基于問題解決的單元整體教學設計

沈金龍 李娜

摘要：核心素養的內涵反映出知識與能力的一體化，而單元整體教學是核心素養落地的重要教學方式之一。本文基于食鹽水蒸發的現象，構建可溶電解質沉淀溶解平衡模型；通過優化教材中PbI2的實驗，引導學生設計實驗，幫助學生構建難溶電解質的沉淀溶解平衡的基本模型，厘清溶解度與溶度積的關系；基于水垢形成和水垢如何處理的真實情境的問題解決，從定性和定量雙角度幫助學生理解沉淀的溶解和沉淀的轉化。

關鍵詞：單元整體教學；沉淀溶解平衡；溶度積；轉化；核心素養

文章編號：1008-0546（2023）12-0050-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2023.12.011

一、背景分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，核心素養為導向的教學理念立德樹人，既要重視“素養為本”的教學，又要培養學生的創新精神，基于真實問題情境下教學，開展以學生實驗為主的多種探究活動，激發學生學習化學的興趣，發展學生宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任的化學核心素養。［1］核心素養的內涵反映出知識和能力的一體化，單元整體教學是核心素養落地的重要教學方式之一。基于真實情境下的單元教學設計，能激發學生學習的興趣，從整體上把握教學，發展學生的化學核心素養。

沉淀溶解平衡是化學平衡、電離平衡、水解平衡之后的重要的平衡理論，學生在已有的平衡體系認識基礎之上再認識沉淀溶解平衡，能幫助學生更全面了解水溶液中離子平衡的相關理論。沉淀溶解平衡也是對認識離子反應本質的補充，能夠使學生更加透徹地理解離子反應的實質。溶液是一個需要系統分析的研究對象，沉淀溶解平衡是多平衡體系的重要應用，同時也為認識離子反應復雜平衡體系作鋪墊，發展溶液中的平衡觀，關注和利用平衡間的互相影響。筆者始終堅持以學生核心素養為本的整體教學，教學以課標為重要的理論依據，基于真實問題的解決，幫助學生構建利用角度和思路解決復雜問題思維模型，發展學生的思維有序性，從而提升學生的核心素養。

二、教學內容分析

“沉淀溶解平衡”是魯科版《化學反應原理》第三章第三節的內容，是高中階段關于水溶液知識的重要組成部分，從教材的編排上，知識是有層次的螺旋式上升，整章的編排從單一平衡體系溶劑和溶劑的電離分析，過渡到多平衡體系鹽類的水解和沉淀溶解的探究，最后落腳到復雜平衡體系離子反應實質的應用。沉淀溶解平衡在整章的教學中起到重要銜接的作用，學生通過構建水溶液中多平衡體系的思維模型，從而補充解決復雜平衡體系中離子反應的實質，通過構建可溶電解質沉淀溶解平衡模型，為探究微項目侯氏制堿法的原理提供理論支持。沉淀溶解平衡的教學內容包括可溶電解質的沉淀溶解平衡的建立、難溶電解質的沉淀溶解平衡的建立、溶度積常數、沉淀溶解和沉淀的轉化。

三、教學設計思路

如表1所示。

四、教學過程

第1課時沉淀溶解平衡與溶解度

任務一：構建可溶電解質沉淀溶解平衡

【問題1】食鹽水蒸發結晶時，有什么實驗現象？分析產生現象的原因。

【問題2】有大量晶體析出后，停止加熱，冷卻后，再向其中加蒸餾水，會有什么實驗現象？從平衡移動的角度分析產生現象的原因。

【問題3】向飽和的NaCl溶液中通入氯化氫氣體，預測會有什么實驗現象？

【學生活動1】學生根據建立的沉淀溶解平衡，利用沉淀溶解平衡移動的原理，分析有大量的白色沉淀析出。

【教師歸納】可溶電解質存在沉淀溶解平衡，此類平衡是化學平衡中的一類，符合平衡移動的規律，可溶電解質的沉淀溶解平衡在工業生產中有廣泛應用，

國人引以為自豪的侯氏制堿法就應用了這一原理。

設計意圖：創設了食鹽水蒸發結晶的情境，利用熟悉的飽和食鹽水以及蒸發過程中的現象、向過飽和食鹽水中加蒸餾水的現象，能夠讓學生關注到NaCl在水中溶解是有限度的。通過宏觀實驗現象，促使學生從微粒角度分析，調用平衡理論，構建可溶電解質的沉淀溶解平衡，同時也為微項目侯氏制堿法學習作了鋪墊，幫助學生建立微粒觀、變化觀、平衡觀等學科觀念。認識宏觀現象的微觀本質，形成證據意識，發展證據推理、科學探究與創新意識、科學態度和社會責任的核心素養。

【過渡】可溶電解質在水中存在沉淀溶解平衡，那么難溶電解質是不是也存在沉淀溶液平衡呢？

任務二：構建難溶電解質沉淀溶解平衡【思考】難溶電解質在水中是否完全不溶？

【數據展示】部分電解質的溶解度如表2所示。

【數據展示】20℃時100 g水中物質溶解性的分類如圖1所示。

【教師總結】溶解是絕對的，不溶是相對的，沒有絕對不溶的物質，所有物質都能溶解，只是溶解的相對大小不同，［2］因此所有電解質都會有沉淀溶解平衡。

【思考】從哪些視角可以驗證 PbI2懸濁液存在沉淀溶解平衡呢？

【追問】思考如何通過平衡移動的視角設計實驗方案。

【學生活動2】根據教師的提示，獨立思考，小組討論，設計實驗方案，學生展示實驗設計方案（見表3）。

【實驗探究1】按表3所示的實驗設計方案進行實驗。

資料：碘化鉛（PbI2），黃色固體，難溶于水，強電解質。

實驗目的：PbI2在水中存在沉淀溶解平衡

實驗用品：PbI2懸濁液、蒸餾水、0.1 mol · L-1 KI溶液、0.1 mol ·L-1 Pb（NO3）2溶液、試管。

設計意圖：將課本實驗設計成開放性實驗活動，學生可以基于共存和平衡移動兩個視角設計實驗，借此檢驗學生實驗設計方案的能力及思維嚴謹性，通過追問問題，引導學生設計出教參中提供的平衡移動的角度證明沉淀溶解平衡的實驗方案，學生設計并動手實驗，體驗實驗的樂趣，通過學生對實驗方案的書寫，探查學生對平衡理論的認識以及文字表達能力，發展學生的科學態度的核心素養。

任務三：再認識沉淀溶解平衡

【過渡】沉淀溶解平衡是繼化學平衡、電離平衡、水解平衡之后，又一個重要的平衡過程，也遵循平衡的規律和特點。如何定量描述沉淀溶解平衡的限度呢？

【學生活動3】學生能聯想到溶解度和平衡常數，學生閱讀課本，正確地認識溶度積常數，并能正確地書寫溶度積常數的表達式。

【問題3】為什么同類型的難溶電解質可以比較Ksp，不同類型的卻不能比較？

【問題4】Ksp與溶解度是什么關系？為何引入Ksp？

【歸納總結】對于電解質在水中的溶解度，既可以用100 g水中溶解的溶質質量表示，也可以使用1 L溶液中溶解溶質的物質的量來表示。利用飽和溶液中溶質的物質的量濃度，不僅可以表示純水中溶解度，還可以適用于混合溶液中。

【深度思考】從定量的角度分析，實驗方案（3）中 PbI2懸濁液產生黃色沉淀更明顯的原因。

【追問】加入KI溶液后，PbI2上清液、PbI2懸濁液中的平衡如何移動？PbI2懸濁液中的沉淀有什么作用？

【學生活動4】學生思考，利用Ksp與 Q 的關系解釋產生現象的原因。

設計意圖：幫助學生厘清溶解度與Ksp的關系，體現引入Ksp的必要性，借助特殊現象，引發學生思考，促使學生基于宏觀現象，多角度、動態分析水溶液中的微粒變化，使學生認識到懸濁液中上下層溶液平衡的移動相關聯的，從而幫助學生構建動態平衡思想，培養學生變化觀念與平衡觀念、證據推理與模型認知的核心素養。

任務四：利用認知模型，解決真實問題

如果誤食鋇鹽，會造成鋇中毒，在醫學生常用5%Na2SO4溶液洗胃。5%Na2SO4溶液中 SO4（2）-的物質的量濃度近似為0.35 mol · L-1，請通過計算說明，5%Na2SO4溶液能否有效解毒？

已知：Ksp（BaSO4）=1.1×10-10，胃中Ba2+濃度小于1×10-4 mol ·L-1，不會對身體有傷害。

【學生活動5】學生從定量的角度分析解決問題。

設計意圖：通過解決鋇中毒這一真實情境，深化學生對沉淀溶解平衡的再認識，使學生從定性的分析延伸到定量的計算，發展學生的高階思維能力，同時讓學生體會到學習化學的樂趣和價值，發展科學精神與社會責任核心素養。

第2課時沉淀溶解平衡的應用

任務一：去除水垢原理的分析

【問題1】請從下列試劑中選擇去除水垢中碳酸鈣的試劑，并從微觀和平衡移動的角度分析除去碳酸鈣的原理。

試劑：0.1 mol · L-1 HCl 溶液、0.1 mol · L-1 NaOH 溶液、0.1 mol · L-1 CH3COOH 溶液、0.1 mol · L-1 NH4Cl、0.1 mol · L-1 CH3COONa溶液。

【學生活動】學生借助 Q 與Ksp的關系，從微觀上、動態上分析碳酸鈣沉淀溶解的原理，構建沉淀溶解的思維模型。

知識支持：化工廠設備中的水垢種類很多，如碳酸鹽型、硅酸鹽型，直接用酸洗法處理水垢，有些水垢如硫酸鈣水垢，其外表致密，質地堅硬，與酸反應速度十分緩慢，在常溫、常壓下，鹽酸對硫酸鈣的溶解率小于15%，［3］所以工業上用飽和碳酸鈉溶液和鹽酸處理硫酸鹽，即先加入飽和碳酸鈉溶液浸泡，然后再向處理后的水垢中加入鹽酸。

已知：Ksp（CaSO4）=9.1×10-6

Ksp（CaCO3）=2.8×10-9

【問題2】從微觀和平衡移動的角度分析工業上先加入飽和碳酸鈉溶液浸泡，過濾后再向處理后的水垢中加入鹽酸的原理是什么？

【學生活動】學生從微觀的角度分析硫酸鈣的溶解和碳酸鈣沉淀的形成，再結合平衡移動的原理，從定性和定量的角度分析，沉淀由 CaSO4轉化成 CaCO3，過濾沉淀之后，再用鹽酸除去沉淀。

【學生總結教師補充】為何硫酸鈣沉淀能轉化成碳酸鈣沉淀呢？

從化學反應限度角度分析反應的難易程度：

這一個反應的化學平衡常數K= c（c） O（O）-（-）= K（K）s（s）p（p） CaCO（CaSO）3（4）=3.25×103，由于反應的K 比較大，說明 CaSO4容易轉化成CaCO3。對于沉淀之間的轉化是有條件的，沉淀的轉化向著從難溶的沉淀轉化成更難溶的沉淀方向進行。從沉淀溶解平衡的角度分析反應的難易程度：硫酸鈣存在沉淀溶解平衡，從定量的角度利用Ksp計算鈣離子的濃度，溶液中存在鈣離子濃度鈣，則溶液中只需要碳酸根離子的濃度滿足反應Ca2+（aq）+ CO3（2）-（aq）一---（---一） CaCO3（s）發生的要求，即 Q大于Ksp（CaCO3）。由于此濃度比較小，因而很容易實現CaSO4沉淀轉化成CaCO3沉淀。沉淀之間的轉化是有條件的，沉淀的轉化向著從難溶的沉淀轉化成更難溶的沉淀方向進行。

設計意圖：從微觀上分析碳酸鈣溶解和硫酸鈣轉化的原理，運用平衡移動原理中Q 與Ksp的關系解釋生活中碳酸鈣、硫酸鈣水垢去除的問題，發展學生基于Q 與Ksp的關系調控沉淀溶解平衡向沉淀生成或溶解的方向移動，幫助學生構建分析多平衡體系的思維模型，建立水溶液中離子反應與平衡的認識角度和基本思路。

任務二：實驗探究模擬水垢去除

【問題3】結合工業去除水垢中 CaSO4的方式，請同學們模擬去除水垢中的CaSO4實驗探究。

【學生活動】向試管中加入少量的 CaSO4固體，再向其中滴加2 mL 飽和碳酸鈉溶液浸泡，過濾，洗滌沉淀2至3次，向沉淀中滴加2 mL 2 mol · L-1的鹽酸，觀察到產生大量氣泡，沉淀溶解。

設計意圖：通過學生設計去除CaSO4的實驗，幫助學生從宏微結合角度分析沉淀的轉化，使學生建立證據意識，發展科學探究的素養，提升學生基于證據來分析解決問題的能力。

任務三：微觀探析水垢的形成

【問題4】水垢又稱為水堿，其主要成分是 CaCO3、 CaSO4、Mg（OH）2，請同學們根據自然水的成分，從微觀上分析在長時間燒水后水垢是如何形成的？

知識支持：自然水中含有的離子成分：Ca2+、Mg2+、Na+、K+、HCO3（-）、SO4（2）-、Cl-。

【學生活動】學生從微觀的角度分析水垢的形成：

【教師總結】水長期加熱煮沸，由于氫氧化鎂的溶度積小于碳酸鎂的溶度積，從而實現碳酸鎂沉淀轉化成氫氧化鎂沉淀。

設計意圖：從生活案例出發，激發學生學習化學的興趣，使學生學會用所學理論解決實際問題，幫助學生從微觀的角度深刻理解在溶液中發生的離子反應與平衡問題，進一步完善學生對于沉淀生成、溶解、轉化的認識。

五、教學創新與反思

1.把握好教材，創造性地用好教材

把握教材的編寫意圖和編寫特點是化學教師應具備的能力。現行的新教材欄目設計和編排非常合理，符合學生的認知規律，根據學情可以創造性地使用教材。筆者在這一部分教學中的處理，充分挖掘教材，活用教材，把教材中各欄目的情景融入到課堂，例如：實驗探究難溶電解質的沉淀溶解平衡，筆者結合教參提示，對教材實驗進行改編，設計成開放性的實驗，充分調動學生學習的積極性，讓學生構建動態的平衡思想。教材中提到的鋇離子中毒、水垢中氫氧化鎂形成過程等欄目，筆者基于教材進行改編，幫助學生從定性和定量的角度分析沉淀的形成、溶解和轉化。對于沉淀溶解和沉淀轉化的教學中，筆者基于學生熟悉的處理水垢的真實情境展開，對教材進行改編，從學生生活案例出發，激發學生學習化學的興趣，使其學會用所學理論解決實際問題。教材中每一個環節都是一個很好的教學設計和教學案例，我們要深度挖掘教材，創造性地使用教材，讓我們的教學更有效。

2.基于化學核心素養的情境化、問題化教學

問題情境教學能在教學過程中引起學生的直接注意和積極的情感體驗，使其形象思維向抽象思維轉移的速度和寬度得以提高。生活的情境與問題化教學相互作用，與學生的思考反應共生一體。筆者在教學中，從生活情境出發，將情境問題化，從熟悉的蒸發結晶食鹽水情境出發，構建易溶電解質沉淀溶解平衡，鋇離子中毒如何處理，水垢如何形成，以及水垢如何處理的真實問題情境貫穿于整個課堂，讓學生感受到學習化學就是為了解決實際問題的，感受到化學是非常有價值的，激發學生學習化學的積極性，提升學生化學核心素養。

3.聚焦實驗教學，提升核心素養

新課程標準要求開展核心素養導向下的化學實驗教學，強化實驗為主的探究活動，對 PbI2驗證難溶電解質的沉淀溶解平衡實驗，設計成開放性實驗，有助于學生從反應物和生成物共存以及平衡移動的角度構建沉淀溶解平衡；模擬水垢處理實驗，學生能從宏觀角度認識物質之間的轉化，幫助學生建立水溶液中離子反應和平衡的基本架構，培養學生的創新思維能力。

參考文獻

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

［2］曾闊，蔣小鋼.以化學觀念建構為頂層設計的教學實踐與思考——以“沉淀溶解平衡”的教學為例［J］.化學教與學，2017（4）：48-51.

［3］陳魁，向蘭.硫酸鈣溶解行為初探［J］.鹽業與化工，2007，36（2）：1-3.

［4］王磊.普通高中教科書（化學選擇性必修1）［M］.濟南：山東科學技術出版社，2017.

［5］王磊.普通高中教科書（化學選擇性必修1）教師用書［M］.濟南：山東科學技術出版社，2019.