基于系統(tǒng)思維培養(yǎng)的“鹽類水解”內(nèi)容分析與教學(xué)建議

紀(jì)崧杰 盧姍姍 杜明成

摘要： 在界定鹽類水解系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，闡述系統(tǒng)思維的具體內(nèi)涵與水平，從復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和功能三方面解析鹽類水解系統(tǒng)。基于系統(tǒng)思維的識(shí)別系統(tǒng)組織、分析系統(tǒng)行為和建立系統(tǒng)模型三個(gè)維度進(jìn)一步闡釋教材內(nèi)容并提供若干教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞： 系統(tǒng)思維; 鹽類水解; 內(nèi)容分析; 教學(xué)建議

文章編號(hào)： 10056629（2022）07002805

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

鹽類水解是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）對(duì)鹽類水解內(nèi)容的教學(xué)建議是促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)水溶液中的平衡以此培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力[1]。該內(nèi)容蘊(yùn)含著培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維能力的價(jià)值，學(xué)生具備系統(tǒng)思維能夠更好地理解鹽類水解，從而克服學(xué)習(xí)困難。

1 系統(tǒng)與系統(tǒng)思維

“系統(tǒng)”，是系統(tǒng)科學(xué)中的基本概念。在自然辨證法中，系統(tǒng)是指由若干個(gè)相互聯(lián)系、相互作用的要素構(gòu)成的有機(jī)整體;而化學(xué)科學(xué)中常把以一定質(zhì)量和種類的物質(zhì)組成的整體看作系統(tǒng)[2]。例如，像溶液這類由一定質(zhì)量和種類的溶質(zhì)與溶劑構(gòu)成的均一、穩(wěn)定的混合物就是一種系統(tǒng)。對(duì)一個(gè)自然或人為的系統(tǒng)，Jaradat等人（2015）[3]認(rèn)為需要從三個(gè)方面進(jìn)行研究： （1）從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，系統(tǒng)具有復(fù)雜性、相互聯(lián)系性、整合性和模糊性;（2）從系統(tǒng)的行為來看，系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性和發(fā)展性;（3）從系統(tǒng)的功能來看，系統(tǒng)具有不確定性和非預(yù)期性。一個(gè)系統(tǒng)之所以被認(rèn)為是復(fù)雜的，也是由這三個(gè)方面引起的[4]。

系統(tǒng)思維與系統(tǒng)之間則是思維方式和思維對(duì)象的關(guān)系。系統(tǒng)思維的起源可以追溯到為解決復(fù)雜問題而產(chǎn)生的系統(tǒng)理論，雖然在學(xué)術(shù)界沒有統(tǒng)一的定義，但在發(fā)展過程中逐漸被生物學(xué)、教育學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)等諸多學(xué)科接受，產(chǎn)生了不同的內(nèi)涵。從哲學(xué)的視角來看，系統(tǒng)思維是一套可以用來整理思想的概念框架，能夠讓個(gè)體將所研究的對(duì)象看作系統(tǒng)，既考察對(duì)象的整體性，又注重把握系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的互動(dòng)關(guān)系，進(jìn)而形成系統(tǒng)化的思維成果[5]。從心理學(xué)相關(guān)研究看，系統(tǒng)思維作為一種高階思維能力，使個(gè)體在思考過程中關(guān)注不同要素之間的關(guān)系，隨后將各要素整合成一個(gè)整體來研究，與個(gè)體心智模型的發(fā)展、思維過程與問題解決過程都存在聯(lián)系[6]。

在科學(xué)教育領(lǐng)域，Mambrey等人（2020）[7]總結(jié)學(xué)生的系統(tǒng)思維包括三個(gè)方面： （1）識(shí)別系統(tǒng)組織及結(jié)構(gòu);（2）分析系統(tǒng)行為;（3）建立系統(tǒng)模型。這一內(nèi)涵也在化學(xué)教育領(lǐng)域得以發(fā)展和應(yīng)用[8]。首先，識(shí)別系統(tǒng)組織及結(jié)構(gòu)。識(shí)別是對(duì)系統(tǒng)中要素的準(zhǔn)確把握和區(qū)分，應(yīng)能準(zhǔn)確判斷和知道復(fù)雜系統(tǒng)中的要素，具體表現(xiàn)為能夠確定系統(tǒng)中的要素，能夠知道要素在系統(tǒng)中的地位，能夠理解系統(tǒng)中的隱藏要素;其次，分析系統(tǒng)行為。分析是將系統(tǒng)中的要素拆分后，找出要素的本質(zhì)屬性以及彼此之間的關(guān)系，具體表現(xiàn)為能夠明確哪些要素之間會(huì)發(fā)生關(guān)系，哪些要素之間不會(huì)發(fā)生關(guān)系，能夠分析系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)關(guān)系，理解系統(tǒng)循環(huán)及發(fā)展的本質(zhì);最后，建立系統(tǒng)模型。模型有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的功能和對(duì)系統(tǒng)達(dá)到整體性的認(rèn)識(shí)。當(dāng)學(xué)生面臨新的問題情境時(shí)，對(duì)系統(tǒng)建立的模型則具有認(rèn)知功能，幫助學(xué)生形成分析問題和解決問題的整體思路。

2 鹽類水解的內(nèi)容分析

根據(jù)以上對(duì)系統(tǒng)的定義，鹽類水解是鹽和水組成的系統(tǒng)整體表現(xiàn)出的一種特性，屬于水溶液體系中的一種。將鹽類水解看作系統(tǒng)，按照上述Jaradat等人的分析標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為和功能所涉及到的課程內(nèi)容進(jìn)行分析。整體結(jié)果如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)： 涉及多種微粒及相互作用

從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)來看，鹽類水解系統(tǒng)涉及到弱電解質(zhì)的電離和水的電離兩個(gè)子系統(tǒng)，原理是鹽電離產(chǎn)生的弱酸酸根離子或弱堿陽離子對(duì)水的電離平衡的影響，涉及到多種類型的微粒（要素）以及微粒（要素）之間不同形式的相互關(guān)系。具體來說：

（1） 系統(tǒng)的要素是復(fù)雜的。從水溶液體系來看，包括溶質(zhì)（鹽）和溶劑（水）。鹽包含四類，不同類型的鹽電離出來的離子又具有不同的性質(zhì)，例如強(qiáng)堿弱酸鹽電離產(chǎn)生弱酸酸根離子（如CH3COO-）和強(qiáng)堿陽離子（如Na+）。分子包括弱電解質(zhì)分子（例如CH3COOH、 NH3·H2O和H2O）。如果從多元酸或者堿的角度看，離子變得更加復(fù)雜，例如二元弱酸酸根CO2-3，在水解過程中還會(huì)生成HCO-3。

（2） 微粒間的相互聯(lián)系是復(fù)雜的。包括溶劑對(duì)溶質(zhì)的作用，例如水分子對(duì)構(gòu)成鹽的離子作用發(fā)生鹽的溶解和電離，水分子對(duì)弱電解質(zhì)的分子作用發(fā)生弱電解質(zhì)電離;又包括溶質(zhì)與溶質(zhì)的作用，例如兩種及兩種以上鹽溶液的離子間發(fā)生離子反應(yīng);還包括溶質(zhì)對(duì)溶劑的相互作用，例如弱電解質(zhì)離子對(duì)水分子作用發(fā)生水解;另外，水分子與水分子之間相互作用也存在電離平衡。

（3） 結(jié)構(gòu)具有整合性。需要對(duì)溶液中微粒及存在數(shù)量、存在狀態(tài)進(jìn)行整體把握。鹽類水解是水的電離平衡、弱電解質(zhì)的電離平衡、溶解平衡等各種情況的綜合體現(xiàn)。涉及到電荷守恒、物料守恒和質(zhì)子守恒等關(guān)系。

（4） 結(jié)構(gòu)具有模糊性。由于鹽類水解反應(yīng)的程度非常微小，有些微粒在溶液中存在的量非常少，在處理復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)候可以忽略不計(jì)，但是不代表這些微粒不存在，至于在什么情況下將這些微粒忽略不計(jì)是模糊的。

2.2 系統(tǒng)的行為： 涉及多種理論加以解釋

從復(fù)雜系統(tǒng)的行為來看，在鹽類水解系統(tǒng)中兩種弱電解質(zhì)（水和弱酸或弱堿）的電離平衡競爭溶液中的H+或OH-，改變條件（例如溫度、濃度、酸堿性等）會(huì)影響兩種電離平衡狀態(tài)，從而產(chǎn)生不同的水解結(jié)果。具體來說：

（1） 系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性。鹽類水解系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)屬性是各種平衡狀態(tài)的集合，這種平衡屬于動(dòng)態(tài)平衡。平衡狀態(tài)下，系統(tǒng)中發(fā)生的水解反應(yīng)正、逆反應(yīng)速率相等，各微粒的濃度不再發(fā)生變化。但溶液中各微粒間的動(dòng)態(tài)關(guān)系依然存在并始終發(fā)生著微粒間的相互作用。對(duì)鹽類水解動(dòng)態(tài)平衡的把握和解釋需要綜合用到酸堿電離理論、化學(xué)平衡理論等。

（2） 系統(tǒng)具有發(fā)展性。系統(tǒng)在發(fā)展過程中具有復(fù)雜性，具體體現(xiàn)在改變不同的條件對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢的影響是不同的，于是形成了各種原理和規(guī)律。例如，鹽的濃度越大，水解程度越小;溫度越高，水解程度越大。這種發(fā)展趨勢可以用鹽類水解的規(guī)律來把握，例如“無弱不水解，有弱才水解”“越弱越水解，都弱都水解”以及水解平衡常數(shù)Kh。

2.3 系統(tǒng)的功能： 涉及多種視角解決問題

從復(fù)雜系統(tǒng)的功能來看，鹽類水解系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用，例如凈水、工業(yè)除雜、人體內(nèi)的酸堿平衡等。這些應(yīng)用與鹽類水解反應(yīng)的基本特征和反應(yīng)結(jié)果相關(guān)。從能量變化和物質(zhì)變化的角度看，鹽類水解反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)程度很小且反應(yīng)速率很快。由于弱酸酸根（弱堿陽離子）對(duì)應(yīng)的弱酸（弱堿）酸（堿）性不同，這就使不同的鹽類水解反應(yīng)對(duì)溶液酸堿性的改變程度不同，反應(yīng)結(jié)果存在差異。此外，在多種離子共存的溶液中，離子之間的水解程度和水解順序也不同。這些性質(zhì)在應(yīng)用于生產(chǎn)、生活實(shí)際的過程中會(huì)使系統(tǒng)受到情境的影響。

（1） 系統(tǒng)具有不確定性。在不同情境下，系統(tǒng)有著不確定的內(nèi)容，會(huì)影響個(gè)體對(duì)系統(tǒng)功能和相互關(guān)系的理解。例如，學(xué)生若不知道人體血液中存在著H2CO3NaHCO3等體系，便無法進(jìn)一步理解人體中緩沖溶液系統(tǒng)具有的行為和相互關(guān)系。

（2） 系統(tǒng)具有非預(yù)期性。由于系統(tǒng)本身的復(fù)雜性、相互聯(lián)系性和模糊性等屬性，導(dǎo)致系統(tǒng)中有些結(jié)果很難預(yù)料到，或者與自己預(yù)期的結(jié)果不同。鹽類水解系統(tǒng)的非預(yù)期性著重體現(xiàn)在對(duì)不同情境中鹽溶液的分析上。例如，學(xué)生在判斷陌生的酸式鹽溶液的酸堿性時(shí)，需要分析具體的鹽溶液中酸式鹽酸根離子電離程度和水解程度的相對(duì)大小才能夠作出判斷，無法直接根據(jù)鹽類水解的規(guī)律預(yù)測溶液的酸堿性。不同的酸式鹽酸根離子電離程度與水解程度不同，如HSO-3的電離程度大于水解程度，而HCO-3的水解程度大于電離程度。

鹽類水解系統(tǒng)在與生產(chǎn)、生活實(shí)際相結(jié)合后更具不確定性和非預(yù)期性。因此，從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度來看，則需要利用系統(tǒng)思維分析不同情境中的電解質(zhì)溶液，利用鹽類水解相關(guān)知識(shí)開展更高水平的遷移創(chuàng)新活動(dòng)。

3 鹽類水解的教學(xué)建議

學(xué)生系統(tǒng)思維的發(fā)展需要課程內(nèi)容的輸入和學(xué)習(xí)活動(dòng)的參與。課程標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容要求是學(xué)生預(yù)期要學(xué)習(xí)的主題內(nèi)容，學(xué)業(yè)要求代表著學(xué)生學(xué)習(xí)完主題內(nèi)容后應(yīng)該具有的素養(yǎng)發(fā)展表現(xiàn)。內(nèi)容要求與學(xué)業(yè)要求二者之間具有“輸入”和“輸出”的承接關(guān)系[9]。從學(xué)習(xí)內(nèi)容的“輸入”到“輸出”，隱含著學(xué)生系統(tǒng)思維能力的發(fā)展和提升。基于學(xué)生系統(tǒng)思維的培養(yǎng)，開展鹽類水解的教學(xué)，提出以下幾點(diǎn)建議。

3.1 引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)確識(shí)別微粒的特性，理解鹽類水解原理

（1） 全面識(shí)別系統(tǒng)中的要素。這一點(diǎn)是認(rèn)識(shí)鹽類水解首要的并且非常關(guān)鍵的一步。根據(jù)已有對(duì)學(xué)生鹽類水解的學(xué)習(xí)困難分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)常會(huì)忽視H+、 OH-、 H2O三類要素。一個(gè)原因是由于H+、 OH-在水溶液的數(shù)量很少，學(xué)生對(duì)少量的微粒缺乏重視;另一個(gè)原因是學(xué)生從初中溶液的學(xué)習(xí)過程中就經(jīng)常性地忽視水分子在系統(tǒng)中的作用。而理解鹽類水解反應(yīng)的關(guān)鍵，恰好是在學(xué)生容易忽視的三種微粒上。在教學(xué)中可以讓學(xué)生以不同鹽溶液的酸堿性為基礎(chǔ)，利用宏觀水平上溶液pH的差異認(rèn)識(shí)到溶液中H+、 OH-和H2O的存在。初步根據(jù)溶液酸堿性差異分析溶液中存在的微粒和預(yù)測微粒間可能發(fā)生的相互作用。

（2） 區(qū)別不同微粒的特征及相互之間的關(guān)系。鹽溶液中的微粒，并不是全部參與水解反應(yīng)，學(xué)生在全面識(shí)別系統(tǒng)要素的基礎(chǔ)上，還要準(zhǔn)確把握不同微粒的特征，并且能夠識(shí)別出發(fā)生水解的關(guān)鍵微粒。在以往的教學(xué)中，通常以CH3COONa和NH4Cl溶液為例，直接告知或者通過啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生得出發(fā)生反應(yīng)的微粒是CH3COO-和NH+4。但從培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維的視角來看，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生首先對(duì)不同微粒的特征進(jìn)行分析，例如對(duì)Na+的分析，它是帶有一個(gè)正電荷的陽離子，在水溶液中不與其他微粒結(jié)合形成分子或者沉淀;CH3COO-是帶有一個(gè)負(fù)電荷的陰離子，對(duì)應(yīng)的酸為弱電解質(zhì)，能在溶液中與H+結(jié)合建立動(dòng)態(tài)平衡。從而識(shí)別并明確微粒間的電離平衡、水解平衡和離子反應(yīng)等關(guān)系，依據(jù)這些關(guān)系理解溶液中哪些微粒參與水解反應(yīng)，哪些微粒不參與水解反應(yīng)，并從微觀層面認(rèn)識(shí)水解反應(yīng)的最終結(jié)果是H+和OH-濃度的關(guān)系發(fā)生了變化。

（3） 認(rèn)識(shí)到鹽溶液體系中包含隱藏的維度。第一，在中學(xué)化學(xué)階段，鹽類水解相關(guān)內(nèi)容是根據(jù)電離理論的框架來解釋的。鹽類水解系統(tǒng)中所發(fā)生的真實(shí)情況也不一定與教材中的描述完全一致。例如，酸堿質(zhì)子理論則認(rèn)為H+以水合離子的形式存在。第二，不同類型的鹽溶液具有不同的結(jié)構(gòu)和關(guān)系。由于多元弱酸酸根和多元弱堿陽離子的水解反應(yīng)較為復(fù)雜，教材內(nèi)容僅要求學(xué)生了解其分步水解的特點(diǎn)，能夠利用化學(xué)符號(hào)描述此類鹽溶液中發(fā)生的水解反應(yīng)，對(duì)于分步水解的具體過程并不細(xì)究。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)態(tài)分析系統(tǒng)的行為，理解鹽類水解的影響因素

系統(tǒng)是存在于一定條件下的狀態(tài)，條件越多系統(tǒng)的行為就越復(fù)雜。鹽類水解系統(tǒng)是特定的鹽在一定的溫度、濃度、酸堿性等條件下達(dá)到平衡的綜合狀態(tài)。當(dāng)外在條件發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)的行為就會(huì)改變，發(fā)展成為新條件下達(dá)到平衡的一種綜合狀態(tài)。

（1） 綜合利用各種理論解釋系統(tǒng)的行為。利用系統(tǒng)思維去認(rèn)識(shí)鹽類水解系統(tǒng)的行為，需要借助化學(xué)理論和原理去分析、解釋鹽類水解的行為，具體包括化學(xué)平衡理論、電離理論、弱電解質(zhì)的電離、水解規(guī)律等，學(xué)生能夠理解鹽溶液體系中各種微粒的動(dòng)態(tài)性，以及這些微粒之間最終達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài);學(xué)生能夠分析出微粒之間相互作用的直接結(jié)果和間接結(jié)果，總結(jié)鹽類水解反應(yīng)的一些規(guī)律;學(xué)生能夠理解鹽溶液體系循環(huán)及發(fā)展的本質(zhì)，從而認(rèn)識(shí)和分析不同條件對(duì)鹽類水解程度的影響。

（2） 認(rèn)識(shí)到不同影響因素產(chǎn)生不同的變化規(guī)律。從系統(tǒng)思維的視角，影響鹽溶液體系的因素是多方面的，既包括內(nèi)在因素（鹽本身的性質(zhì)），也包含外在因素（溫度、濃度等）。內(nèi)外因素作用于鹽溶液體系時(shí)，都會(huì)影響鹽類水解的水解程度，使系統(tǒng)產(chǎn)生不同的行為。在教學(xué)過程中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到弱酸酸性和弱堿堿性對(duì)水解程度的影響，從動(dòng)態(tài)平衡的視角理解鹽類水解反應(yīng)，理解鹽本身的性質(zhì)對(duì)水解程度的影響和水解反應(yīng)規(guī)律。借助水解平衡常數(shù)Kh與Kw、 Ka的關(guān)系，從定性和定量兩個(gè)角度理解鹽本身的性質(zhì)對(duì)水解程度的影響。此外，溫度、濃度和溶液酸堿性對(duì)鹽類水解系統(tǒng)的影響需要運(yùn)用化學(xué)平衡原理進(jìn)行解釋。認(rèn)識(shí)溫度、濃度與外加酸堿三種外部因素能夠使水解平衡發(fā)生移動(dòng)，影響鹽類水解的程度。學(xué)生借助化學(xué)平衡理論，從能量變化和反應(yīng)限度兩個(gè)角度解釋水解平衡的移動(dòng)，不僅能認(rèn)識(shí)鹽類水解反應(yīng)吸熱、可逆的特征，同時(shí)能夠理解鹽溶液體系的動(dòng)態(tài)性和循環(huán)及發(fā)展的本質(zhì)[10]。

（3） 具體分析各種影響因素對(duì)系統(tǒng)行為的影響。運(yùn)用系統(tǒng)思維分析系統(tǒng)行為還需考慮復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的相互關(guān)系變化情況。不同影響因素對(duì)鹽溶液體系中各個(gè)平衡的影響程度是不同的。例如，在Na2CO3溶液中存在CO2-3、 HCO-3的水解平衡和HCO-3、 H2O的電離平衡。其中，HCO-3的水解平衡和電離平衡進(jìn)行程度很小，可忽略不計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，溶液中H2O的電離平衡正向移動(dòng)程度大于CO2-3的水解平衡正向移動(dòng)程度，最終導(dǎo)致溶液的pH減小而非增大。

因此，在教學(xué)過程中需引導(dǎo)學(xué)生在理解鹽溶液體系動(dòng)態(tài)性和發(fā)展性的基礎(chǔ)上具體分析內(nèi)外因素對(duì)溶液中水解平衡和電離平衡的影響，明確溶液中各個(gè)平衡移動(dòng)的相對(duì)大小，進(jìn)而理解系統(tǒng)行為的變化。

3.3 引導(dǎo)學(xué)生逐步建立系統(tǒng)的模型，分析和解決生產(chǎn)生活實(shí)際問題

鹽類水解的應(yīng)用與系統(tǒng)思維中系統(tǒng)模型的建立密切相關(guān)。學(xué)生在新情境中面對(duì)的復(fù)雜系統(tǒng)既包含學(xué)科知識(shí)又包含其他要素。學(xué)生若沒有掌握有關(guān)分析鹽類水解復(fù)雜系統(tǒng)的模型，則很難建立起鹽類水解知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系以及理解新情境中復(fù)雜系統(tǒng)的因果關(guān)系。

在具體教學(xué)中，逐步啟發(fā)學(xué)生從分析溶液的組成和相互作用的角度認(rèn)識(shí)鹽溶液體系，綜合運(yùn)用電離、鹽類的水解和離子反應(yīng)等核心概念，掌握并外顯分析復(fù)雜溶液體系的一般思路。之后，學(xué)生以制備膠體、凈水和除污為目的開展實(shí)驗(yàn)探究，認(rèn)識(shí)鹽類水解的應(yīng)用，體會(huì)模型在不同的情境要素中發(fā)揮的作用可能是不同的。在面對(duì)生產(chǎn)、生活中與電解質(zhì)溶液相關(guān)的問題時(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)新情境中的鹽溶液體系或系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析和預(yù)測。

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