以探究實驗啟蒙平衡觀的教學實踐

張靈麗

摘要：在初中溶解和結晶的教學中，以問題情境引入，讓學生親自參與、設計實驗探究活動，對學生進行平衡觀的啟蒙教學，使學生初步建立平衡觀;通過晶體制作的拓展實驗，實現動態平衡的可視化，使學生從根本上理解溶解和結晶的實質，為后續化學平衡的學習做鋪墊和銜接。

關鍵詞：平衡觀;啟蒙;實驗探究;問題驅動;溶解和結晶

文章編號：1008-0546（2022）07-0035-05中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.009

一、教學主題內容及教學現狀分析

1.教學主題內容

初中化學滬教版第六章“溶解現象”是初中化學課程一級主題“身邊的化學物質”的重要組成部分，作為一種重要的身邊的化學物質，溶液是繼學生認識氣體（如空氣、氧氣、二氧化碳）、固體（如常見的金屬）、液體（如水）后接觸到的一類成分更為復雜的化學物質。在下一章，將要學習酸、堿、鹽的知識，它們之間的化學反應幾乎都是在溶液中發生的，因此這一章的教學也為下一章的學習提供了知識基礎，也為深入學習分散系的有關知識做了準備[1 ]。溶液教學的難點之一是從微觀角度理解溶解和結晶的概念和過程。

2.教學現狀

初中生在學習溶液這一章時，對溶解和結晶往往會一知半解。比如：在一定溫度下，向一定量的水中，加入適量的氯化鈉固體，氯化鈉能溶解，再繼續加氯化鈉固體，氯化鈉不再溶解了，學生疑惑：為什么氯化鈉固體不能繼續溶解了呢？溶液飽和的微觀實質是什么？再比如，對飽和溶液概念的理解：在一定溫度下，一定量的溶劑里不能繼續溶解某種溶質的溶液，叫做這種溶質的飽和溶液，學生疑惑：為什么叫這種溶質的飽和溶液？氯化鈉的飽和溶液，還可以溶解其他溶質嗎？

即便高一新教材，課堂教學中，教師對化學平衡概念的引入，只是讓學生接受這個“知識”或者說只是通過理論推理出這個“知識”，學生并沒有建立化學平衡過程的真實體驗，學生依然是模糊不清。

二、教學思想和著力點分析

1.教學思想

初中生具有追根溯源的天性。利用學生的困惑，引發認知沖突，激發學生學習興趣，以及深入探究問題的熱情，通過創新實驗和拓展實驗，對學生進行平衡觀的啟蒙教學，可從科學本質上解決學生的困惑，更是為高中化學平衡的學習做好鋪墊和銜接。

化學實驗不僅可以使微觀變化宏觀化，具有很強的說服力，并能分析理論的合理性，促使學生對知識的掌握，而且實驗可以對學生進行科學研究方法的教育，使其體驗科學研究的過程。學生在動手實驗中感悟知識、形成方法、使知識結構化，最終得到的不僅僅是知識，更重要的是獲取知識的方法和成功體驗[2]。

2.教學著力點

化陌生為熟悉，建構學生認知結構。從學生熟悉的事物引入，充分利用新舊知識經驗的沖突，引發認知結構的重組，引導學生把生活概念向科學概念轉化。

創設真實的問題情境，通過創新實驗設計，帶領學生體驗探究過程，在實驗中形成溶解和結晶的動態平衡觀，實現動態平衡的可視化。增強學生對科學探究的理解，發展學生的科學探究能力。

三、教學目標

（1）通過對溶解和結晶問題的討論，讓學生經歷事物由現象到本質的過程，初步建立平衡觀。

（2）通過實驗探究活動，理解溶解和結晶的平衡，初步形成動態平衡觀。

（3）能從微粒觀視角，認識溶解結晶平衡以及平衡移動的規律。

（4）通過本節課的學習，培養學生運用平衡觀解決實際問題的能力。

（5）通過拓展實驗，培養學生用化學實驗解決問題的興趣，養成注重實證、嚴謹求實的科學精神。

四、教學流程

見圖1。

五、教學過程

1.讓學生初步建立平衡觀

（1）溶解結晶平衡概念的啟蒙

【學生分組實驗1】取1 g食鹽，放入氯化鈉的飽和溶液中，觀察現象。

現象：食鹽不再完全溶解。

【問題】為什么氯化鈉固體不能繼續溶解在氯化鈉的飽和溶液中？

【教師解析和視頻播放】溶解：溶質分子或離子分散到水中形成水合分子或離子的過程（圖2）。

結晶：溶液中的水合溶質分子（或離子）回到晶體表面形成晶體的過程。

氯化鈉固體在水中的溶解過程：溶解剛開始時，單位時間內從固體表面擴散到溶液里的鈉離子和氯離子多于回到固體表面的鈉離子和氯離子，我們能觀察到固體氯化鈉在不斷減少，此時，氯化鈉的溶解速率大于結晶速率。

隨著溶液中鈉離子和氯離子數的增多，從溶液中回到晶體表面的鈉離子和氯離子也不斷增多，結晶速率在逐漸增大，雖然氯化鈉固體的溶解速率基本不變，但由于結晶速率的增大，可以發現單位時間內氯化鈉固體的減少變慢了。

當單位時間內從固體表面擴散到溶液里的鈉離子和氯離子和回到固體表面的鈉離子和氯離子數相等時，氯化鈉固體的量便不再發生變化，此時得到的溶液便是氯化鈉飽和溶液。此時，溶解和結晶仍在進行，但兩者的速率相等，達到了一個溶解—結晶平衡。也就是溶質溶解的速率與溶質結晶的速率相等時，溶解過程與結晶過程達到了平衡。這兩個同時進行的相反過程是可逆的，通常用“”表示，溶解結晶平衡是一種動態平衡。

當外部條件改變時，溶解速率和結晶速率便會發生改變，舊的溶解—結晶平衡被破壞，再形成新的溶解—結晶平衡。

（2）溶解—結晶平衡態的類比

【師】請學生列舉身邊有關“平衡”的事例。如托盤天平、蹺蹺板等都是典型的平衡事例，托盤上的物體和砝碼、人與蹺蹺板系統達到了靜態（穩定）平衡，其特征是天平指針和人在蹺蹺板上的位置保持不變，除非受到外界影響，它本身不能有自發的變化。再比如，生活中的其他平衡，如生態系統平衡，（破壞、再平衡），社會學平衡（人類社會的發展、變革），心理學平衡，社會關系的各種平衡等等[3]。

設計意圖：人類的進步總是由類比本能激發的[3]。平衡概念首次被引入到化學中，學生的反應是陌生、新鮮、模糊和好奇的。通過類比其他平衡，用熟悉的事物解釋不熟悉的事物，思維遷移，便于學生接受平衡觀的概念。

（3）動態平衡觀的啟蒙

【問題】在地鐵站乘扶手電梯，如果在扶手電梯上需要保持在某一特定水平位置，你將怎樣運動？

【生】必須做與扶手電梯運動速率相等但方向相反的運動。

【師】人與扶手電梯有相對運動即為動態，人始終保持在特定的水平位置，即人與扶手電梯這個系統處于平衡狀態，這種平衡狀態即為動態平衡狀態，“動態平衡”的特征是保持“位置不變”與“相對運動速率大小相等且方向相反”。

設計意圖：幫助學生抓住動態平衡的本質特征，建立起有助于學習化學平衡概念的前概念[4]。

（4）化學平衡的概念和特征

【師】化學平衡狀態是指在一定條件下的可逆反應中，正反應和逆反應的速率相等，反應混合物中各組分的濃度保持不變的狀態。

【師】溶解結晶平衡的特征：等、動、定、變。等—— v 溶解=v 結晶;動——動態平衡，v 溶解=v 結晶≠0;定——達到平衡時，溶液中離子濃度不再改變;變——當外界條件改變，溶解平衡將發生移動。

2.溶解結晶平衡的實驗驗證

（1）溶解結晶平衡符號表達式的初建立

【問題】氯化鈉的飽和溶液，還可以溶解其他溶質嗎？

【學生分組實驗2】向氯化鈉的飽和溶液中，加入高錳酸鉀固體。

【現象】溶液變成紫紅色。

【結論】說明高錳酸鉀可以溶解在氯化鈉的飽和溶液中。

【師生從平衡的視角分析】氯化鈉的飽和溶液，對加入的高錳酸鉀而言，高錳酸鉀的溶解速率小于結晶速率，所以，高錳酸鉀可以溶解。

設計意圖：化學教師最好的理答方式是實驗驗證。兒童逐漸達到成人狀態，依靠的不是聽取一套行為準則和道理，而是從他的個人努力和經歷中去懂得這一切。盧梭說過，每個年齡段都有其相應的發展動力，孩子自有其獨特的觀察、思考和感受的方式，如果不通過主動探尋，讓學生重新發現科學，而只是重復口頭的公式，他們就什么也學不到[5]。

【教師追問】氯化鈉中混有可溶性雜質，如氯化鈣、氯化鎂、硫酸鈉，工業上可以用飽和食鹽水除去這些雜質，原理是什么？飽和食鹽水能否無限次地使用？

【師】寫出溶解結晶平衡的符號表達式：NaCl Na+（aq）+Cl-（aq）。

設計意圖：學生在思考回答問題時，思維在宏觀和微觀之間轉化，通過平衡的符號表達式，學生對平衡的概念由陌生到接受，對平衡的特征由模糊到逐漸清晰。

（2）溶解結晶動態平衡的可視化實驗探究

【拓展實驗1】實驗操作：將一顆9.95 g 的硫酸銅晶體，放入同溫度下的硫酸銅飽和溶液中，恒溫密封2 周后，取出觀察，發現晶體的形狀有明顯變化，原來的坑坑洼洼處被填平，晶體的棱角更明顯。洗滌、干燥，稱量質量為9.96 g（實驗使用的是精確度為0.01 g 的電子天平）。數據見表1。

【實物展示】見圖3、圖4。

【師】提問：硫酸銅晶體的形狀改變，質量不變，說明了什么？

【生】硫酸銅晶體的溶解和結晶過程都在進行，是動態平衡的過程。

設計意圖：拓展實驗前對學生平衡觀的引入，只是讓學生接受這個“知識”或者說只是通過理論推理出這個“知識”，學生并沒有建立動態平衡過程的真實體驗。該實驗通過晶體的形狀和質量上的變化對比，讓學生獲得動態平衡過程的真實體驗，不僅實現了平衡狀態的可視化，而且由定性到定量解析了動態平衡。

【拓展實驗2】實驗操作：取蒸餾水100 g，配制80℃的硫酸銅和氯化鈉的飽和溶液，冷卻至室溫，觀察到燒杯底部有硫酸銅晶體和氯化鈉晶體。第二天，加熱該燒杯及溶液，高于室溫3℃左右時，將2塊不同形狀的硫酸銅晶體用線系好，放入飽和溶液中，密封。如此反復操作一周。

【照片展示】見圖5。

【實驗現象】硫酸銅晶體上有白色的氯化鈉晶體析出，隨著時間的變化，硫酸銅晶體和氯化鈉晶體都在不斷增大。

【師生分析】硫酸銅的溶解度受溫度影響大，降溫結晶，析出硫酸銅晶體，但氯化鈉的溶解度受溫度影響很小，在密封條件下，水分蒸發可忽略不計，氯化鈉晶體在硫酸銅的大晶核上析出，說明氯化鈉的溶解和結晶在同時進行，再次實驗證明溶解結晶是一種動態平衡，符合科學探究的可重復性。平衡狀態類似家庭的收支平衡，是動態變化的。

3.平衡移動的實驗探究

【師】通過以上的實驗說明：飽和溶液可以看成溶質不再溶解，也不再結晶。但實際上，溶解和結晶都仍在進行。能溶解在水里的物質，不能無限制地溶解就是因為存在這個平衡。當外界條件改變（如飽和溶液冷卻或蒸發溶劑）時，溶解和結晶的速率也要相應地改變，便會有晶體析出等現象發生。

【問題】如果想從氯化鈉的溶液中，獲得晶體，你有什么方法？

【生】蒸發水，降溫，加入氯離子（個別同學小心翼翼地說）。

【學生分組實驗3】用玻璃棒蘸取飽和食鹽水在酒精燈上加熱蒸發。

【實驗現象】玻璃棒上有白色固體析出。

【師生分析】水蒸發，鈉離子和氯離子濃度增大，舊平衡被破壞。

【學生分組實驗4】取飽和的氯化鈉溶液2 mL，向其中加入濃鹽酸[6]。

【實驗現象】有白色晶體析出。

【師】追問：濃鹽酸加入后，為什么會有白色晶體析出？

【生】濃鹽酸中，有大量的氯離子，促使平衡朝生成氯化鈉晶體的方向移動。

【師】因氯離子濃度增大，平衡朝氯化鈉晶體生成的方向移動，析出氯化鈉晶體。

因為平衡狀態就是v 正=v 逆狀態，當外界條件改變時，會引起反應速率的變化，使v 正≠v 逆平衡破壞。

【PPT 投影】見圖6。

4.平衡觀的實際應用

【問題】工業上，侯德榜法制純堿的過程中，向氯化鈉的飽和溶液中通入氨氣和二氧化碳，會有碳酸氫鈉產生。為什么是碳酸氫鈉晶體析出，不是氯化銨析出？通過計算說明。

已知：20℃時，S （NaCl）=36 g，S （NaHCO3）=9.6 g， S （NH4Cl）=37.2 g，

【生】假設將36 g食鹽溶于100 g水中，配成飽和溶液，完全反應后，生成51.7 g 碳酸氫鈉和32.9 g 氯化銨，消耗11 g水，余下89 g水最多可溶解碳酸氫鈉8.5 g，生成51.7 g碳酸氫鈉溶解不了，會以沉淀的形式析出，89 g水可以溶解氯化銨33.1 g，大于32.9 g，氯化銨沒有飽和，不會析出。

【師】碳酸氫鈉晶體的析出，實質上是溶解和結晶的平衡被打破，碳酸氫鈉的溶解速率小于結晶速率，所以，有碳酸氫鈉晶體析出。

設計意圖：從定性研究到定量計算，是對平衡移動的深入分析與生活應用的必然，達到學以致用的效果。

六、教學效果與反思

以問題驅動和實驗探究，開啟平衡觀的啟蒙教學，發展學生微粒觀、平衡觀、定量觀等核心觀念，培養學生注重實證、嚴謹求實的科學態度，實驗分析和辯證思考相結合，學生手腦并用。看似有點超前，但實際這只是我們成人的固有思維。裴斯泰洛齊說過：教學的所有分支都要遵循從簡單到復雜的順序，然而，我們都明白，簡單的概念只是對成人的思維來說的，兒童的思維在一開始都是整體的、未分化的。青少年的心智組織形式、思維和說話習慣和成年人的更為接近[5]。少年的好奇心有多強，潛力就有多強，他們天生有打破砂鍋問到底的鉆研精神，與其含糊其辭，不如明明白白弄個清楚。

化學平衡是基礎化學中較難理解的概念，平衡觀的啟蒙，能為學生以后學習和理解電離平衡、水解平衡、沉淀和溶解平衡、氧化與還原平衡等知識提供牢固的知識基礎，有利于學生的完整知識結構的形成[7]。比如，純堿溶液中滴入酚酞試液變紅，學生疑惑：碳酸鈉的溶液中為什么會有氫氧根離子？教師可以溶解平衡為切入點，有意識地進行平衡知識的遷移，引入水的電離平衡、鹽類水解平衡等概念。再比如，在鋁片放入硫酸銅溶液的實驗中，有氣泡產生，學生開始會驚訝，但有了平衡的概念，他們會從化學平衡的角度來分析;再比如，在蛋白質的教學中，在盛有雞蛋清的試管里，加入硫酸銨的飽和溶液，出現白色渾濁，實際是加了鹽溶液后，水溶液變成鹽溶液，改變溶劑后，降低了蛋白質的溶解度，蛋白質析出，其實質還是打破了溶解平衡。若用“同位素示蹤法”則能更好地幫助學生建立動態平衡概念[8]。但因初中實驗室條件的限制，這一遺憾等學生將來讀高中時，期待可以彌補。

參考文獻

[1] 王祖浩.化學教師指導用書（九年級下冊）[M]. 上海：上海教育出版社，2012.

[2] 劉美麗，董素靜，馬占江.高中化學教師課堂教學行為有效分析——以“難溶電解質的溶解平衡”為例[J]. 化學教育，2013，38（6）：27-29.

[3] 趙華.化學教學應立足智慧的文本閱讀[J]. 化學教學，2017（3）：12-16.

[4] 魏樟慶，楊益強，林煥東.基于動態平衡觀建構的教學研究——以“化學反應的限度”為例[J]. 化學教育，2014，38（3）：16-19.

[5] 讓·皮亞杰.教育科學與兒童心理學[M]. 北京：教育科學出版社，2018.

[6] 張文惠.再談“難溶電解質的溶解平衡”教學設計[J]. 化學教育，2015，38（17）：24-27.

[7] 李廣洲，程萍，任紅艷.關于解決化學平衡問題的初步研究[J]. 教育探索，2002，135（9）：73-76.

[8] 吳凱倫，張欣.高中化學新課程“化學平衡”主題下的教科書銜接研究[J]. 化學教育，2012（12）：17-19.