基于促進學生化學學科關鍵能力發展的教學設計

張軍平 謝逢博 張碧柳

摘要：將PbI2貫穿在課堂教學的五個環節中，在對不同濃度KI、Pb（NO3）2溶液與上清液反應現象的分類探究中，落實了沉淀溶解平衡的建立、沉淀的溶解、沉淀的生成等基礎知識。在對試劑的選擇、實驗現象的預測和解釋的過程中，通過問題引導促進學生化學學科關鍵能力發展。

關鍵詞：PbI2;沉淀溶解平衡;關鍵能力

文章編號：1008-0546（2022）10-0046-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

《中國高考評價體系》中指出，為全面貫徹落實全國教育大會精神，2019年，教育部明確提出要立足全面發展育人目標，構建包括“核心價值、學科素養、關鍵能力、必備知識”在內的高考考查內容體系。[1]高考評價體系將關鍵能力的發展水平作為主要考查的內容，以區分學生綜合能力水平的高低，引導基礎教育對學生綜合能力的培養。

化學學科關鍵能力是學生在面對與化學學科相關的各類問題時，高質量地認識問題、分析問題、解決問題所必須具備的能力。關鍵能力是高水平人才適應時代要求并支撐其終身發展的能力，是培育正確的態度責任、發展核心素養所必須具備的重要基礎。高考評價體系的化學學科關鍵能力包括理解與辨析能力、分析與推測能力、歸納與論證能力、探究與創新能力。[2]

一、問題的提出

沉淀溶解平衡是人教版2020版普通高中教科書選擇性必修1《化學反應原理》第三章“水溶液中的離子反應與平衡”的最后一節，是繼化學平衡、電離平衡、水解平衡之后的又一平衡理論，是對平衡體系的拓展和完善，可以提高學生知識結構化水平。由于沉淀溶解平衡中離子濃度往往比較小，因此要求學生具備一定的微粒觀和平衡觀才能進行實驗探究。沉淀溶解平衡的建立、移動需要學生結合實驗現象定性分析，基于“宏觀辨識”進而“微觀探析”，所以教學過程中進行實驗探究就顯得尤為重要。[3]實際教學中本節內容包括難溶電解質沉淀溶解平衡的建立、沉淀的生成、沉淀的溶解和沉淀的轉化四部分內容，其中沉淀溶解平衡的建立是學生學習本節的重點和難點，也是老師們在課堂設計的過程中最為苦惱的一個環節。沉淀的溶解、沉淀的生成和沉淀的轉化在生產生活中應用廣泛，課堂教學中的素材較為豐富，學生能利用化學平衡、電離平衡、水解平衡的理論知識進行遷移。

普通高中化學課程標準（2017年版）在“水溶液的離子反應與平衡”中提出：在開展實驗探究活動中，注意實驗前的分析預測和實驗現象的分析解釋，對假設進行預測、實驗方案、實驗結論進行完整論證，發展學生“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”和“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養，培養系統思維能力。[4]

大多數老師在實際教學中對本節內容的處理方式，是通過宏觀現象初步建立沉淀溶解平衡模型，繼而通過Ksp的計算達到微觀探析的目的。楊梅[5]等在實驗操作中用同濃度同體積的AgNO3溶液和NaCl溶液反應，在實際操作過程中很難做到溶液濃度的絕對相等，課堂中老師驗證了溶液中Ag+的存在，卻沒有驗證Cl-的存在，因此存在Ag+過量的可能。杜博[6]等老師驗證了溶液中OH-的存在，卻忽視了Mg2+的驗證。同時上述老師都是通過Ksp的計算來進行微觀探析，忽視了利用平衡移動可以反映微觀粒子的行為。胡久華、郇樂[7]兩位老師與前幾位老師不同，他們通過AgNO3溶液與過量的NaCl溶液反應后滴加其他試劑出現沉淀顏色的宏觀變化，在設計和改進驅動性問題鏈的過程中來幫助學生構建沉淀溶解平衡模型和沉淀的轉化規律，但是缺乏定性到定量的學習過程。

綜上所述，在介紹沉淀溶解平衡具體內容的時候，老師們都重視溶解平衡的建立，但是有些實驗設計存在不確定性（如等濃度的溶液）;其次，有些老師設計時使用了多種物質的轉化，加重了學生學習新課時的負擔，不利于大多數學生在學習初期對沉淀溶解平衡的知識進行系統化和網絡化;最后，在實驗探究過程中缺乏實驗前的分析預測，往往都是直接對實驗現象進行分析，既缺乏讓學生結合自身理論分析預測實驗現象的過程，也沒有利用平衡移動反映微觀粒子的行為，不利于全面發展學生化學學科關鍵能力。

二、教學思想與創新點

本教學設計注重在學生已有平衡理論的基礎上進行實驗設計，通過開展實驗探究活動幫助學生建立沉淀溶解平衡的模型，繼而運用已有的平衡理論和Q與K的關系完成沉淀的生成、沉淀的溶解和沉淀的轉化三部分的學習。在進行教學設計之前，筆者對多種難溶物建立沉淀溶解平衡后的上清液進行離子檢驗，發現過量0.1mol·L-1NaCl與0.1mol·L-1AgNO3反應生成AgCl沉淀后，上清液即便用濃鹽酸也沒有明顯的現象，因此通過實驗無法驗證上清液中Ag+存在。過量0.1mol·L-1BaCl2和0.1mol·L-1Na2SO4反應生成BaSO4沉淀后，上清液即便用飽和BaCl2亦沒有明顯的實驗現象。PbI2常用于制作黃晶雨，晶體顏色與黃金相似，PbI2黃色鱗片狀沉淀便于觀察少量沉淀生成。故本文參考2019年魯科版教材以PbI2為素材進行設計，以2mL0.1mol·L-1Pb（NO3）2溶液與6mL0.1mol·L-1KI溶液混合后的溶液為載體，學生對3種不同濃度的Pb（NO3）2溶液、KI溶液與上清液的實驗現象進行預測和解釋。在教師的引導下，分類對上述上清液與試劑反應的現象進行分析解釋，通過理論預測——實驗驗證——結果分析——歸納提升——探究創新五個環節，逐步引導學生從宏觀辨識到微觀探析、定性到定量的角度認識沉淀溶解平衡，實現了課程標準中建議的通過假設進行預測、實驗方案、實驗結論進行完整論證的教學過程，從而達到全面發展學生學科關鍵能力的教學目的。Pb（NO3）2溶液與KI溶液的反應原理簡單，并且該反應貫穿在教學的五個環節中，利于學生在學習初期對沉淀溶解平衡的知識進行系統化和網絡化。

三、教學流程見圖1。

四、教學過程

1.實驗探究—理論預測

【投影】2mL0.1mol·L-1Pb（NO3）2溶液與6mL0.1mol·L-1KI溶液混合、靜置。

【學生實驗】有黃色沉淀產生。

【問題引導】問題1：通常我們所說的難溶物在水中是否完全不溶于水？

【學生】閱讀課本77頁和78頁可知，人們習慣上將溶解度小于0.01g的電解質稱為難溶電解質，難溶電解質溶解度很小，但在水中不是絕對不溶。例如，20℃時，PbI2的溶解度為7.1×10-9g。

【問題引導】問題2：生成PbI2沉淀的離子反應完成后，溶液中是否還有Pb2+和I-？

【學生】易溶電解質如NaCl，在飽和溶液中存在溶解和結晶的過程，雖然PbI2溶解度小，但是應該也會存在類似的溶解與結晶過程。

【教師】是的，結合難溶電解質的溶解度和易溶電解質飽和溶液的溶解與結晶過程，我們可以預測難溶電解質飽和溶液也存在溶解和沉淀的過程。

【教師追問】假設存在沉淀溶解平衡PbI2（s）Pb2+（aq）+2I-（aq），那么這個平衡會不會符合可逆反應“逆等動定變”的特點呢？有無平衡常數？

【學生】如果存在這個沉淀溶解平衡，那么它應該會符合可逆反應“逆等動定變”的特點，同時也存在平衡常數。

【教師追問】沉淀溶解平衡常數稱為溶度積常數，簡稱溶度積，符號為Ksp。同學們能否嘗試寫出該反應的溶度積公式？并思考這個平衡常數所代表的含義？

【學生】Ksp（PbI2）=c（Pb2+）·c2（I-），Ksp反映了該難溶電解質在水中的溶解能力，與難溶電解質的性質和溫度有關。

設計意圖：通過給出溶解度的數據引導學生結合自身已有易溶電解質的溶解與結晶的知識，在理論上預測難溶電解質存在溶解平衡。同時引導學生用化學平衡、電離平衡和鹽類水解平衡的知識遷移出沉淀溶解平衡的特點和平衡常數的含義。本環節利于發展學生提取關鍵內容并與有關知識進行整合，最終解答化學問題的理解與辨析能力。

2.實驗探究—實驗驗證

【投影】問題3：若PbI2存在溶解平衡，溶液中會存在Pb2+和I-，取少量4.1實驗的上清液（提前靜置一天），分別加入1mL表1中試劑后預測實驗現象，并進行實驗驗證。

【學生討論】①②③中有黃色沉淀產生，④⑤⑥中沒有黃色沉淀產生。

【學生實驗】①②③⑥中有黃色沉淀產生（見圖2），④⑤中沒有黃色沉淀產生。

【教師】問題4：①②③⑥中產生黃色沉淀，分別說明溶液中存在什么離子？這些現象能否證明沉淀溶解平衡的存在？

【學生討論】①②③中有黃色沉淀產生是因為反應開始時KI溶液過量，黃色沉淀證明溶液中存在大量I-;⑥中產生黃色沉淀證明溶液中存在Pb2+。在4.1實驗的上清液中同時存在I-和Pb2+，可以證明沉淀溶解平衡的存在。

設計意圖：通過對不同濃度Pb（NO3）2溶液和KI溶液與上清液的實驗現象預測，能夠發現學生認識水溶液中離子行為的角度。在對6組實驗現象的預測中發展學生基于對反應規律的認識，運用比較和分類等方法，預測物質性質或可能發生的反應及產物的分析與推測能力。在對①②③⑥黃色沉淀產生原因進行解釋的過程中，發展學生識別有效證據、科學推理論證、處理轉化數據和歸納總結的歸納與論證能力。

3.實驗探究—結果分析

【問題引導】問題5：④⑤⑥只有⑥中產生黃色沉淀，解釋上述實驗現象可以從什么角度分析？

【學生討論】④⑤⑥中的變量是KI溶液的濃度，影響沉淀溶解平衡的是I-濃度。結合化學平衡、電離平衡和鹽類水解平衡中濃度對平衡的影響，我們可以從Qc與Ksp的定量關系來考慮。

【問題引導】問題6：結合實驗現象，歸納出Qc與Ksp大小關系對沉淀溶解平衡平衡移動方向的影響。

【學生討論】④中QcK，生成黃色沉淀。

【教師】由此可見，沉淀溶解平衡中Qc與Ksp的關系對平衡的影響與化學平衡、電離平衡和鹽類水解平衡中Qc與Ksp的關系對平衡的影響是一致的。Qc>Ksp，平衡向沉淀方向移動，Qc=Ksp，沉淀溶解平衡，Qc

設計意圖：通過相同物質不同濃度的實驗探究，引導學生從定性轉入定量分析。學生在這個過程中會不自覺地運用濃度對平衡影響的思維模型，用Qc與Ksp的關系從定量的角度解釋④⑤⑥三組實驗中物質相同、濃度不同的實驗現象;并且總結出Qc與Ksp大小關系對平衡的影響，發展學生“證據推理和模型認知”的學科素養和歸納與論證能力。

4.實驗探究—歸納提升

【投影】PbI2（s）Pb2+（aq）+2I-（aq）

【問題引導】問題7：請設計實驗探究影響沉淀溶解平衡平衡移動的因素，并預測實驗現象、解釋實驗現象（見表2）。

【學生1】可以加水，加水后沉淀向溶解方向移動，因為Qc

【學生2】可以降溫，降溫后有沉淀生成。因為降溫后PbI2溶解度減小，K減小，所以Qc>K，有沉淀析出。

【學生3】影響平衡移動的因素有濃度、溫度。直接改變Pb2+或I-的濃度，可以改變Qc的大小;也可以升高或降低溫度改變K的大小。這些因素都會使沉淀溶解平衡發生相應的移動，具體的移動方向要通過Qc與Ksp的大小判斷。

【教師】大家在前面直接增加或減小Pb2+、I-的濃度的基礎上，還考慮到了影響平衡的其他因素，并作出了預測和相應的解釋，較為完整地總結出了影響沉淀溶解平衡的影響因素。

設計意圖：在學生學習了定性到定量的分析后，通過開放性的問題充分調動學生的知識儲備，使學生能將掌握的知識拓展到新的情境中。通過與學生一起對同學回答的評價和歸納，發展學生歸納與論證能力。

5.實驗探究—探究創新

【投影】問題8：請大家結合下表（見表3）的數據，預測將0.1mol·L-1Na2S溶液滴入4.1中實驗后的PbI2懸濁液的實驗現象，并解釋實驗現象。

【學生討論】滴入Na2S溶液，預測現象是有黑色沉淀生成，原因是PbS的Ksp遠小于PbI2。滴入Na2S后，Qc（PbS）大于Ksp（PbS），因此生成PbS沉淀。結合PbI2沉淀溶解平衡，由于Pb2+濃度減小，PbI2會向溶解方向進行，因此PbI2會逐漸轉化為PbS。

【學生實驗】0.1mol·L-1的Na2S溶液滴入PbI2懸濁液，有黑色沉淀產生（圖3）。

【教師】通過實驗我們知道沉淀可以發生轉化，同學們能不能總結一下沉淀轉化的一般規律？

【學生】一般來說，Ksp小的沉淀容易轉化為Ksp更小的沉淀。兩者的數值相差越大，轉化越容易。

【教師】是的，陰陽離子個數比相同的物質，我們也可以直接用Ksp來比較它們的溶解程度。因此，對于陰陽離子個數比相同的物質，溶解度小的物質易轉化為溶解度更小的物質。我們也可以通過計算沉淀轉化時化學方程式的平衡常數定量地理解這個規律。通過計算PbI2（s）+S2-（aq）PbS（s）+2I-（aq）反應的K值大小，也可以看出該反應向正向進行的難易。（提示：碘化鉛Ksp=7.1×10-9、硫化鉛Ksp=3.4×10-28）

設計意圖：通過給出PbI2、PbS溶解度的數據，要求學生能根據實驗操作和過程，結合數據分析實驗目的或預測實驗結果，發展學生探究與創新能力。

五、總結

本文較好地體現了新課標倡導的開展實驗研究，注意實驗前的分析預測和對實驗現象的分析解釋，對假設預測、實驗方案、實驗結論進行完整論證的理念。PbI2貫穿在課堂教學的五個環節中，通過在不同濃度KI或Pb（NO3）2溶液與上清液反應現象的分類探究中落實了沉淀溶解平衡模型的建立、沉淀的溶解、沉淀的生成等基礎知識。通過PbI2轉化為PbS的實驗現象，結合數據利用平衡理論的知識進行遷移得出沉淀的轉化規律。在情境不變的情況下，通過多角度、定性定量的探究過程，促進學生化學學科關鍵能力發展。

參考文獻

[1]教育部考試中心.中國高考評價體系（2019年版）[M].北京：人民教育出版社，2019.

[2]單旭峰.考查關鍵能力發展核心素養——2020年全國高考理綜化學試題分析[J].中學化學教學參考，2020（15）：1-4.

[3]丁浩.基于證據探究的“沉淀溶解平衡”教學研究[J].化學教與學，2020（2）：28-31.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：34-35.

[5]楊梅，胡尚生，袁廷新，張青楊.“沉淀溶解平衡”的單元整體教學設計[J].中學化學教學參考，2020（21）：20-24.

[6]杜博，沈子稚，肖艷.基于“證據推理”素養的沉淀溶解平衡教學設計——探究氫氧化鎂處理印染廢水的原理[J].化學教學，2021（6）：61-65.

[7]胡久華，郇樂.沉淀溶解平衡教學中驅動性問題鏈的設計與實踐[J].化學教育，2012，33（9）：55-59.