培養學科核心素養 實踐化學建模教學

胡倩

摘 要：以高中化學核心概念之一的“鹽類水解”為例，基于模型教學的一般步驟（情境創設、模型建構、模型應用、模型修正、模型評估）的教學設計，旨在幫助學生提高綜合素養，培養化學思維，建立解決鹽類水解問題的模型.

關鍵詞：核心素養;鹽類的水解;化學建模;高中化學

中圖分類號：G632?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1008-0333（2022）06-0110-03

1 化學建模教學

建模教學是一種通過教學活動，利用證據推理和經驗來建構模型，借助圖畫、表格、符號、數據、文字表征具體過程，然后利用模型幫助學生解決實際問題，理解客觀事物的本質，提高認知發展水平，最終達到提升學生的化學思維，提高學生核心素養的目標.

化學建模教學就是將建模的思想融入到化學教學活動中，本文對化學建模教學的步驟進行了實踐探究.

2 化學建模教學的過程—以“鹽類的水解”為例

2.1 教材和學情分析

“鹽類的水解”選自高中化學人教版選修四模塊《化學反應原理》中的第三章第三節，之前學生已初步掌握了溶液酸堿性的判斷方法及其微觀實質，在教學設計中需要通過任務和實驗探究活動的設計，引導學生學會利用模型進行證據推理和模型認知，提高解決實際問題的能力.

2.2 設計思路

以模型構建為教學主線，通過情境創設、模型構建、模型應用、模型修正、模型評估的教學設計層層遞進，將小組合作、實驗探究、思考討論、總結歸納、模型構建等教學環節連貫起來，激發學生的主觀能動性，建立宏觀現象、微觀本質、符號表征之間的聯系，梳理概念和原理，構建模型認知，形成化學思維，內化“鹽類水解”這一核心概念，真正理解原理的本質，從而學會分析復雜的化學情景，解決實際問題.

2.3 教學過程

2.3.1 情境創設

[提出問題]日常生活中我們熟悉的“純堿”明明是“鹽”，可為什么叫“堿”呢？提出問題，引發學生思考討論.

[思考討論]學生提出可能因為純堿的水溶液呈堿性，小組討論驗證方法，提出可以用酸堿指示劑（例如酚酞）、pH試紙或者pH計測出純堿溶液的酸堿性.

[提出問題]請同學們復習回顧前面的知識，溶液呈酸堿性的實質是什么？

2.3.2 模型建構

任務一：鹽溶液的酸堿性如何判斷？

[提出問題]除了純堿Na2CO3以外的鹽，其溶液的酸堿性又如何？

[實驗探究]小組討論，設計實驗，用pH計分別檢測NaCl、Na2SO4、NH4Cl、（NH4）2SO4、CH3COONa、NaHCO3溶液的酸堿性.

[模型建構]建構“鹽的類型”模型，適用于快速判斷鹽溶液的酸堿性.有弱才水解，無弱不水解;誰強顯誰性，兩強顯中性.

任務二：鹽類水解的本質是什么？

[提出問題]為什么NH4Cl溶液呈酸性？思考NH4Cl溶液中存在哪些微粒？這些微粒之間能發生反應嗎？

[思考討論]NH4Cl是一種鹽，在水溶液中能完全電離出NH+4和Cl-，而溶液中的水自身還能電離出+和OH-，其中NH+4和OH-能結合生成弱電解質NH3·H2O，溶液中OH-的濃度減小，水的電離平衡向電離方向移動，離子濃度c（H+）>c（OH-），溶液呈酸性.

[提出問題] 如何將這個過程更加直觀的表現出來？

[學生板書]

[總結歸納]在水溶液中，鹽電離出來的“弱酸陰離子或弱堿陽離子”與水電離出來的+ 或OH-結合，生成弱電解質的反應，叫做鹽類的水解.鹽類的水解的實質是結合水電離出來的+或OH-，生成弱電解質，促進水的電離，使c（H+） ≠ c（OH-）.

[模型建構] 建構“鹽類水解的本質”模型，建立宏微結合的思想（如圖1所示）.圖1

[強化練習]請用模型分析NaCl、CH3COONa、CuCl2溶液的酸堿性.

[總結歸納]簡化分析過程，總結出鹽類水解方程式的書寫要求.

任務三：鹽類的水解強弱如何判斷？

[提出問題]同濃度的Na2CO3和CH3COONa溶液哪一個堿性更強？

[實驗探究]通過pH計直接測量同物質的量濃度兩溶液的pH.如何用理論解釋？

[思考討論]根據水解方程式表示出水解平衡常數，通過簡單的數學變形，查閱數據，可以分別計算出兩種鹽水解常數的大小，從而比較堿性的強弱.假設有一種強堿弱酸鹽MA，水解離子方程式為：A-+H2OHA+OH-，水解常數Kh =

c（HA）·c（OH-）c（A-）;弱酸HA的電離方程式為：HAA-+H+，電離常數Ka =c（A-）·c（H+）c（HA）;則Kh·Ka =

c（HA）·c（OH-）·c（A-）·c（H+）c（A-）·c（HA）=c（H+）·c（OH-）=Kw.因此，強堿弱酸鹽中弱酸陰離子所對應酸的酸性越大，Ka越大，鹽的Kh就越小，即鹽的水解程度就弱，堿性就弱.通過查閱數據可知，在25℃下，H2CO3的二級電離常數Ka2=4.7×10-11小于CH3COOH的電離常數Ka=1.8×10-5，因此，同物質的量濃度的Na2CO3溶液比CH3COONa溶液堿性更強.

[模型建構] 建構“鹽類的水解強弱判斷”模型，能夠水解的離子對應的酸（或堿）越弱，水解程度越大，鹽溶液的堿（或酸）性越強，即越弱越水解.

2.3.3 模型應用

任務四：弱酸的酸式鹽溶液都為堿性嗎？

[實驗探究]請分別用pH計測量出室溫下，同物質的量濃度的NaHCO3和NaHSO3的pH，學生們發現NaHCO3溶液呈堿性，NaHSO3溶液呈酸性，引發認知沖突.

[模型應用] ①判斷鹽的類型：NaHCO3和NaHSO3兩種鹽都為弱酸的酸式鹽，無法判斷溶液中+和OH-濃度的大小關系.②溶液種各微粒分析：例如NaHCO3溶液中所含有的微粒有Na+、HCO-3、H2CO3、CO2-3、H2O、H+和OH-，所以，不僅要考慮HCO-3離子的水解，還要考慮它的電離.③水解方程式：HCO-3+H2OH2CO3+OH- Kh1，HSO-3+H2OH2SO3 +OH- Kh2;電離方程式：HCO-3CO2-3+H+Ka1，HSO-3SO2-3+H+Ka2.④運用平衡常數表達式和查閱數據：在NaHCO3溶液中，Kh1>Ka1，HCO-3的水解程度大于電離程度，溶液中c（OH-）>c（H+），呈堿性;在NaHSO3溶液中，K a2>K h2，HSO-3的電離程度大于水解程度，溶液中c（H+）>c（OH-），呈酸性.

2.3.4 模型修正

任務五：弱酸弱堿鹽會水解嗎？溶液顯什么性？

[實驗探究]室溫下，用pH計測量一定物質的量濃度的CH3COONH4的pH，約為中性.

[模型應用]①判斷鹽的類型：CH3COONH4為弱酸弱堿鹽，無法判斷溶液中H+和OH-濃度的大小關系.②溶液種各微粒分析：CH3COONH4溶液中所含有的微粒有CH3COO-、NH+4、CH3COOH、NH3·H2O、H2O、H+和OH-，CH3COO-、NH+4兩種離子在溶液中都能水解.③用水解方程式表示：CH3COO-+H2OCH3COOH+OH- Kh1，NH+4+H2ONH3·H2O+H+ Kh2.④運用平衡常數表達式和查閱數據可知，25℃下，CH3COOH的電離常數Ka=1.8×10-5，NH3·H2O的電離常數Kb=1.8×10-5，通過計算可得Kh1=Kh2，即NH+4的水解程度和CH3COO-的水解程度幾乎相同，c（H+）=c（OH-），溶解接近中性.

[模型修正]建構解決鹽類水解問題的思維模型（如圖2所示）

圖2

2.3.5 模型評估

本文采用建模的教學方式對“鹽的水解”這一節課進行了教學設計，評價模型教學的效果需要借助一些評價手段：1.實驗班與對照班教學前后測試成績分析：選取兩個平行班，實驗之前先進行一次普通測試，用軟件SPSS-17.0處理數據，形成測前成績分析;然后，在實驗班進行一系列的模型教學實踐，在對照班則仍是傳統教學，一段時間后，再次測試，形成后測成績分析;最后，將兩次成績進行對比分析，得出結論.2.調查問卷分析：要求實驗班的同學填寫問卷，問卷以選擇題的形式，問題主要圍繞“模型教學”展開，旨在了解學生是否認為模型的應用對自己的能力有提高？哪些化學模型讓學生受益匪淺？3 結論與展望

建模教學有利于落實新課標的課程理念，培養學生的學科核心素養，提高學生的綜合素質、科學思維以及解決實際問題的能力.期待未來可以對化學建模教學的策略、學生學習化學建模等問題有更加深入和系統的研究.

參考文獻：

[1] 史凡，王磊.論國際化學教育研究熱點：模型與建模[J].全球教育展望，2019（5）：9.

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[3] 周穎.新課標下基于核心素養的高中化學教學設計研究[D].延安：延安大學，2019.

[責任編輯：季春陽]