基于定性定量視角的核心概念建構與遷移

摘" 要：基于核心素養的化學教學強調對核心概念的建構與遷移，培養學生創造性地解決陌生情境下化學問題的能力。本文在“沉淀溶解平衡”概念的建構與遷移教學中，利用“四重表征”對概念進行定性建構，在突破迷思概念的基礎上對概念進行定量建構，并創設真實情境解決實際問題，實現對概念的遷移應用，培養和發展學生的化學學科核心素養。

關鍵詞：定性定量；核心概念；建構與遷移；沉淀溶解平衡

文章編號：

1008-0546（2024）14-0014-04

中圖分類號：

G632.41

文獻標識碼：

B

一、教學主題內容及教學現狀分析

1. 教學主題內容分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《高中新課標》）在基本原則中提出，著力發展學生的核心素養。［1］核心素養取向的化學教學應緊緊圍繞核心概念的建構與遷移來進行設計和實施［2］，基于定性定量視角對概念進行建構是最常見且最有效的方法。本節課選自人教版高中化學選擇性必修1第三章第四節“沉淀溶解平衡”。《高中新課標》中明確強調了對“沉淀溶解平衡”概念的建構，以及運用概念分析和解決生產、生活中有關的實際問題。因此，“沉淀溶解平衡”無疑是高中階段化學學科中的一個重要核心概念。

2. 教學設計及學生學習現狀分析

（1）教學設計現狀分析。

“沉淀溶解平衡”屬于化學概念知識，筆者在梳理已有的教學設計過程中發現，盡管許多教師嘗試從定性與定量兩個角度出發進行教學，但對概念的細致詮釋仍顯不足。例如，在定性建構概念上，部分教師雖然利用實驗宏觀現象建構概念［3］，但這些實驗現象不夠直觀明顯；也有教師利用手持技術對實驗數據進行曲線表征建構概念［4］，但他們過分強調曲線，忽視了將宏觀、微觀、符號表征進行有效整合?；谝陨涎芯看嬖诘牟蛔?，本節課采取“四重表征”教學模式［5］，引導學生基于“宏觀—微觀—符號—曲線”對概念進行定性建構。在定量建構概念上，已有教學設計引導學生遷移運用學過的電離平衡常數知識，通過解決實際的計算引出溶度積常數Ksp。［6］然而，這種從定性分析直接跳躍到定量計算的方式較為生硬，缺乏足夠的過渡與銜接。因此，本節課利用學生的迷思概念作為教學起點，引導學生對定性分析和定量計算進行比較，幫助學生突破迷思概念的束縛，從而自然地引出溶度積常數Ksp的概念。

（2）學生學習現狀分析。

在學習本節課前，學生已經掌握了物質的溶解度、化學反應速率和平衡移動等相關知識。然而，由于慣性思維的影響，學生容易忽略沉淀的微弱溶解現象。研究表明，很多學生會因為對勒夏特列原理的濫用而忽略其適用的范圍，從而在頭腦中形成平衡移動是“減弱非抵消”的迷思概念［7］，即平衡溶液加水稀釋后，平衡發生移動，但不會移動到最開始的程度?；诖?，本節課將合理利用學生的迷思概念，通過定性與定量相結合的方式，幫助學生對“沉淀溶解平衡”相關概念進行深入的建構與解析。

二、教學思想與創新點

1. 利用四重表征對概念進行定性建構

通過“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征對“沉淀溶解平衡”概念進行建構，有助于學生從多角度理解概念，認識知識本質，形成高階思維，并落實核心素養的發展。其中“宏觀—曲線”表征是建構四重表征思維方式的激發點［8］，利用手持技術獲得的曲線表征能夠放大宏觀實驗的微觀現象，引導學生先進行“宏觀—曲線”二重表征，再逐步深入探究反應的微觀實質，并用化學方程式進行符號表征，實現“四重表征”對概念的建構?！俺恋砣芙馄胶狻钡乃闹乇碚魅鐖D1所示。

2. 突破“迷思概念”對概念進行定量建構

在類比已有知識解決問題的過程中，引導學生自主發現迷思概念，并自發思考討論迷思概念的問題所在，從而對定性分析與定量計算進行比較，使學生自發地學習溶度積常數Ksp的知識，最終突破迷思概念，完成概念的定性建構到定量建構的合理過渡。

3. 創設真實的STSE問題情境對概念進行遷移

真實、具體的STSE問題情境是學生化學學科核心素養形成和發展的重要平臺，也為學生化學核心素養提供了真實的表現機會。本節課在遷移應用“沉淀溶解平衡”概念的環節中，引導學生從定性的反應原理角度分析鐘乳石和石筍的形成，從定量的Ksp計算角度分析工業上對金屬陽離子除雜的調控，實現概念的遷移應用與STSE問題解決的有機結合，使學生從學科價值上把握化學學科的社會功能和責任。

三、教學目標

本節課的教學目標具體如下。

（1）通過實驗探究分析難溶物質溶解和沉淀的過程， 并進行“四重表征”，進一步發展學生的粒子觀、平衡觀。

（2）通過速率的定性分析及濃度商Q和溶度積常數Ksp的定量分析，引導學生從定性定量兩個角度判斷物質的溶解、沉淀和平衡狀態。

（3）用Ksp定量計算溶液中沉淀平衡時的離子濃度，讓學生學會定性定量分析生活、生產問題。

四、教學流程

本節課通過定性建構概念、定量建構概念、定性定量遷移概念三個主線任務完成對“沉淀溶解平衡”概念的建構與遷移。具體教學流程如圖2所示。

五、教學實錄

1. 環節一" “宏觀—曲線”表征沉淀溶解平衡

［情境引入］生活中水可以溶解許多物質，如糖、鹽等。根據物質在室溫條件下水中的溶解度不同，將其分為易溶物、可溶物、微溶物和難溶物（見表1）。

［教師］常溫下NaCl的溶解度為35.9g，CaCO3的溶解度為5.29×10－4g。如果在室溫下，向100g水中分別加入1gNaCl和1g CaCO3，請預測實驗現象。

［學生］NaCl全部溶解，CaCO3不溶。

［教師］CaCO3是否存在微弱溶解？利用電導率儀測量溶液的電導率，電導率的大小代表溶液中離子濃度的大小，從而可判斷CaCO3是否溶解。

［演示實驗］①用電導率儀測量100g蒸餾水的電導率。②在水中加入1g CaCO3，測量溶液的電導率。③向水中加入10g蒸餾水，測量溶液的電導率。④向水中滴加Na2CO3溶液，測量溶液的電導率。實驗過程中溶液的電導率變化曲線如圖3所示。

［教師］從圖中可以發現，a點加入CaCO3，電導率增加，說明難溶物質確實存在微弱溶解；b-c段電導率趨于平緩，是由于CaCO3溶解達到限度；c-e段電導率瞬間下降后緩慢上升，是由于加水稀釋，離子濃度瞬間下降，后CaCO3繼續溶解，電導率又上升；e-g段電導率瞬間上升后緩慢下降，是由于滴加Na2CO3溶液后，離子濃度瞬間上升，后CaCO3沉淀析出，離子濃度下降，電導率又下降。

2. 環節二" “微觀—符號”表征沉淀溶解平衡

［教師］請結合微觀動畫分析，宏觀上觀察到的CaCO3溶解是否存在微觀粒子Ca2＋與CO2－3結合生成CaCO3的過程？宏觀上觀察到的CaCO3沉淀析出現象是否存在微觀粒子CaCO3電離生成Ca2＋與CO2－3的過程？

［學生］微觀上同時存在Ca2＋與CO2－3結合生成沉淀CaCO3和CaCO3溶解電離生成Ca2＋與CO2－3的過程。

［教師］宏觀呈現出沉淀溶解、沉淀析出、溶液平衡的現象時，微觀上這兩個過程在速率上應該有什么關系？

［學生］當v溶解 ＝ v沉淀時，沉淀溶解平衡；當v沉淀＞v溶解時，生成沉淀；當v沉淀＜v溶解時，沉淀溶解。

［教師］物質在溶解和沉淀的過程中，微觀上同時存在溶解和沉淀的過程，即難溶物質存在沉淀溶解平衡。以CaCO3為例，可將其表示為 CaCO3（s）Ca2＋ （aq）＋CO2－3 （aq）。一般物質的沉淀溶解平衡表達式為AnBm （s） nAm＋（aq）＋mBn－ （aq）。

3. 環節三" 類比遷移學習Ksp

［教師］類比之前學過的平衡，思考沉淀溶解平衡具有什么特點？

［學生］①逆：它是一個可逆過程。②等：溶解速率與沉淀速率相等。③動：它是動態平衡，溶解速率和沉淀速率不等于0。④定：達到平衡時，溶液中離子濃度保持不變。⑤變：當改變外界條件時，沉淀溶解平衡發生移動。

［教師］影響沉淀溶解平衡的因素有哪些？

［學生］①內因（決定因素）：難溶電解質本身的性質。②外因：溫度、濃度等。

［教師］在含有Mg（OH）2沉淀的飽和溶液中，改變下列條件：

①升溫；②加入MgCl2（s）；③滴加HCl；④加入NaOH；⑤加少量水。

分析平衡移動方向以及達到新的平衡時Mg2＋和OH－的濃度變化。

［迷思概念］錯誤使用勒夏特列原理，認為加水稀釋使各離子濃度減小，平衡移動只能減弱這種改變而非抵消，所以得出加水稀釋后，達到新的平衡時Mg2＋和OH－的濃度均減小的結論。

［教師］沉淀溶解存在平衡，類比已有知識得出存在平衡常數，稱為溶度積常數Ksp。根據沉淀溶解平衡的表達式，Ksp（AnBm）＝cn（Am＋）·cm（Bn－）。

4. 環節四" Ksp視角分析沉淀溶解平衡

［教師］從Ksp定量的視角分析加水稀釋后各離子的濃度變化。

［突破迷思概念］Ksp［Mg（OH）2］＝c（Mg2＋）·c2（OH－），

當加水稀釋時，c（Mg2＋）與c（OH－）瞬間下降，平衡向沉淀溶解方向移動，直到c（Mg2＋）和c（OH－）達到一開始的濃度，才再次達到沉淀溶解平衡。所以加水稀釋后，在達到新的平衡時Mg2＋和OH－的濃度均不變。

［教師］能否通過實驗證明加水稀釋后，在達到新的平衡時，原先的各離子濃度不變？

［曲線表征］再次分析環節一的演示實驗，當加水稀釋含有CaCO3固體的飽和溶液時（c-e段），電導率迅速下降后緩慢上升，直到上升至原來的高度（見圖3），說明加水稀釋后，達到新的平衡時，原先的各離子濃度不變。

［教師］從定性的角度看，固體是析出還是溶解，要比較沉淀與溶解的速率大小，以Ag2S溶液為例，如果從Ksp定量角度分析，什么情況下生成沉淀，什么情況下沉淀溶解？

［學生］將溶液中的離子積［Q＝c2（Ag＋）·c（S2－）］與Ksp進行比較。 Q ＝Ksp，沉淀溶解平衡； Q＞Ksp，生成沉淀；Q＜Ksp，沉淀溶解。

5. 環節五" 定性視角分析生活現象

［資料卡片］溶洞中鐘乳石和石筍的形成現象。

［教師］從沉淀溶解平衡定性角度分析其形成的原理。

［學生］當溶有CO2的水流經石灰巖時，能夠建立以下平衡：CaCO3（s） Ca2＋ （aq）＋CO2－3 （aq），CO2－3＋CO2＋H2O 2HCO－3，總反應的離子方程式為CaCO3＋CO2＋H2O Ca2＋＋2HCO－3。當水中溶有的CO2較多時，平衡向CaCO3固體溶解的方向進行，生成溶解度相對較大的Ca（HCO3）2 ；當CO2濃度減小或溫度升高時，該平衡向逆反應方向移動，重新析出CaCO3沉淀。反復進行上述反應，日積月累，CaCO3在洞穴頂部形成鐘乳石，在洞穴底部形成石筍。

6. 環節六" 定量視角計算生產問題

［教師］針對廢水中Fe3＋的處理，可以將Fe3＋以Fe（OH）3沉淀的形式除去，若c（Fe3＋） ＜ 10－5mol/L時認為Fe3＋完全除去，則至少將溶液pH調節到多少？

［學生］根據Ksp［Fe（OH）3］＝c（Fe3＋）·c3（OH－）

得c（OH－）＝3Ksp［Fe（OH）3］c（Fe3＋），查表得Ksp［Fe（OH）3］＝2.8×10－39，根據題意有

c（Fe3＋）≈10－5mol/L，則c（OH－）＝6.54×10－12mol/L，pH≈2.8。所以至少將pH調節到2.8，Fe3＋才完全除去。

六、教學反思

1. 注重多重表征，多視角建構概念

本節課利用“宏觀—曲線—微觀—符號”的四重表征教學模式對概念進行定性建構，通過突破迷思概念對概念進行定量建構，從多維度、多視角引導學生深入理解概念，認識知識的本質，培養和發展學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知的核心素養。

2. 基于學生學情，突破迷思概念

本節課的教學設計充分考慮學生學情，利用迷思概念調動學生的學習積極性，引導學生自主進行思考和討論，實現迷思概念的突破，達到概念的建構，充分體現以學生為主體的教育理念。

3. 強調概念遷移，結合STSE情境

本節課展開核心素養導向的教學，創設真實、具體的STSE情境，引導學生利用所學的知識解決陌生化學問題，使學生從學科價值上把握化學科學的社會功能和責任，培養和發展學生科學態度與社會責任的核心素養。

參考文獻

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