據引導學生進行推理，僅作淺層次的解釋或讓學生死記硬背，造成學生對原理知識的理解不清不深入，達不到深度學習效果，更談不上運用原理知識分析解決問題。為有效解決學生的深度學習問題，筆者梳理了平衡原理中的若干學習盲點，試圖讓學生充分運用數據進行推理，引導學生主動探究，親身體驗學習的過程與方法，落實“證據推理”素養目標，有效實施素養為本教學。

二、設計思路

三、案例分析

1.多組分濃度變化對平衡移動影響

勒夏特列原理在解釋平衡移動方向時僅適用于單一條件的變化，對多條件變化則無法解決，這也是學生學習的難點。為此，可通過設計相關計算題，讓學生通過計算自主推理后認識到勒夏特列原理相對于平衡常數在解決平衡移動問題時具有局限性，對原理的把握更為清晰，理解更為透徹，對如何運用已有知識進行分析解決問題有更深刻的認識。教學基本環節如下：

（1）提出問題促思考

合成氨反應：N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)，在一定條件達到平衡時，當多個組分濃度同時發生變化時，如何判斷平衡向哪個方向移動？

（2）設置例題重推理

［例1］某溫度下恒壓容器中發生反應：N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)，達到平衡時，容器體積為1L，N2、H2和NH3三種物質的量分別為1mol、3mol、2mol。若此時再向容器中充入2mol N2，該平衡將______。

A.向左移動 B.向右移動

C.不移動 D.無法確定移動方向

計算推理過程：

充入2mol N2后，因恒壓條件，氣體物質的量由6mol 變為8mol，則容器的體積由1L 變為4/3L，故各組分濃度分別改變為：

經計算，得出Q=0.09，Q＜K，平衡向右移動。

（3）深化問題再思考

將上述例題略作改動，即：將“平衡后再向容器中充入2mol N2”改為“平衡后再向容器中充入54mol N2”，與上述情況對比，平衡方向會不會發生改變？

（4）再次推理獲新知

推理過程：

若平衡后向容器中充入N2改為54mol，則氣體物質的量由6mol 變為60mol，則容器的體積由1L 變為10L，故各組分濃度分別改變為：

同樣算出Q=0.29，Q＞K，平衡向左移動。

學生通過前后自主推理后，深刻自主認識到當多個組分濃度同時發生變化，平衡移動方向要運用數據進行推理判斷，而不能從主觀進行簡單臆測或判斷，有力強化學生證據意識，發展學生推理能力，落實核心素養目標。

2.弱酸酸式鹽溶液酸堿性判斷

蘇教版《化學反應原理（選修）》中對NaHCO3溶液酸堿性的分析以“問題解決”欄呈現，即“實驗測得NaHCO3溶液的pH＞7，請從電離和水解兩方面分析導致NaHCO3溶液呈堿性的原因”。［4］教材從提供實驗事實證據,然后啟發引導學生從電離和水解兩個方面進行定性分析，得出HCO3-的水解作用大于電離作用的結論。此時教師應抓住教學的最佳時機，讓學生查閱HCO3-的電離平衡常數Ka并推算與HCO3-的水解平衡常數Kh，通過對Ka與Kh的大小比較，從定量上進一步深化學生對酸式鹽溶液酸堿性的理解。此時，可讓學生再通過查閱HSO3-的電離平衡常數和推算與HSO3-的水解平衡常數，判斷HSO3-溶液的酸堿性。通過對比分析和推理，達到對弱酸酸式鹽溶液呈酸堿性的深度理解。教學基本環節如下：

（1）深化問題促思考

實驗測得NaHCO3溶液呈堿性，我們已從電離和水解兩方面分析并找到原因。我們已經知道，電離程度和水解程度可以通過平衡常數來反映，大家能從平衡常數的角度來判斷HCO3-的電離程度大還是水解程度大嗎？（學生思考并交流討論）

（2）查閱數據并計算

通過查閱，常溫下H2CO3的平衡常數為：Ka1=4.3×10-7，Ka2=5.6×10-11，則Kh(HCO3-)=Kw/Ka1=2.3×10-8＞Ka2(H2CO3)=5.6×10-11。

結論：NaHCO3溶液中HCO3-的水解作用大于電離作用。

（3）運用類推強認知

運用類似的方法類推常溫下NaHSO3溶液的酸堿性，辯證認識弱酸酸式鹽的酸堿性。

通過查閱，常溫下H2SO3的平衡常數為：Ka1=1.54×10-2mol·L-1，Ka2=1.02×10-7mol·L-1，則Kh(HSO3-)=Kw/Ka1=6.5×10-13mol·L-1<

結論：NaHSO3溶液中HSO3-電離作用大于水解作用，溶液呈酸性。

（4）遷移推理緩沖液

運用推理判斷弱酸酸式鹽的方法，遷移到緩沖溶液酸堿性的判斷，達到觸類旁通的目的。

［例2］常溫下，對比判斷等物質的量濃度的CH3COONa 和CH3COOH 混合液與等物質的量濃度的NaCN 和HCN 混合液的酸堿性。

推算及結論：前者Kh(CH3COO-)=Kw/Ka(CH3COOH)=5.6×10-10>Ka(HCN)=4.9×10-10，溶液呈堿性。

3.沉淀溶解平衡原理應用中的三個盲點

學習盲點一：BaSO4轉化成BaCO3

蘇教版《化學反應原理（選修）》對“沉淀溶解平衡原理的應用”以“將BaSO4轉化成BaCO3，然后用鹽酸溶解，即可得到含Ba2+的溶液”為例說明分析化學常將難溶性強酸鹽轉化為難溶性弱酸鹽后，再用酸溶解得到可溶性金屬鹽溶液。轉化原理如下：［4］

總反應的離子方程式為：BaSO4+CO32-=BaCO3+SO42-

上述轉化雖能說明BaSO4向BaCO3的轉化，但教材在這之前剛闡述“溶解能力較強的物質易轉化為溶解能力相對較弱的物質”，對BaSO4和BaCO3而言，BaSO4更難溶，這個轉化使學生對沉淀間的轉化感到迷惑。此時，若能通過數據讓學生自主推理，對此轉化進行證實，學生對沉淀間的轉化就有更深刻的理解。為此，設計教學環節如下：

（1）設問激疑促進思考

［問題］BaSO4比BaCO3的溶解度小，往BaSO4中加飽和Na2CO3溶液，BaSO4能否轉化成BaCO3，你能通過數據推理來證實嗎？（學生思考并交流討論）

（2）設計例題分析解決

［例3］已知：室溫下飽和Na2CO3溶液的濃度為1.9mol·L-1，Ksp(BaSO4)=1.1×10-10，Ksp(BaCO3)=2.6×10-9，往BaSO4沉淀中加入飽和Na2CO3溶液，通過計算說明能否實現BaSO4向BaCO3的轉化？

通過學生自主進行簡單的計算推理并得出結論，將學生的學習引向深度學習，培養學生分析解決問題的關鍵能力。

（3）深化問題深度理解

［問題］上述轉化能否將大量的BaSO4轉化成BaCO3？請進行解釋。如果要將大量的BaSO4轉化成BaCO3應采取什么樣的措施。

學生通過思考分析，交流討論，明確隨著BaSO4向BaCO3的轉化，SO42-濃度不斷增大，且BaSO4比BaCO3更難溶，故只有部分BaSO4轉化成BaCO3。明確了這一點以后，學生自然而然就想到了要實現大量BaSO4轉化成BaCO3，就必須要減少SO42-濃度，為此也就理解了教材中“轉化過程是用飽和Na2CO3溶液處理BaSO4沉淀，處理一段時間后，移走上層清液；再加入飽和Na2CO3溶液，重復處理多次，使絕大部分BaSO4轉化為BaCO3”這一段話。

學習盲點二：除去硫酸銅溶液中少量的鐵離子

教材中關于除去硫酸銅溶液中少量的鐵離子呈現了以下流程：［4］

學生對這個流程圖難以理解的是為什么pH=3～4 時能夠除去Fe3+(即Fe3+沉淀完全）。為了讓學生真正弄清在pH=3～4 的條件下，Cu2+還沒沉淀而Fe3+已沉淀完全，對該知識難點設計環節如下：

（1）設問激疑促進思考

［問題1］流程圖中為什么pH=3～4 時，Cu2+沒沉淀而Fe3+卻沉淀完全？你能想到用什么方法來證實嗎？（學生思考并交流討論）

（2）提供數據自主推理

［問題2］已知：室溫下，飽和CuSO4溶液的濃度為1.4mol·L-1，Ksp［Cu(OH)2］=2.0×10-20，當pH=4 時，試通過計算判斷能否形成Cu(OH)2沉淀？

計算結果：Qc=1.4×10-20

［問題3］通常情況下，當溶液中離子濃度小于1.0×10-5mol·L-1時表示已被沉淀完全。已知：室溫下，Ksp［Fe(OH)3］=2.6×10-39，當pH=3 時，試通過計算判斷Fe3+是否沉淀完全？

計算結果：pH=3 時，c(Fe3+)=2.6×10-6mol·L-1，表示Fe3+已沉淀完全。由此可知，當pH=4 時，Fe3+沉淀更為完全。

（3）總結提升提煉方法

［問題4］通過以上例子分析，請同學們思考，要分離或提純多種難溶性氫氧化物或難溶性金屬鹽對應金屬陽離子的混合液，可設計什么樣的方法進行分離提純？（可運用實例讓學生總結提煉出方法）

［例4］（2015 年江蘇，18 節選）

已知：Ksp［Al(OH)3］=1×10-33，Ksp［Fe(OH)3］=3×10-39，pH=7.1 時Mn(OH)2開始沉淀。室溫下，除去MnSO4溶液中的Fe3+、Al3+(使其濃度均小于1×10-6mol·L-1)，需調節溶液pH 范圍為________。

學習盲點三：CO2通入CaCl2溶液為什么不會產生沉淀，而H2S 通入CuSO4卻能產生沉淀

認為CO2通入CaCl2溶液會產生沉淀一直是很大一部分學生學習的誤區，即使是到了高三還是有不少學生想當然認為會有沉淀生成。對于H2S 通入CuSO4能產生沉淀感到不理解的是弱酸與強酸鹽反應可以得到強酸。為了徹底解決學生存在的這個知識盲點，運用數據引導學生自主進行推理可以讓學生深度理解，并在頭腦中留下深深的烙印。

（1）巧妙設問引導思考

從沉淀溶解平衡原理知識考慮，要形成CaCO3，溶液中的c(CO32-)與c(Ca2+)必須滿足什么條件？同理，要形成CuS 沉淀溶液中的c(S2-)與c(Cu2+)必須滿足什么條件？

（2）運算推理進行判斷

已知：常溫下，飽和CaCl2溶液的濃度約為5mol·L-1，H2CO3：Ka1=4.3×10-7，Ka2=5.6×10-11，CaCO3的溶度積常數為：Ksp=4.96×10-9，（教師要啟發引導學生推導飽和碳酸溶液中，c(CO32-)≈Ka2=5.6×10-11mol·L-1

［運算推理結果］c(Ca2+)·c(CO32-)=2.8×10-10＜Ksp(CaCO3)，故不能產生沉淀。

同理，讓學生查閱或提供以下數據，讓學生自主推理即可得出H2S 通入CuSO4能產生沉淀的結論。相關數據如下：

常溫下，Ka1(H2S)=9.1×10-8，Ka2(H2S)=1.1×10-12，Ksp(CuS)=1.27×10-36，假設CuSO4溶液的濃度為1mol·L-1。

（3）兩個反應對比后的思考

引導學生從電離平衡和沉淀溶解平衡兩個因素綜合分析上述兩個反應，基于證據辯證認識反應的方向，深度理解上述兩個反應。

四、結束語

素養教學背景下，充分運用數據引導學生進行推理，有利于促進學生的深度學習，有利于培養學生的推理能力，有利于發展學生思維，有利于落實化學學科核心素養目標。深度學習作為培養和發展學生高階思維能力的重要學習方式，應引起一線教師的足夠重視。要切實有效實施好基于數據進行推理的深度學習，教學中教師首先要樹立證據意識，精心設計教學策略，引導學生獲取數據、篩選數據、利用數據，并通過數據進行自主分析推理，在推理過程中不斷強化證據意識和發展推理能力，從而達到深度理解、深度學習之效。