真實情境引領，體驗問題解決，關照意義生成
——以“化工生產沉淀劑探源”一課為例*

苑凌云 岳文虹 鄧 陽 王麗娟

（1.華中師范大學化學教育研究所 湖北 武漢 430079；2.同煤一中 山西 大同 037003；3.大同市教育科學研究中心 山西 大同 037003）

本節內容是對人教版選擇性必修1 第三章“水溶液中的離子反應與平衡”［1］的綜合運用，屬于單元復習課。彭笑剛曾說：“如果沒有溶液，化學將無法在科學世界里擁有一級學科的地位［2］。”水溶液體系是學生最熟悉的化學反應環境，其中存在的酸、堿、鹽等電解質的離子反應以及弱電解質的電離平衡、鹽類的水解平衡以及難溶電解質的沉淀溶解平衡等過程，與人類的工業生產、日常生活、生命活動等息息相關。

一、基于“體驗學習圈”的教學設計思路

《普通高中化學課程標準（2017 年版2020 年修訂）》中提出：“使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實”［3］。新課標倡導真實情境下的主題式任務群學習，提倡在課程內容中有機融入科技、社會等人類發展成果，在學習知識的同時體驗社會實踐等過程，突破符號學習的單一屬性，引導學生邏輯推演、進入社會，培養社會責任感、創新精神和實踐能力，達成課程內容對自身意義的增值，完成知識向核心素養的轉化。

與課標要求相一致，美國社會學家、教育學家大衛·庫伯提出，“學習是一種社會過程精心設計的體驗”。在具體教學過程中，需要“通過系統的情境設計，把學習者導入學習情境之中，讓他們身臨其境地體驗學習，產生更具體、更明確的感動和體悟”。并且，在他看來，“體驗學習是運用辯證方法不斷解決沖突的過程［4］。”在此基礎上，大衛·庫伯創造性地提出了“體驗學習圈”學習系統（見圖1）。他認為，智力源于經驗，所以在教學實踐中，一個循環往往要以“具體體驗”作為起點，讓學生在真實情境中獲得對知識的感性了解，然后基于反思觀察，通過實驗、數據等多種類型的證據對經驗進行理性認識，再通過抽象概括形成對知識的本質理解，并將整個學習過程統整為解決問題的一般思路和方法，最后在“主動檢驗”環節中遷移與應用。另外，“主動檢驗”環節除了要完成所學內容的外延拓展，同時還應是下一個學習循環的“具體體驗”環節，并以此為起點開始下一階段的學習。

圖1 “體驗學習圈”學習系統

基于大衛·庫伯的體驗學習圈理論，本節內容以“化工生產中的沉淀劑探源”為主題，選取近年高考工藝流程題中熱點考查題型——沉淀反應為對象，通過引導學生對化工生產中的沉淀反應進行邏輯探源、社會探源，充分挖掘知識背后的理性價值與社會價值。教學過程中（見圖2），首先引導學生在真實情境中體驗工業生產的沉淀劑選擇，自然而然地引出本節課的研究問題：NH4HCO3溶液沉淀金屬離子生成碳酸鹽沉淀的內在機理是什么？并在抽提模型、進行解釋以及實驗、數據等證據引起的一系列認知沖突中反思觀察、抽象概括，形成對弱酸酸式鹽溶液體系的本質認識以及解決多平衡體系復雜問題的一般思路和方法，并在新的情境中應用與檢驗，實現科學知識和科學思維的認識進階，落實核心素養的人才培養要求，讓學生在完整的體驗循環中學會自覺、自由地運用學科知識、學科邏輯、學科方法去探索世界，求索真理，生成學習內容對自我成長的意義。

圖2 教學流程

二、教學過程

1.具體體驗——化工生產的沉淀劑選擇

【情境引入】早期，社會生產力發展低下，人類生活主要依賴于對天然物質的直接利用。隨著社會文明的進步，天然物質的固有性能漸漸無法滿足人類的生產、生活需求，人類開始通過各類實踐活動改造外部客觀世界，于是產生了各種加工技術，并在工業生產的規模上付諸實踐。在社會層面運用化學方法改造物質的組成、結構、性能或合成新物質的技術，即為化學工業。化學工業的發展，引領著人類社會的進步。

【師】水溶液是發生化學反應的重要環境，以下兩個化學工藝都是在水溶液體系中進行的物質制備及分離提純過程，屬于濕法提純。在化工生產的最后一步，為了將目標元素從溶液體系中分離出來，通常需要使用沉淀劑將其轉化為沉淀。通過流程分析，沉鈰和沉鎂分別選用的是哪種沉淀劑呢？

化工流程一：

Ce2（CO3）3可用于催化劑載體及功能材料的制備。天然獨居石中，鈰（Ce）主要以CePO4形式存在，還含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaF2等物質。以獨居石為原料制備Ce2（CO3）3·nH2O的工藝流程如下：

——選自2021年湖南高考第17題

化工流程二：

硼酸（H3BO3）是一種重要的化工原料，廣泛應用于玻璃、醫藥、肥料等工藝。一種以硼鎂礦（含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3）為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如下：

——選自2019年全國Ⅰ卷第26題

【生】沉鈰選用NH4HCO3溶液，沉鎂選用吸收了NH3的NH4HCO3溶液，即（NH4）2CO3溶液。

【師】為什么沉鈰、沉鎂選擇的沉淀劑不同呢？

【生討論，答】沉鈰的目的是得到Ce2（CO3）3·nH2O，沉鎂的目的是得到Mg（OH）2·MgCO3，二者的目標產物不同，而兩種沉淀劑的差異體現在陰離子上，結合沉淀目的的考慮，由于沉鎂需要得到堿式鹽，因此需要選擇堿性更強的（NH4）2CO3溶液。

【師】很好，分析問題時要依據目的把握核心差異進行思考。那么請同學們進一步思考，沉淀劑為什么不選擇常見的Na2CO3和NaHCO3呢？

【生1】銨鹽比鈉鹽更加便宜，工業生產中經濟成本更低。

【生2】銨鹽的溶解度更大，沉淀效果更好，而且銨鹽受熱易分解，后續工藝中更容易除去。

2.反思觀察——沉淀反應的機理探源

【師】非常好。那么，在用NH4HCO3溶液沉淀金屬離子生成碳酸鹽沉淀時，HCO-3能提供足夠多的CO32-供其沉淀嗎？反應的內在機理是什么呢？

【生】引起思考……

【師】分析問題時要對事物進行有效分解，暴露出多種屬性中決定結果的最本質因素，并從中抽提出簡單模型進行研究。同理，在探究NH4HCO3溶液沉淀金屬離子的反應機理時，請同學們嘗試從中抽提出核心反應微粒。

【生】應該是HCO-3與金屬離子的反應。

【師】很好。我們面臨的現實世界通常是抽象的、復雜的，是質與量、必然與偶然的統一體。科學分析要求我們抓住主要因素及其關系，并經過合理的簡化，展開科學的推理與演算［5］。在這一問題中，站在中學的視角，為了避免其他因素的干擾，我們不妨選擇最熟悉的NaHCO3溶液和CaCl2溶液的反應來進行研究。

【生質疑】NaHCO3溶液和CaCl2溶液不是不反應嗎？

【師】哦？是這樣嗎？我們不妨來實驗一下。桌上給大家提供了NaHCO3固體、CaCl2固體和蒸餾水，請大家實驗驗證，NaHCO3溶液和CaCl2溶液混合究竟有什么現象呢？

【生分組實驗，答】我們小組用NaHCO3固體和CaCl2固體配成懸濁液，隨后取上層飽和清液，混合后看到有白色沉淀生成，并且產生了大量氣泡。

【師】很好，有沒有小組有不同的實驗現象？

【生分組實驗，答】老師，我們組雖然也有沉淀生成，但是我們覺得二者混合能否觀察到顯著現象可能還與試劑用量有關，由于時間不夠，我們還沒來得及計算和實驗。

【師】非常好。通過同學們的實驗結果，首先我們可以確定的是，一定濃度的NaHCO3溶液和CaCl2溶液混合會發生反應，生成沉淀和氣體。同時，同學們也提出，實驗中我們應該控制試劑用量。確實，事物的質變與量變總是緊密聯系并相互制約的，質通常要通過一定量的積累來表現。因此，科學研究時一定要注意進行量的考察與分析，才能更加準確地把握事物的質［5］。

接下來，請同學們再來做一組實驗，實驗藥品分別為1 mol/L、0.5 mol/L、0.1 mol/L、0.05 mol/L和0.01 mol/L的NaHCO3溶液，以及0.1 mol/L 的CaCl2溶液。請同學們分別向1 mL 不同濃度的NaHCO3溶液中滴加0.1 mol/L CaCl2溶液，邊滴邊振蕩，并記錄溶液中出現渾濁時加入CaCl2溶液的滴數［6］。

【生】NaHCO3溶液和CaCl2溶液的濃度越小時，二者混合越觀察不到明顯現象（見表1）。

表1 不同濃度的NaHCO3溶液中滴加0.1 mol/L CaCl2溶液實驗記錄表

【師】通過實驗證實，常量濃度下的NaHCO3溶液和CaCl2溶液反應可以生成CaCO3白色沉淀。面對科學事實，需要同學們從理論的角度進行分析綜合、邏輯探源，將其概括成為抽象程度更高的理性系統。那么接下來請同學們從理論的角度分析二者反應的機理是怎樣的？

【生】很明顯，是HCO-3電離出來的CO23-與Ca2+反應得到CaCO3沉淀。

【師】其他小組有不同意見嗎？

【生】老師，我們認為不合理。倘若是這樣，那么離子方程式可以寫為Ca2++HCO-3====CaCO3↓+H+，顯然是不符合化學反應原理的，而且也沒有實驗現象中的氣體生成。

【師】很好，這位同學基于經驗和實驗事實定性判斷這一說法不合理。我們知道，一門科學從定性判斷發展到定量分析，是其不斷成熟、精確的重要標志。下面老師給大家提供以下數據：H2CO3：Ka1=10-6.36，Ka2=10-10.33；CaCO3：Ksp=10-8.55，請同學們再嘗試從定量的角度分析NaHCO3溶液和CaCl2溶液的反應機理。

【生討論，展示】判定一個化學反應進行的程度可以用平衡常數來進行表征。關于反應：Ca2++HCO-3====CaCO3↓+H+的平衡常數，我們小組有兩種算法：

算法一：表達平衡常數，拼湊已知常數

算法二：方程式耦合運算

該反應可以視為以下過程的耦合：

結論：該反應的平衡常數較小，趨勢并不明顯，更傾向于發生逆反應。

【師】非常好，既然如此，化工生產中為什么還要使用碳酸氫鹽沉淀金屬離子呢？是我們的理論解釋出現了問題嗎？在進行科學推理時，由于深入分析需要我們對事物進行分解，此時難免會使眼光局限在狹隘的視角中，導致孤立片面地看待問題。因此，我們需要將分析與綜合結合起來，消解思維的肢解狀態，從而獲得對思維對象的全面把控。所以，請同學們再次審視溶液環境，還有哪些因素可能導致CaCO3沉淀的生成呢？

【生討論，答】常溫下，在NaHCO3水溶液中存在以下過程：

由于HCO-3水解產生的OH-會和電離產生的H+繼續反應，促使水解、電離平衡正向移動，導致溶液中的H2CO3和CO23-的濃度大于孤立看待兩個平衡時的情況。經計算，水解、電離平衡互相促進后的過程：，平衡常數K′=10-3.97（同前面兩種算法），該平衡常數的數量級至少是溶液中其他過程的103倍，不可忽略，因此此時溶液中可能有足夠的CO32-沉淀Ca2+。

【師】那么能否進一步定量計算此時NaHCO3溶液沉淀Ca2+的平衡常數呢？

【生討論，展示】同樣有兩種算法，我們展示第二種：

反應Ca2++2HCO-3==== CaCO3↓+H2CO3可以視為以下過程的耦合：

結論：綜合考慮HCO-3的電離和水解過程，其沉淀Ca2+的平衡常數接近105，此時可以認為該反應幾乎能夠進行完全，生成大量的H2CO3將會分解為CO2和H2O，因此實驗中可以同時看到沉淀和氣體生成，該離子方程式可以寫為Ca2++HCO-3====CaCO3↓+H2O+CO2↑。同理，倘若工業生產中想要制得比CaCO3更難溶的沉淀，則更傾向于發生此類反應。而且，只要查得難溶物的Ksp，我們都可以計算沉淀過程的平衡常數，從而預測該反應的進行程度，指導工業生產。

3.抽象概括——NaHCO3溶液中的多重平衡

【師】因此，綜合考慮NaHCO3溶液中各過程：

采用定量方法進行科學研究，具有符號形式化、精確數量化等特征，也正是由于這些特征，使得我們可以把某些認識活動交給計算機來處理，從而使人類的認識更加精確和迅速。通過計算機的精確計算，發現在0.1 mol/L NaHCO3溶液中［7］：

其中Na+和HCO-3是含量最多的組分，由于HCO-3電離過程和水解過程的相互促進，使得水溶液中的CO23-和H2CO3濃度遠大于OH-和H+，但由于HCO-3的水解程度一定大于電離程度，所以溶液中一定會有c(H2CO3)＞c(CO23-)，c(OH-)＞c(H+)。這一計算事實也佐證了我們推理的合理性。因此，同學們要學會對照任務目標從復雜情境中抽提核心要素，嘗試以“微觀—動態—聯系—定性—定量”的視角處理多平衡體系，并結合實驗、數據等多種證據類型論證猜想的合理性，最終形成科學的解釋結果。

4.主動檢驗——多重平衡的拓展應用

【師】那么上述情形只存在于NaHCO3溶液中嗎？

【生】不是。任意弱酸酸式鹽溶液中都存在弱酸酸式根的水解過程和電離過程相互促進的情況。

【師】是的，如表2所示，常見弱酸酸式鹽溶液中的水解、電離耦合過程的平衡常數均遠大于其他微弱過程，因此考慮問題時不能忽略。整體往往大于各部分之和，當多個事物混合后，由于彼此間的相互作用，勢必會產生新的特性，所以宏觀世界往往是多因素交織下的復雜反映，而科學就是逐層抽絲剝繭、推演其本質規律的思維活動。

表2 弱酸酸式鹽溶液中各步的平衡常數

【師】表3 列舉了計算機得出的不同濃度NaHCO3溶液中粒子平衡濃度的大小關系，我們發現隨著c（NaHCO3）的不斷減小，粒子平衡濃度的排序也在發生變化。那么請同學們觀察數據，依據本節課獲得的經驗與感悟，從中找出變與不變的關系，并嘗試解釋原因。

表3 不同濃度NaHCO3溶液中粒子平衡濃度的大小關系［7］

【生討論，答】依據表3，首先我們根據任務目標抽提出NaHCO3溶液中恒定不變的關系有c(Na+)＞c(HCO-3)＞c(H2CO3)＞c(CO32-)，c(OH-)＞c(H+)。綜合考 慮NaHCO3溶液中的多重平衡，與其對應的理論模型是HCO-3的水解程度大于電離程度。由于Na+不參與溶液中的微弱過程，而HCO-3存在水解平衡和電離平衡，且H2CO3和CO23-只來源于HCO-3的水解和電離，所以必會存在：c(Na+)＞c(HCO-3)＞c(H2CO3)＞c(CO23-)。溶液中的OH-來源于水的電離和HCO-3的水解，H+來源于水的電離和HCO-3的電離，由于水電離的H+和OH-一樣多，因此必會存在：c(OH-)＞c(H+)。此外，隨著c（NaHCO3）的不斷減小，我們發現OH-和H+的濃度排序逐漸前移，這說明此時水的電離逐漸不可忽略，并慢慢占據主導地位，因此粒子濃度呈現出規律性的變化特征，比如第8組數據，c（NaHCO3）極小，使得水電離的H+和OH-成為了溶液中的主要微粒。

【師】非常好，對于多因素作用下的平衡體系，由于外界條件的改變，各因素間的主導地位可能會發生變化，并體現在宏觀現象中。最后請同學們再來看兩個工藝流程，思考其沉淀劑的選擇與我們剛剛探究的有何不同？為什么這樣做？并書寫離子方程式。

化工流程三：

實驗室以二氧化鈰（CeO2）廢渣為原料制備Cl-含量少的Ce2（CO3）3，其部分實驗過程如下：

——2022年江蘇卷第16題

化工流程四：

用軟錳礦（主要成分為MnO2，含少量Fe3O4、Al2O3）和BaS制備高純MnCO3的工藝流程如下：

——2020年山東卷第16題

【生】沉淀金屬離子生成碳酸鹽時，除了加入NH4HCO3溶液，還加入了氨水。綜合我們探究的反應機理，氨水的目的是中和HCO-3中的H+，產生更多的CO23-以供沉淀，功能類似于HCO-3水解產生的OH-。

離子方程式：2Ce3++3HCO-3+3NH3·H2O ====Ce2（CO3）3↓+3NH+4+3H2O

Mn2++HCO-3+NH3·H2O====MnCO3↓+NH+4+H2O

【師】那么，為什么不直接使用（NH4）2CO3溶液呢？

【生討論，答】依據剛上課時用（NH4）2CO3溶液沉鎂得到Mg（OH）2·MgCO3的例子，上述過程都是為了得到碳酸鹽沉淀，避免其得到氫氧化物沉淀或堿式碳酸鹽沉淀，因此不用堿性較強的（NH4）2CO3溶液，而是選用NH4HCO3溶液和氨水的混合液，有利于調控pH以生成理想目標物。

三、教學反思

本節課從兩道高考工藝流程題的沉淀反應展開，通過體驗學習圈的一個完整循環——具體體驗、反思觀察、抽象概括、主動檢驗，引導學生從真實情境中發現問題，然后自主地對問題進行“化學解構”和“化學認識”，通過NaHCO3溶液與CaCl2溶液反應模型的抽提，以及實驗驗證、理論推導、定量計算等學科思維與方法的運用，在“NaHCO3溶液與CaCl2溶液能反應嗎？”“只考慮HCO-3的電離，其產生的CO32-足以沉淀Ca2+嗎？”等一系列質疑和沖突中，基于實驗和數據等證據，對“水溶液中的離子反應與平衡”的相關知識進行反復地操作運用、反思變革，并在過程中滲透科學思維的講授，最終實現抽象概括，將觀察、經驗等統整為更加普遍的科學本質和邏輯系統，納入到自身的知識體系中，并學會在新的情境中遷移與應用。整個學習過程將理論與實際緊密結合，不僅讓學生學會知識，更注重讓學生體會知識產生的過程，在實踐中感悟邏輯的價值，實現知識教學的意義增值。