基于微粒观建构的高中化学“水溶液中的离子平衡”教学述评

时间：2024-05-04

陈博殷麦达勤

摘要：通过整理万方数据库的相关论文，分析归纳基于微粒观建构的“水溶液中的离子平衡”教学案例的典型特征。结果表明，教学中应基于学生认知发展点进行教学设计;注重新授课和复习课的观念建构衔接;结合具体情境，合理运用教学策略;发挥信息技术与课程整合的有效性;关注学生认知模型的建构;重视学习质量评价。

关键词：微粒观; 水溶液; 离子平衡; 观念建构; 有效教学

文章编号： 10056629（2019）4001305中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 引言

化学观念的建构是中学化学教学的关键点，在新课程改革中备受关注[1～2]，其中微粒观是化学观念的基础部分。综合国内学者对微粒观的概念界定[3～5]，归纳微粒观内涵：物质由微粒构成;微粒体积极小，肉眼不可见;微粒在不停地运动;微粒间有一定的距离;微粒间存在相互作用。本文选取“水溶液中的离子平衡”教学为研究对象，该内容属于新课标选择性必修课程中化学反应原理模块的三大主题之一，包括电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡[6]，其在生产生活中具有重要意义，是高中教学重难点及高考热门考点[7];知识点关联紧密，涉及微观层面，综合性逻辑性强;不同层次的学生在学习完本章节后，常会存在关于各知识点的迷思概念[8]。

因此，在“水溶液中的离子平衡”教学中，教师应重视学生微粒观的建构，具体表现如图1，包括引导学生从微观角度探析溶液体系，深入分析其中的微粒种类、数量（浓度）、行为、相互作用（包括不同离子平衡相互间影响、在水溶液体系中存在的主次关系），促进学生以微观—动态—联系—定量的认识方式深刻系统认识水溶液中的离子平衡，发展学生的学科能力和素养。目前，国内已有不少学者对“水溶液中的离子平衡”各版块教学中微粒观的建构进行了探究与实践。基于此，本文主要述评国内已有理论及实践成果，为后续教学研究提供有益参考。

2 研究方法

在万方数据库以“微粒观”为主题进行检索，根据内容相关性，侧重关注基于微粒观建构的“水溶液中的离子平衡”课题教学研究，共选取18篇学术文献。采用内容分析法对文献进行整理，归纳整体教学思路，关注与微粒观建构相关的课前准备、教学活动、教学素材、教学策略等，最后将教学案例按新授课（11个）及复习课（7个）分类，提炼案例典型特征进行解读。

3 新授课教学案例分析

新授课案例中，教学内容基本涵盖水溶液中几种类型的离子平衡。“微粒观”的建构并非一蹴而就，从新授课开始强化，有利于学生循序渐进建构全面扎实的微粒观，实现根据物质微观结构、描述和预测物质变化规律的科学素养[9];同时为后续复习课奠定基础，体现教学的系统性。新授课案例包括以下特点。

（1）教学设计普遍关注学生已有微粒观水平，其中经验总结较多，实证研究较少。

“水溶液中的离子平衡”课题一般在高二讲授，通过初三及高一的化学课程，学生对微粒的存在、部分物质的微观构成、微粒的运动特点等有一定了解，但基础层次不尽相同。教师普遍考虑学生已有基础，但更多基于以往教学经验总结学生情况，纸笔测试、课前访谈等实证研究方法运用较少[10～11]。实证研究有利于获取学情一手数据，梳理学生关于水溶液中离子平衡的微粒观水平，使教学设计有的放矢，对学生因材施教，后续研究可加强关注。

以“弱电解质的电离”为例，有研究者基于微粒存在和种类、微粒数量、微粒运动变化、微粒间相互作用、学生微粒观认识的思维特点五大角度，分析学生已有认识和不具备的认识，得出学生在新授课前的微粒观是静态、定性的，缺乏对弱电解质电离可逆、相互作用，动态平衡，其溶液中同时存在分子和离子的认识，有利于后续开展针对性教学[12]。

（2）大部分研究者通过实验探究活动呈现真实情境素材，宏微结合建构微粒观。

水溶液中的离子平衡相关实验操作较简易、用时较短、现象明显，如导电性检验、酸碱度测定、沉淀形成、溶解与转化等，而实验现象与微粒的存在及相互间的复杂作用直接相关。教师通过直观现象引发学生思考水溶液中微粒的存在情况，宏观辨识与微观探析结合揭示问题本质;教学过程关注利用学生已有相关认识指导实验设计和分析，使之符合科学探究教学的规律。

“弱电解质的电离”教学中，常见实验有不同溶液的导电性比较实验、相同浓度强弱电解质与同一物质反应的对比实验，如盐酸、醋酸分别与碳酸钙、镁条反应;相同浓度强弱电解质本身pH和稀释后pH测定实验等[13][14]。“盐类水解平衡”教学中，有研究者以实验教学辅助理论学习，选取硫酸铜为研究对象，对实验硫酸铜溶液呈酸性进行理论分析，包括硫酸铜的离子构成;之后设计实验验证引起酸性的离子种类;从实验现象分析铜离子对水电离平衡的影响，得出盐类水解平衡的本质，最后应用知识解答问题。教学中从微粒的角度分析看待平衡，逐步探究水解内涵，实现学生对学科观念的自我构建[15]。

（3）部分研究者以问题驱动教学，让学生在问题解决活动中逐步建构微粒观。

水溶液中的离子平衡立足微观层面，涉及较多概念及原理，如果直接将结论告诉学生，缺乏建构的过程，对学生建立宏观物质与微粒、微粒间的关联是不利的。有研究者以富有逻辑性的问题驱动教学[16～19]，问题的设置由易到难，由浅入深，部分以问题组的形式出现，如从宏观物质组成到微粒的种类与组成，从宏观现象到微粒的行为及相互作用，从实验数据到微粒的数量及变化。问题序列的设置顺序一般为“（情境设计）引导问题→教学活动→内容或方法问題（引导问题的子问题）”，以及上述序列的一部分或循环。课前教师进行充分的教学准备，如寻找恰当的情境素材，引出问题;预设实验结果，设计后续相应问题;课上，教师结合课堂学生动态，捕捉生成性教学资源并巧妙运用。学生通过实验论证、数据运算、演绎推理等一系列自主活动，对某一类型的离子平衡展开相对完整的探讨，进而在头脑中建构原本看不见的微粒，清晰系统地认识水溶液中离子平衡的相关原理规律。

以“弱电解质的电离”教学为例[20]，通过设置系列问题初步建构“醋酸的弱电离”这一知识内容，如表1。

（4）部分研究者注重学生基于微粒观的思维模式建构，概括不同类型离子平衡问题的分析思路。

在每种离子平衡类型课程的总结部分，通过绘制概念图、思维导图等方式，师生共同总结或学生独立总结，使零散的知识连线结网，理清水溶液体系中微粒变化分析脉络，有利于学生对知识要点和微粒观的明确巩固[21]。

以“弱电解质的电离”教学为例，在课程总结部分，让学生绘制树状分类图，辨析本节课涉及到的概念的相互关系，形成从电离角度分类的概念图;并依据概念关系图，说出分析水溶液中电解质电离的基本思路[22]。以此强化学生从微粒性角度对弱电解质的认识，以及站在微粒种类和数量变化基础上，对水溶液体系电离平衡的基本分析思路。

（5）部分研究者注重用数据说话，通过证据推理溶液中微粒的存在和变化情况。

教师通过传统实验或手持技术数字化实验实时测量得出的pH、电导率等数据，或采用教材、化工手册、生产生活实际等给定的理论数据，让学生以此为依据进行推算论证，挖掘客观数据的内涵，有利于其理性思维的培养。其中，相比传统实验，手持技术数字化实验具有实时、定量、精确化、多传感器测查数据及数据处理绘图等功能，在即时表征离子浓度微弱变化等方面有独特价值，但其在实际教学运用较少，仍需进一步推广。

对于弱电解质电离平衡这一知识点，有研究者运用手持技术，分别测量系列浓度的盐酸和醋酸溶液的电导率，并将其自动转化成电导率曲线图，通过给出电导率和离子浓度的关系分析稀释对弱电解质电离的影响;同样的方法在稀醋酸溶液中分别加入镁条、氢氧化钠固体、醋酸钠固体、氯化氢气体，测量其电导率，学生借助电导率和离子浓度的关系，有效理解这些因素对弱电解质电离平衡的影响[23]。

（6）较少研究者将信息技术与学科教学有效整合，通过多媒体技术将微粒可视化。

水溶液中的离子肉眼无法直接观察，课堂上教师除了通过语言解释、化学符号表达外，加入微观动画展现离子的电离、水解、沉淀过程，可以帮助学生更轻松地理解[24]，从而为微粒观的建构提供直观感性的素材，但只有少部分案例中有所运用[25， 26]，这可能与教师信息技术水平、动画资源、教学时间等因素相关。教师通过动画制作软件、在线平台等自主设计视频类或交互类动画，或利用已有动画资源将微粒可视化，包括展现水溶液离子平衡过程中微粒的种类、数目、彼此间的作用过程等画面，是后续教学研究可以关注的方向。

例如，有研究者自制交互智能型课件进行“盐类水解”教学，如在同一场景中展示氯化铁溶液水解实验视频、微观动画及可拖拽的微粒素材，让学生自主建构盐类水解过程;让学生观看醋酸钠、氯化铵溶液在温度、盐浓度、溶液酸碱性不同的条件下，微观粒子变化的动画资源，罗列影响盐类水解的主要因素等，通过教学反馈表明这种新颖的方式收效良好[27]。

4 复习课教学案例分析

复习课案例注重知识整合，主要集中在高三溶液中的微粒浓度大小关系、盐溶液的性质两大专题，是水溶液的离子平衡各知识点的综合应用。复习课相比新授课，同样注重学生基础水平探查和教学效果监测;注重创设问题情境，以梯度问题为线索，循循善诱而非平铺直叙。此外，复习课更注重对分散知识的深化整合、对解题思路的建构;以及引导学生深化“用微粒观的视角分析、解决化学问题”的基本思路，发挥微粒观对复习的指导和统领作用，提升复习效率[28];同时，面对于综合性较强的问题，以微粒观为基础，整合并灵活运用定量观、守恒观、平衡观等多种观念[29， 30]。案例主要特点具体分析如下。

（1）部分研究者注重多途径探查学生已有微粒观水平，基于学生认识发展点开展复习课教学。

水溶液中离子平衡相关复习专题，核心概念多，思维辐射面大，更注重知识的梳理和系统化。通过高一高二新授课的学习，学生对特定环境中溶液微粒存在和变化情况分析，是否有明确的着眼点和思路？教师在课前深入了解学生具体情况，明确学生在复习前和复习后所要达到的具体认识水平，如此才能设计针对性活动，突破认知障碍，实现高效复习。探查方式包括制定恰当内容的课前测试，测试题可来源于原教材的课后练习、历年的高考真题和模拟题，体现较高的典型性和价值性[31];学生对题目进行解释分析，教师基于相应知识点统计正确率及错误原因，了解学生与本节课教学相对接的知识基础和认识起点[32];也可以通过解读课程标准及考试要求、整理已有文献分析学生已有水平[33]。

例如，研究者在“盐溶液的性质”复习课前，通过上述多种方式检测学生已有知识水平，结果表明，在复习前学生对溶液中微粒间的相互作用认识角度不够丰富和清晰;对水溶液中各大离子平衡的认识彼此之间是孤立的，较少主动建立它们之间的联系;不同学生在微粒种类、微粒浓度、相互作用、现象推理转化、状态改变等认识角度存在差异。针对学生已有认知水平，得出复习课的关键点——促进学生形成分析水溶液问题的整体思路;主动从分析微粒间相互作用的角度分析水溶液问题;将各大离子平衡打通，用化学平衡的一般思路分析溶液中的平衡问题;解决电离平衡与水解平衡的主次问题，明确分析多种作用共存的水溶液体系的基本方法[34]。

（2）大部分研究者注重突出各种离子平衡的内在关联，建构并外显用微粒观求解问题的思维模式。

复习课专题性强，涉及的问题通常需要综合运用多种离子平衡进行求解，而不同的离子平衡因微粒间相互作用而彼此关联影响。通过内隐思维的建构和外显，有利于明晰并深刻理解此类复杂化学问题的突破口和最优解决途径，修正错误或不合理的思路，提升解题能力。

如针对水溶液中的电离平衡，采用“微粒种类→微粒间的相互作用→作用结果”的思路进行分析[35]。针对微粒浓度大小关系，根据知识间的层级关系，强调以“微粒观”解决问题的逻辑顺序“溶质的种类→单一溶质（或多种溶质）→溶质微粒的存在形式→微粒在溶液中的行为→电离或水解或电离和水解都存在→微粒浓度大小關系”[36， 37]。而针对弱酸酸式盐（NaHR）溶液性质的分析，师生交流研讨，共同归纳基本思路——先分析该溶液中本身存在的基本离子平衡（电离平衡、水解平衡）→分析溶液中存在的微粒种类→分析微粒HR-可能与外加离子发生的反应，建立的新平衡，从平衡移动的视角预测或解释溶液性质、判断离子反应的方向和限度→分析微粒R2-可能与金属阳离子反应，建立的沉淀溶解平衡，分析从单相体系过渡到多相体系中离子平衡的应用[38]。

（3）大部分研究者关注变式情境的创设，聚焦微粒观指导作用，考察问题解决能力。

复习课不是简单知识点的重现或模式僵化的习题训练。创设情境，结合多角度关联问题开展教学活动，如教师演示实验、学生实验、学生反思、小组讨论、变式训练等[39～44]，在此过程强调微粒观的思维工具价值，深化微观—动态—联系—定量的认识方式，让复习课既生动有趣又实现其查漏补缺、提升素养的重要价值。

如分析单溶质复杂平衡体系，让学生分析预测陌生亚硫酸氢钠溶液的酸碱性，之后动手实验，促进学生主动反思分析思路;而针对多种溶质的复杂平衡体系，以实际问题为驱动，进行实验，将0.1mol/L醋酸溶液滴入10.00mL氢氧化钠溶液中，体系pH的变化，让学生利用水溶液问题的整体分析思路，解决多种溶质的复杂体系水溶液问题[45]。此外，针对溶液中微粒浓度大小，有研究者先呈现醋酸溶液中滴入氢氧化钠溶液的pH变化曲线图，让学生讨论分析曲线关键点离子浓度大小;之后再进一步分析氢氧化钠滴入醋酸溶液过程中的离子浓度大小变化，采用变式题目训练思维[46]。

5 结论与启示

基于上述分析，微粒观的建构贯穿高中化学“水溶液中的离子平衡”的教学，授课过程应关注以下几点。其一，课程设计考虑学生的学习进阶，体现微粒观建构在不同教学阶段的螺旋上升。教师要立足整个高中乃至中学阶段，基于学生在不同时期的认知水平和教学要求，设计进阶式教学，促进微粒观的纵向发展及逐步精致化。其二，结合具体情境选择合适的教学策略，多角度展示水溶液体系中离子的微观变化，除前文提及的宏观实验、模拟动画、数据演算、推理分析等形式，实物模型展示、微粒变化示意图绘制等也可应用。其三，概括外显以微粒观为基础的解题思路，关注学生认知模型的建构，避免学生知识点孤立零散。

此外，以下两方面后续可加强研究与实践。一方面，注重信息技术与课程的有效整合，发挥其信息呈现和处理的优越性。譬如对于溶液中微粒数量和种类的微弱变化，借助粗略的定性实验或传统的定量实验无法直观精准呈现，而基于手持技术数字化化学实验，通过pH传感器、电导率传感器、相关离子传感器、色度计等，可以将水溶液体系中离子变化以精确的数据及可视的图像实时呈现。再者，利用软件（如常见的PPT、 flash、万彩动画大师等）自制动画，或利用现有虚拟实验平台（如PhET互动仿真程序等），可实现以动画等立体形式，模拟展示不同情况下水溶液中各离子的情况。另一方面，重视学生课后反思和学习结果质量评价，探查学生微粒观建构的落实情况。课程结束后，学生的微粒观是否有效建构？教师可通过学生反馈进行检查，形式如学生课后反思和测试题目。其中，反思可以是紧随不同离子平衡类型的学习推进，要求学生从微观的视角分析对溶液体系有哪些新认识。测试题目不是停留在对知识点识记的考察，可依托陌生问题情境，设计开放性题目，评价焦点集中在学生问题回答的质量上（如基于SOLO分类理论进行评价），强调对学生思考角度和解题路径的考察，剖析其微粒观所处结构层次。

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