促進化學學科理解的單元教學實踐

譚湘湘 何彩霞

摘要： 促進化學學科理解是發展學生學科核心素養的重要內容，其目的不僅是讓學生獲得對學科知識的理解，更為重要的是建構學科特有的思維方式和方法。以學科大概念為統領開展單元教學，以“離子反應”單元教學為例，以“電離”“離子反應”等概念的構建為載體，基于宏觀事實的觀察及其微觀原因的探析，引導學生形成由宏微結合到從微觀角度認識溶液中酸堿鹽的性質與反應的思維發展，提升解決實際問題的能力，促進化學學科理解。

關鍵詞： 化學學科理解； 學科大概念； 離子反應； 單元教學

文章編號： 1005-6629（2022）11-0049-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》［1］（以下簡稱“課標”）指出，“化學學科理解是指對化學學科知識和具有化學學科特質的思維方式方法的理解”，要求教師“應結合具體的化學教學內容的特點和學生的實際，引導學生開展分類與概括、證據與推理、模型與解釋、符號與表征等具有學科特質的學習活動”“有目的、有計劃地引導學生運用化學學科思維方式和方法學習化學知識，注重引導學生在化學知識結構化的自主建構中理解化學核心觀念”。從教學設計的角度看，以學科大概念為統領開展單元教學，引導學生在建構知識結構的基礎上，建立解決問題的思維方式和方法是促進學科理解的關鍵［2，3］。

離子反應作為重要的化學概念知識，是高中化學必修階段從微觀角度認識水溶液中物質及其變化的開端，承載著發展學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知等素養的重要功能，對發展學生的微觀認識，建構化學觀念，促進學科理解有重要價值。

然而，學生對于“離子反應”的認識和應用等往往產生較多問題，習慣于從宏觀角度分析問題，從微觀角度認識水溶液中物質的反應，存在一定困難［4］。究其原因，以往教學主要側重于知識的講解訓練，不利于學生理解知識，難以發展學生的思維能力。為此，本文依據以學科大概念為統領促進學生知識理解、思維發展和能力培養同步協調統一的化學教學主張［5］，以“離子反應”單元為例開展促進化學學科理解的單元教學實踐的探索。

1 學科大概念統領下的單元知識結構與認識思路

“電離與離子反應”屬于必修課程主題2“常見無機物及其應用”中的重要內容，新課標的要求［6］是：認識酸、堿、鹽等電解質在水溶液中或熔融狀態下能發生電離，通過實驗事實認識離子反應及其發生的條件，了解常見離子的檢驗方法。

從學科知識的角度看，物質的宏觀性質及變化是由其組成和結構決定的，受外界一定條件的影響。就常見的酸、堿、鹽的水溶液而言，溶液的宏觀性質是由溶液的組成、溶液中的微粒及微粒間相互作用所決定的，這是“物質的組成和結構決定其性質”這一學科大概念的具體體現。據此，梳理學科大概念統領下的“離子反應”單元知識層級結構（見圖1），可以厘清宏觀的現象（事實）、概念（電離、離子反應）與學科大概念之間的關系，將外在的物質的宏觀性質、反應的現象與物質內在的微觀實質進行關聯和分析，可以幫助學生弄清楚物質性質與反應的本質和規律，增進對學科知識的深刻理解。

從學科知識認識發展的功能看，“電離”“離子反應”概念揭示了電解質在水溶液中的變化及反應的微觀實質，其意義和價值在于提供了從微觀認識電解質水溶液的組成、性質及反應的新視角和新方法，這是“離子反應”單元教學的核心，即以“電離”“離子反應”概念的學習為載體，重在引導學生從微觀角度認識常見的酸、堿、鹽在水溶液中的變化及其微粒的存在形態，從宏觀現象深入微觀本質，發展學生從離子角度認識溶液中酸、堿、鹽的性質與反應，建立相應的認識思路并應用于解決實際問題。

2 促進化學學科理解的單元教學目標與教學流程

2.1 單元教學目標

（1） 探究NaCl在水溶液中和熔融狀態下的導電情況，依據實驗事實，繪制微觀示意圖并作解釋分析。結合酸、堿溶液可導電的實驗，讓學生自主建構電離概念，能用電離方程式表示單一物質（酸、堿、鹽）的電離，加深對物質分類的認識。可根據實驗證據，繪制微觀圖示，識別電導率圖，自主建構離子反應概念，能運用離子方程式表達兩種物質參與反應的過程，厘清物質性質與反應的本質和規律，增進學科知識的理解。

（2） 基于電離、離子反應重要概念的認識，從不同宏觀實驗現象到微觀示意圖，再到符號表達，建立“宏觀-微觀-符號”的關聯，從微觀角度認識常見酸、堿、鹽在水溶液中的變化及微粒的存在狀態，從復分解反應的條件及本質感受離子方程式承載的意義，逐步形成從離子角度認識溶液中酸、堿、鹽的性質及其反應的思路和方法，實現思維發展。

（3） 針對粗鹽精制的實際問題，經歷對粗鹽精制水溶液中單一、復雜離子除雜的分析過程，在教師引導下能夠思考并從微觀離子的角度設計物質轉化、分離、提純、檢驗等方案，建構水溶液中雜質離子去除的思維模型并加以應用。認識離子反應在實際生產中的重要作用，體會離子反應學習的重要性，了解侯氏制堿工藝等化學史實，有正確的價值判斷，愿意參與有關化學問題的社會實踐活動，實現能力情感培養。

2.2 單元教學流程

本單元教學共分為三個課時進行。

第1課時，創設生活情境。根據海島居民加入海水使LED燈發亮的現象，探究NaCl溶液能夠導電的原因，以及熔融狀態也可導電的宏觀現象，繪制微觀圖并解釋導電行為；結合HCl氣體、NaOH固體不導電，但溶于水后可導電的現象，建立起電離的概念，能使用化學符號即電離方程式表達酸、堿、鹽的電離過程；從電離的角度給酸、堿、鹽進行界定，并對化合物進行分類。

第2課時，創設實驗情境。通過氫氧化鋇分別與硫酸鈉、硫酸溶液反應出現白色沉淀的宏觀現象，繪制微觀圖，分析微粒變化。考慮水溶液中離子間的相互作用，建立離子反應概念，學習離子方程式的書寫方法，通過電導率的對比分析，理解離子反應的實質；通過碳酸鈣與鹽酸反應產生氣體等實驗現象，共同歸納離子反應發生的條件；從離子反應角度分析SO2-4+Ba2＋BaSO4↓所能代表的物質間的反應，體會離子反應的意義。

第3課時，創設生產情境。海水資源中得到的粗鹽一般含有多種可溶性雜質，情境設問“利用離子反應可做些什么”“如何利用單一、復雜水溶液的除雜問題進行粗鹽提純”，建構思維模型并予以應用。通過實驗探究雜質是否除盡等相關問題，認識離子的轉化、分離、提純、鑒定等在實際生產中的重要作用，深化對離子反應本質的認識，體會離子反應的重要性，并激發愛國情懷與信念。

單元整體教學流程計劃見圖2。

3 單元視角下的課時教學舉例

“離子反應”單元教學三個課時中，第1、 2課時重在從微觀視角認識水溶液中的物質及其離子反應，第3課時則聚焦于應用離子反應解決具體實際問題，讓所學知識轉化為化學學科理解，使學生形成在新的情境中分析、解決實際問題的能力，落實立德樹人的根本任務。選擇第3課時的教學實錄概要如下。

3.1 創設情境

［教師］介紹海水資源，重點談海水資源中的粗鹽。初中粗鹽中泥沙等難溶性雜質如何去除，說出主要的處理步驟。

［學生］過濾、蒸發。

［教師］粗鹽中還有多種可溶性雜質離子，利用我們所學的離子反應可以做些什么？

［學生］除雜、分離、提純、檢驗等。

設計意圖：通過海水資源創設情境，激發學生興趣，關注海水獲得的粗鹽與離子反應的關系，為后續的粗鹽精制做準備。

3.2 建構思維

［教師］粗鹽中可溶性雜質較多，SO2-4是其中一種，應該如何去除？小組討論并設計

除雜方案。

［學生1］加氯化鋇溶液，過濾。

［教師］為什么加氯化鋇溶液，加多少呢？

［學生1］鋇離子可以除去硫酸根，而且不引入新的雜質。但應該加適量。

［學生2］工業生產時難以做到適量控制，通常都是加過量。

［教師］確實存在這樣的實際情況，如果加過量會帶來什么新的問題，怎么辦？

［學生2］加過量碳酸鈉溶液，碳酸根除去多余的鋇離子，過濾，最后加鹽酸，氫離子除去碳酸根。

［共同小結］考慮到不同的試劑、用量、新引入雜質的去除等問題，建構簡單水溶液中去除雜質離子思維模型。

［教師］思路很好。美中不足的是：工業生產時應有一定的檢測機制。加入氯化鋇溶液過濾后，如何檢驗雜質離子是否除盡？請完整描述你的操作。

［學生］取過濾后的溶液，加氯化鋇溶液或硝酸鋇溶液或氫氧化鋇溶液，若沒有白色沉淀生成，則說明溶液中硫酸根已除盡。

［整理］實驗現象的操作描述，并整理微粒檢驗的一般思路。

設計意圖：簡單溶液體系中，對單個離子進行除雜。學生主動考慮試劑選擇、用量等問題，初步建構簡單水溶液中除雜的思維模型和微粒檢驗的一般思路。

3.3 應用思維

［教師］實際粗鹽中可溶性雜質較多，主要含Ca2+、 Mg2+、 SO2-4等，應該如何除雜？小組討論商議。

［學生1］先加過量氯化鋇溶液，鋇離子除去硫酸根離子，再加過量碳酸鈉溶液，碳酸根離子除去鈣離子和鎂離子以及過剩的鋇離子，過濾，最后加適量鹽酸，除去多余碳酸根離子。

［學生2］不對，根據課本溶解性表，應該用氫氧根離子除去鎂離子，沉降更徹底。所以在加入鹽酸前，加入過量的氫氧化鈉溶液。

［教師］點評學生已具備微觀粒子的角度思考問題，思路清晰，證據充分。

［學生3］直接加氫氧化鋇可以嗎？因鋇離子可以去除硫酸根，氫氧根離子又可以去除鎂離子，且不引入新的雜質，節省了步驟。

［學生4］不好，氫氧化鋇溶液要同時承擔兩個角色，很容易加過量，增加除雜的成本。

［教師］由文獻得知，從海水獲取的粗鹽中鎂離子的含量遠遠大于硫酸根離子，而氫氧化鋇溶液中鋇離子與氫氧根離子數量比為1∶2，導致完全沉淀硫酸根離子需要消耗更多的氫氧化鋇溶液，其成本比氯化鋇溶液高很多，且鋇離子是重金屬離子，過量會導致環境污染。

［整理］每一步所用試劑的順序和作用，讓學生分別用離子方程式表示。

［教師］播放某興趣小組的粗鹽精制實驗短視頻，仔細觀察與對照學生所預期的實驗步驟的出入情況？

［學生］最后未加鹽酸，每個步驟結束未檢驗。

［教師］大家觀察很仔細，視頻中依次加入了3種試劑并過濾，得到的溶液需要檢驗哪些離子呢？小組討論。

［學生］在此情境中，主要有Ca2+、 Mg2+、 SO2-4、 Ba2+、 CO2-3、 OH-等雜質離子。未加鹽酸前，CO2-3、 OH-離子過量，Ca2+、 Mg2+、 SO2-4、 Ba2+離子可以依次用試劑檢驗。

［教師］還有其他思考嗎？能否經過梳理分析，簡化操作？

［學生］3個陽離子與過量CO2-3、 OH-離子不可共存，均不用檢驗，只需檢驗SO2-4。

［教師］如果大家桌前放有上述視頻中過濾后的清液，如何檢驗雜質離子是否除盡？

［學生實驗］加入氯化鋇溶液后，發現有白色沉淀，說明有SO2-4。

［教師］還有不同意見嗎？白色沉淀一定是硫酸鋇嗎？如何進一步確認？請用實驗證據證明。

［學生］試管加入稀鹽酸，發現沉淀溶解，判定沒有SO2-4。

［補充］真的沒有SO2-4了嗎？今后學習沉淀轉化和鹽效應知識，答案會不同。根據最新文獻介紹的科學的除雜順序為：在粗鹽水中應先除去SO2-4，加過量氯化鋇溶液并過濾；氫氧化鈉和碳酸鈉溶液加入的順序無講究或者可同時加［7］。

［整理］復雜環境中SO2-4離子的檢驗方法。

［共同小結］總結完善試劑加入的順序，提煉出復雜水溶液中雜質離子去除的思維模型（見圖3）。

設計意圖：復雜溶液體系中，對粗鹽中存在的較多的雜質離子進行除雜。學生應用初建模型，主動考慮試劑、用量、順序、檢驗等問題，并對雜質離子是否除盡進行推理和實驗，使模型升級，形成復雜水溶液體系中如何除雜的新的思維模型。

3.4 拓展思維

［教師］離子反應不僅可以將可溶性雜質轉化為沉淀或氣體，實現物質的分離、提純、鑒定，還可以制備物質。介紹侯氏制堿法。

［學生］傾聽、感受、思考、記錄。

［小結］歷史上“侯氏制堿法”的發明是中國人的驕傲，這樣的事例還有很多。從貿易制裁到孟晚舟歸國，有一種色彩叫“中國紅”，今天我們見證“中國紅”，希望明天在座的我們可能參與其中，再續“中國紅”的輝煌！

設計意圖：通過侯氏制堿等化學史實的介紹，激發學生的愛國熱情及學習興趣，體會離子反應的重要性，增強社會責任感。

4 單元教學反思

通過教學實踐，包括課前課后的調研問卷對比、課堂觀察、課后作業反饋等，本單元教學目標的達成情況良好，總結有兩點主要體會：

第一，開展“宏微觀”視角的結構化單元教學，有助于發展學生微粒觀的思維方式，促進化學學科理解。以學生的認識為導向，發展學生從微觀角度認識溶液中的物質及其變化，將離子反應的學習、應用和學生的認識發展有機結合起來。基于生活常識和實驗事實，引導學生繪制微觀粒子示意圖，幫助學生建立“微粒觀”，圍繞核心概念展開教學活動。通過試管實驗，將“宏觀-微觀-符號”三重表征相結合，體會溶液中微粒間的變化和作用，總結離子方程式的書寫步驟。對比電導率圖的變化，強化證據推理能力，重視“微粒觀”的應用，形成從宏微觀角度分析解決實際問題的思路和方法，提升解決新情境下的實際問題的能力。引入侯氏制堿法，讓學生體會離子反應及其應用所帶來的愛國情懷和信念，踐行立德樹人的宗旨。

第二，注重問題情境的創設和認識思路的結構化與顯性化，有助于知識的自主遷移。

本次教學實踐中，選取的素材內容貼近生活實際，由海島居民加入海水實現LED燈發光，到海水中的離子反應實驗情境，再到海水中的粗鹽精制問題，始終關注真實的問題情境。利用離子反應解決生產實際問題，學生面對由簡單到復雜的任務，展開多次交流研討和梳理，先初步建立簡單水溶液單一雜質的除雜模型，而后通過復雜問題的推理實驗對模型進行應用，升級形成新的復雜水溶液

體系的多種雜質

除雜思維模型。此過程中學生逐步形成了外顯的思路方法，并能自主遷移解決其他的陌生問題。

參考文獻：

［1］ ［6］ 中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 74～76， 15.

［2］ ［5］ 何彩霞主編. 核心素養導向的化學教學探索［M］. 北京： 北京教育出版社， 2019： 8， 2～3.

［3］ 譚湘湘， 何彩霞. 基于“生活情境-實驗探究”促進學生認知創新——以“維生素C與健康生活”主題單元教學為例［J］. 化學教與學， 2021，（11）： 7～10.