“離子反應”單元教學中的證據推理與模型認知

李子容

【摘要】證據推理與模型認知是化學學科核心素養的重要環節，在化學核心素養形成中具有相互聯系的樞紐作用。以“離子反應”單元教學為例，提供高中化學單元教學中怎樣進行認知建模與模型認知的具體策略與方法，通過教學實踐展示認知模型在描述、解釋、判斷和預測等方面的強大功能，且可以推廣到其他知識的單元教學設計之中，系統地培養學生的模型思維素養。

【關鍵詞】高中化學;核心素養;證據推理;模型認知;離子反應

證據推理與模型認知是化學學科核心素養的重要內容?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》提出的基本要求包括：知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。并將化學學科核心素養劃分為4個水平層次。

一、離子反應單元認知模型的建立

“離子反應”是化學必修（第一冊）中最重要的基礎知識單元教學之一，它的建構對后續知識的教學具有系統性和全局性的影響?！半x子反應”單元教學包含電解質及其電離和離子反應等重要基本概念。所以“離子反應”單元認知模型可以概括為一個包含3個要素的關聯系統：①電解質模型; ②電離模型;③離子反應模型。這3個模型相互作用共同構成“離子反應系統模型”。

電解質溶于水電離成為自由移動的離子，因此電解質在溶液中的化學反應一定與離子有關，故離子參加的化學反應，當然就是離子反應。我們知道化學反應就是化學變化，而化學變化就是生成新物質的變化，該變化同時常常能夠直接或間接地觀察出來，如溫度變化、顏色改變、生成沉淀、沉淀溶解、生成氣體或生成水等等。這些現象曾經被廣泛說成復分解反應發生的條件，而從模型思維看來卻是電解質溶液中發生了離子反應的結果。

二、模型認知的離子反應探究教學

（一）電解質電離的證據推理與模型認知

1.依據認知模型的實驗探究

為了讓學生充分認識電解質及其電離的概念與本質特征，教學中依據電解質認知模型設計探究實驗，進行證據推理與模型認知訓練。分別測定幾種常見化合物：蒸餾水、NaCl、KNO3、蔗糖在干燥固體和水溶液狀態下的導電性，并隨時記錄實驗現象。然后引導分析歸納：以上化合物在水溶液中通電時能夠使燈泡發光和電流計指針偏轉的NaCl和KNO3是電解質;蔗糖不是電解質。引導學生預測：①將NaCl、KNO3、蔗糖固體加熱熔化后的導電情況;②用蒸餾水做導電性實驗，具有什么特殊意義？水是否是電解質？

2.依據認知模型的動畫設計

如何引導學生透過宏觀現象探析微觀世界？動畫演示無疑是一種很好的途徑和方法。在以上導電性實驗后，筆者立刻進行動畫演示，讓學生體驗電解質在水溶液中、熔融狀態下的離子運動及導電的原理，并讓學生跟著繪圖。結合動畫演示，引導學生思考一個日常生活問題：為什么在拔下電源插頭時，要將手上的水擦干？

3.電離的符號表征——電離方程式

結合NaCl電離動畫圖的演示，用化學式和離子符號表示NaCl的電離過程：NaCl=Na++ Cl-。然后以此為參考點進行推廣，按由簡到繁的認識順序，分別寫出NaOH和H2SO4的電離方程式。從而實現了電解質電離微觀過程的化學符號表征。

（二）離子反應中的證據推理與模型認知

1.依據認知模型的實驗探究

為了讓學生充分認識常見電解質在水溶液中發生復分解型離子反應的本質，筆者以離子反應認知模型思維為依據，設計了4組實驗引導學生進行證據推理。探究實驗過程記錄與初步結論列表1。

然后，依據電解質認知模型系統，引導學生分析各組溶液混合后的現象。實驗①②③出現了新現象，必然發生了化學反應。因為反應物都是電解質，電解質必然電離，故電解質之間的化學反應就是離子反應。引導學生運用認知模型思考一個重要問題：離子反應發生的標志是什么？

2.依據認知模型的動畫設計

以BaCl2和Na2SO4溶液混合的離子反應為例。學生在初中已經學過靜電作用原理，根據靜電作用原理進行異性電荷離子間的排列組合，可將自由移動離子Ba2+、2Cl-、2Na+、SO42-分為相互吸引的4組。據此制作離子相互碰撞的動畫演示，這4組離子中只有一組離子碰撞后生成沉淀。通過基于認知模型的離子反應動畫演示，順利幫助學生認識兩種 電解質溶液混合

后離子間的行為過程，讓學生生動、形象、充分地理解離子反應的本質。如圖1所示。

3.離子反應的表征——離子方程式

結合剛才的離子反應動畫演示，引導學生使用化學式和離子符號表示BaSO4沉淀的生成過程：Ba2++SO42-=BaSO4，類似這樣的離子反應的符號表征叫做離子方程式。

（三）模型認知下離子反應方程式的書寫——條件反

射法

仍然以BaCl2溶液和Na2SO4溶液混合后的反應為例。

通過電解質系統模型的認知學習過程，使“生成新物質”這個刺激與“離子反應”之間建立起一種緊密的聯系。即不同電解質溶液混合時，一旦出現新的實驗現象，必有新的物質生成，必有對應的離子反應發生。條件反應法的應用程序為：看見有新物質生成→有離子反應發生→書寫離子方程式。例如：BaCl2和Na2SO4溶液相互混合后，看到有BaSO4沉淀生成，通過條件反射立即想到發生了離子反應，BaSO4沉淀的對應離子是Ba2+和SO42-，立刻寫出離子方程式：Ba2++SO42-=BaSO4↓。運用條件反射法書寫離子反應方程式，可以直接從反應現象入手，簡化離子方程式的寫法，直擊離子反應的本質。教學中引導學生記住常見的“幾種難溶物”（參考普通高中教科書“附錄Ⅳ），一旦看到對應的離子組，立即聯想到可發生離子反應，即可直接寫出離子方程式。從而省略了通過書寫化學方程式再進行刪除的許多麻煩。

“條件反射法”不僅僅適合于沉淀型離子反應。如HCl和Na2CO3溶液的反應，首先觀察到產生大量氣泡現象，立刻聯想到這里只有H+與CO32-之間發生反應才能生成CO2氣體，于是寫出離子方程式：2H++CO32-=H2O+CO2↑。又如，常常遇到同一溶液中多種離子能否共存的問題，都可以運用“條件反射法”做出科學、準確和快捷的判斷。

三、引導體驗認知模型的預測功能

（一）依據離子反應系統模型進行預測訓練

通過證據推理與模型認知的基本訓練，現在引導學生依據認知模型進行預測與判斷（證據推理）的總結性練習，進一步內化模型認知核心素養。

（1）實驗表明HCl、H2SO4、NaOH、Ca（OH）2、NaCl、KNO3等化合物的水溶液都可以導電。請運用相關模型預測其中蘊含哪些規律？（提示：這些化合物都屬于哪類物質？根據電離出的陰、陽離子的特點，這些化合物又可以分成幾類？從中可以得到什么規律？）

（2）運用相關模型預測，影響電解質溶液導電的因素有哪些？引導學生的過程中可以適當的給出一些數據證明預測，見表2。

（3）有人認為強酸電離出來的H+與強堿電離出來的OH-反應生成水：H++OH-=H2O，是中和反應的實質。請設計實驗進行分析推理，證實或證偽這個假設。

（二）依據離子反應系統模型預測應用前景

構建了離子反應系統模型之后，為了讓學生增強知識應用能力，增強學生分析問題以及解釋能力，深刻體會離子反應在生活生產中的重要意義。筆者給出以下的實例：定期去除鍋爐水垢 （主要成分是CaSO4），可以節約能源和消除安全隱患。處理方法是首先加入Na2CO3溶液，使鍋爐水垢完全轉化為CaCO3;然后再加入鹽酸清洗。引導學生將離子反應系統模型拓展至應用領域：離子反應在物質的制備、分離、提純和鑒定等方面均有非常廣泛的應用。另外在環境保護領域如消除水污染方面，離子反應也不可缺少。例如上述的“條件反射法”不僅可以幫助快速書寫離子方程式，而且有助于學生快速掌握離子檢驗和分離提純的方法。

總之，化學教學實踐中對模型認知與證據推理等化學核心素養觀進行有機、主動的滲透，就猶如春風化雨，潤物無聲。

參考文獻：

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