基于定量思維深度學習“溶液中的離子反應”

林 怡

（福州屏東中學，福建 福州 350003）

化學學科新課程標準提出了五個維度構成學科核心素養，其中“變化觀念與平衡思想”“宏觀辨析與微觀探析”“證據推理與模型認知”貫穿在化學反應原理的教與學過程中?；瘜W反應原理在選修教材中地位突出，教師教學過程重在引導學生認識化學變化所遵循的基本原理。從熱化學、電化學到溶液中的離子反應，較多的內容涉及抽象、微觀的化學過程，學生學習存在一定的難度。通過定性分析形成結論是較直接的方法，然而這導致學生對微觀本質原理無從得知，在陌生情境中對知識的遷移、解決相關問題的綜合能力略顯薄弱。引導學生形成學科特征的定量思維和探究能力，是對相關知識的深度學習，也是培養“證據推理與模型認知”核心素養的途徑之一。本文以探究“溶液中的離子反應”為例，從定量思維角度解析不同現象的本質，讓學生對溶液中的平衡觀建立新認知，并遷移運用認知解決一系列相關問題，達到對學科知識的深度學習。

一、定量思維在化學學科中的重要性

化學是一門以實驗為基礎的學科。溶液中離子反應的平衡建立是微觀、抽象的。在傳統教學設計中教師以實驗探究活動為載體，學生通過預測、觀察，從實驗現象推導結論，獲得直觀的定性認知。定性分析主要解決“有什么”或者“是什么”等問題，對“為什么”“多或少”卻愛莫能助。定性分析是認識物質的基礎，定量分析則是對定性分析的深化，它可以借助數學工具，從量化上揭示客體特征。定量分析獲得的有效數據是對化學原理和理論最充分的解釋，這是無法替代的。為了引導學生探索化學反應的規律及其應用，形成物質變化的科學觀念，教師教學中應啟發學生觀察思考，提出問題，從定性和定量、微觀和宏觀綜合視角共同分析，進行證實或證偽，揭示研究對象的本質和特征。學科特征思維的培養不僅能突破教學難點，幫助學生從現象了解本質原因，也讓學生獲得必備的定量分析論證能力，提高他們的科學素養。

二、發展定量思維，深度學習學科知識

深度學習是指學習者能夠在理解、學習的基礎上，批判性地學習新的思想和事實，將它融入原有的認知系統，并將獲得的知識遷移應用到新的情境中，決策解決相關問題。［1］縱觀近幾年高考選擇題的熱點——電解質溶液的題型，它包含不同溶液酸堿性判斷，溶液中各種離子濃度大小比較等知識，這是學生的弱點，也是失分點。學習停留在知識淺層的學生，對具體事實性知識容易遺忘。對于定性分析形成的經驗結論，學生更是知其然不知所以然，常不明就里，生搬硬套，學習效果甚微。定量分析是解決實際問題的方法之一，學科特征思維的培養也是能力的培養，是實現對學科知識深度學習的教學手段之一。教師可引領學生在課堂中參與高水平的思維活動，［2］對溶液中的離子反應構成要素，相互關系，建立認知模型，讓學生充分體驗定量思維在解決實際問題中發揮的重大作用，幫助學生掃清對溶液體系認知的障礙點，建立對溶液中各種平衡常數的新認知，實現對溶液中的離子反應深度學習。

三、基于定量思維深度學習“溶液中的離子反應”案例

為促進學生對學科知識的深度學習，達到融會貫通、靈活應用，提升解決相關問題的能力，張賢金等認為以相關主題為主線,整合、重組、激活教材，可實現教材價值的最大化。［3］筆者在“溶液中的離子反應”專題教學中，基于知識關聯的結構化，對教材資源進行整合，以探究不同溶液的酸堿性為主線，引導學生形成定量思維，教會學生運用定量思維解決認知過程中產生的困惑，使學生領悟學科特征思維對實現學科知識深度學習的意義。

（一）思維碰撞，開啟定量思維之門——解惑“鹽溶液的濃度越小，水解的程度越大”

在“鹽類水解”的新授課教學過程中，教師們通常按照教材中的“活動與探究”，讓學生通過觀察FeCl3溶液稀釋10 倍前后pH 數值的變化，依據定性分析，得出“鹽溶液的濃度越小，水解的程度越大”結論。教師進一步向學生提出疑問：“若鹽溶液濃度越大，平衡仍朝正反應方向移動，水解程度是否還是增大？”學生經過探討，察覺定性分析無法為新問題提供更多的判斷依據。筆者伺機以氯化銨溶液為例，利用數學工具在教學中進行推導、演繹，消除學生疑惑，幫助學生對教材結論形成更深層次的認知。

立足課本實驗，提出問題，引發學生思維火花的碰撞。單一的定性實驗分析，對宏觀現象中的微觀解析存在一定的局限性，定量論證彌補了缺憾。教師在學生已建立溶液中平衡觀的基礎上，啟發定量分析思維，讓學生意識到解決問題方法的多樣性，提高對新知探索的積極性，為后續分析不同溶液中的離子反應，開啟探索之門。

（二）深入應用，感受學科特征思維的魅力——預測酸式鹽溶液的酸堿性

生活中處處有化學，常用的疏松劑NaHCO3，學生已知其水溶液呈堿性。NaHCO3屬于酸式鹽，在HCO3ˉ既電離又水解情況下，為何其溶液最終顯堿性？如何比較電離與水解程度的大小？顯然定性實驗無法提供滿意的答案。假如學生帶著重重疑惑，對結論死記硬背，就違背了教育的真正目的。基于學生已明確酸式鹽溶液的酸堿性，取決于電離與水解程度大小的認知，筆者在教學中，從定量思維角度入手，與學生共同分析NaHCO3溶液顯堿性的本質原因。

因為Kh＞Ka2，所以NaHCO3溶液中水解程度大于電離程度，溶液顯堿性。

定量分析思維的建立，不僅讓學生能充分理解教材知識，在實戰測試應用中，也提高了對陌生物質的分析能力。

例如，2017 年普通高等學校招生全國統一考試（全國Ⅰ卷）中第13 題：常溫下將NaOH 溶液添加到己二酸（H2X）溶液中，混合溶液的pH 與離子濃度變化的關系（如圖1）所示。下列敘述錯誤的是

圖1

其中C 選項的判斷，有定量分析為基礎，學生對結論的應用就得心應手。學生知道c（H+）與c（OH-）大小比較，實質就是比較HX-的電離與水解程度大小，依據結論取決于Ka2與Kh大小，再結合題中其他信息就能做出正確判斷，有效地提高答題的正確率。

教學中從生活實例入手，解決知識盲區，讓學生感受化學與生活的密切聯系，提高深度學習學科知識的興趣。學生通過自主分析，提高了判斷類似NaHSO3等鹽溶液酸堿性的能力，也進一步體會到定量思維的重要性，感受到學科特征思維的魅力。

（三）能力提升，形成學科特征定量思維——解析弱酸弱堿鹽溶液的酸堿性

溶液中離子反應是復雜的，弱酸的酸根離子水解顯堿性，弱堿陽離子水解顯酸性，而弱酸弱堿鹽溶液的酸堿性又該如何判斷呢？實驗測定雖能直觀的給予定性結論，但學生百思不得其解“為何不同的弱酸弱堿鹽溶液［如CH3COONH4、（NH4）2CO3］的測定結論卻不同？”教師應交給學生開啟現象本質原因的“鑰匙”——定量思維分析，讓學生自主運用、分析并解決問題。以1mol·L-1CH3COONH4溶液為探究對象，結合表1 中查閱的數據［4］引導學生進行論證。

表1 （CH3COOH、NH3·H2O 的電離常數）

（四）拓展遷移，滲透深度學習——辨析混合液的酸堿性

工業生產中，中和滴定應用廣泛。用NaOH 溶液滴定CH3COOH 溶液過程中，會產生CH3COONa 與CH3COOH 的混合溶液。CH3COONa 水解呈堿性，CH3COOH 電離呈酸性，混合溶液最終的酸堿性就取決于它們各自產生的c（H+）和c（OH-）的相對大小。為了在高中教學中不引入過多的概念，減輕學生負擔，可用弱酸的電離平衡常數來解決類似問題。以常溫下等濃度的醋酸（CH3COOH）和醋酸鈉（CH3COONa）混合溶液為例

從單一溶質溶液到混合溶質溶液的探究，教師在教學中要充分挖掘教學素材，進行有效重組，教學的深度應該不局限于教材實例。縱觀混合溶液中各種離子濃度大小比較的考查，常以濃度的對數表達和圖形方式等結合，對學生的綜合能力要求高。不具備定量思維的學生總是束手無策，輕易放棄。為樹立學生解決困難的信心，教學中定量思維的培養是必不可少。教師在引領學生發現、解決問題過程中要滲透定量思維的培養，為實現對知識的深度學習做好鋪墊。

四、定量思維對促進學科知識深度學習的教學反思

（—）定量思維的形成應循序漸進，要滲透在反應原理不同知識的教與學中

定量思維在化學反應原理知識體系中應用廣泛。從熱化學、電化學到不同溶液中建立的平衡體系，教師在教學中要不斷用“數據來說話”，為定性分析提供有說服力的論證支撐。學科特征定量思維的形成，是教師突破“溶液中的離子反應”難點、疑點的“鑰匙”。它讓學生對溶液中的平衡觀建立了新認知，同時讓學生感知到具備學科特征思維遠比對知識的掌握更重要。學科特征定量思維的應用不僅能解決“溶液中的離子反應”相關知識問題，對化學反應原理的其他專題知識學習也起到舉足輕重的作用。它是學生實現對化學學科知識深度學習的有效途徑之一。

（二）定量思維形成過程中，關注學生有效實現化學學科知識的深度學習

學科特征思維是學科的靈魂。教師在教學中應抓住學科特點，以學科知識為載體，將最核心、最本質的思想方法通過精心的教學設計來呈現，使學生從單純的掌握課本知識淺層學習，過渡到對相關知識在陌生情境中的運用解決。教學中教師應注重以學生為主體，不同層次學生對定量思維的形成，運用解決新情境、新問題的能力不同。問題的設置、范例的選擇，需要兼顧到不同層次學生的接受水平，既要體現對基本定性結論的驗證，又要有對相關知識遷移、綜合應用的展示，讓大部分的學生都能參與到課堂學習中，領悟化學知識，體驗化學學科定量思維所帶來的成就感，達到真正對學科知識的深度學習。