基于学生认知障碍的化学概念课教学

程俊

摘要：学生的认知障碍是影响化学概念教学效果的重要因素，教师提前分析和把握学生在概念学习中的认知障碍，将大大提高化学概念教学的效果。基于学生的认知障碍，教师应首先激发学生的认知冲突，而后遵循概念的建立、辨析、同化、运用四个步骤来进行教学设计。

关键词：认知障碍；概念课；辨析；同化；运用

文章编号：1008-0546（2016）09-0017-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.007

在目前的概念教学课堂中，由于教师普遍对学生的认知障碍把握不准确、不完整，同时没有很好地结合概念课教学的特征和规律，所以，教学效果不甚理想。

“难溶电解质的溶解平衡”具有化学平衡的基本特征、满足化学平衡的基本规律，是化学平衡学习的延伸、拓展，是对平衡理论体系的丰富和完善。因此，“难溶电解质的溶解平衡”教学是选修四《化学反应原理》的典型课题，以此研究为契机，能发现很多概念课教学的共性问题，对学生进行概念理论的学习有更高层次的指导。

一、学生的认知障碍及分析

分析学生在高三一轮复习前后关于“难溶电解质溶解平衡”的掌握情况，发现主要存在如下六个层次的学习障碍。

1. 电解质投入水中的行为有哪些？先后顺序是怎样的？

比如BaCO3投入水中，是先有CO32-的水解，还是先有BaCO3的电离？因为先后顺序不清，学生将BaCO3能溶解于酸的问题归因于CO32-水解呈碱性，而不是BaCO3的沉淀溶解平衡移动。先后顺序决定着物质变化的从属关系、主次关系，只有弄清了主次关系，才能抓住主要矛盾。

2. 认为易溶电解质在水溶液中不存在沉淀溶解平衡。

比如胆矾晶体的析出、AlCl3·6H2O晶体的析出、侯氏制碱法中NaHCO3的析出，学生不能从沉淀溶解平衡的角度去理解。

3. 不理解难溶电解质的溶解平衡符号的意义，不能用规范的符号表征平衡，很容易将沉淀溶解平衡与电离平衡等问题相混淆。

4. 难以识别平衡体系

何处存在难溶电解质的溶解平衡？何时用难溶电解质的溶解平衡移动解决问题？

如2014届广州一模第32题，“常温下向AlCl3溶液中不断通入HCl气体，可析出大量AlCl3·6H2O晶体，结合化学平衡移动原理解释析出晶体的原因”。最典型的错误是：学生认为平衡体系是Al3+的水解，而不是 AlCl3·6H2O的沉淀溶解平衡。究其原因，是高二教学时，学生没有弄清盐类水解平衡、沉淀溶解平衡各自适用的范围，这些平衡体系该如何区分。

5. 知道难溶不等于不溶，但在实际情境中不会应用。

如2011广东高考第33题，对于单一的BaCO3饱和溶液（pH=9.6），学生知道其中含有Ba2+和CO32-，但是当其中混有Ba（OH）2溶液时，学生就不能综合分析其成分和性质，忽视了上层清液也是BaCO3饱和溶液，对于pH>9.6很难理解。这是对于沉淀溶解平衡体系的两相共存问题把握不准确。

6. 理解了物质的溶解度随温度降低而降低、蒸发能使物质结晶，但是当溶液中还有其它成分时，学生常常没有综合考虑的意识。

如提问“在2mLAgNO3溶液中加入2mLNaCl溶液，沉淀静置后，如何证明溶液中还同时存在Ag+、Cl-？”学生会提出蒸发结晶、降温结晶、或电解看能否生成Cl2，没有考虑到，在Ag+、Cl-的浓度如此之小的情况下，溶液中大量存在的NaNO3、H2O等物质时可能会发生变化。学生没有学会在复杂的情境中综合考虑难溶电解质的溶解问题。

从上述分析中，我们发现这些障碍都应该是在高二新课教学中就已经形成，今后在高三复习中怎么弥补似乎都难以达到很好的效果。因此，要在高二新课教学时就注意帮学生建立科学的概念和完整的理论体系，否则学生思维的混乱和心理上的惧怕将会一直延续下去。

二、基于学生认知障碍的化学概念教学

基于学生认知障碍的概念教学相对于普通概念教学的优势在于，它直指学生可能会出现的问题，设计能激发认知冲突的问题情境，揭示概念的内涵与外延，使学生在一开始就意识到本概念在整个理论体系中的地位和联系、将障碍消除在源头，达到深刻理解概念、灵活运用概念的目的。

基于上述对学生学习障碍点的分析，我们以“难溶电解质的溶解平衡”教学为例，在实践中探索概念教学的四个策略。

1. 重视概念的形成：首先，找到我们已学的上位概念

难溶电解质溶解平衡的上位概念有溶解度、化学平衡、电解质、离子反应等。深刻理解这些上位概念与难溶电解质溶解平衡概念之间的关系，可以有利于概念的建立与同化。然后从学生熟知的生活事实和实验中提供感性材料，引导他们抽象出相应的化学概念，才能使学生较好地掌握概念的实质。

【环节1】回顾旧知

（1） 将NaCl固体投入蒸馏水中充分溶解至有固体剩余，体系中存在的微粒有哪些？

（2）在这个体系中通入HCl气体，会有什么现象？

归纳：易溶电解质在水中存在沉淀溶解平衡。

【环节2】实验激疑

【教师】 向0.1mol/L的MgCl2溶液中滴加0.02mol/L的NaOH溶液，请预测实验现象。

【学生】会产生白色沉淀。

【教师】演示实验。

【学生】好奇怪！先无沉淀后产生沉淀。

【教师】提问：为什么会这样？ ①出现沉淀前，溶液（试管Ⅰ）中有OH-吗？

【学生】有OH-，因为没有反应。

【教师】Mg2+与OH-能共存吗？

【学生】应该可以少量共存。

【教师】必修中学离子反应时，讲到Mg2+与OH-能共存吗？

【学生】对了，必修中一直强调能发生离子反应的离子不能大量共存。那就是说能不能发应还跟量有关。

【教师】②出现沉淀后，在完全反应前，溶液（试管Ⅱ）中存在OH-吗？

【学生】都消耗了，不存在了。

【教师】我们可以想办法证明OH-是否存在吗？

【学生】用酚酞指示剂。

【教师】演示实验：在试管Ⅰ和试管Ⅱ的溶液中分别滴加一滴酚酞。

【学生】 发现溶液都变红。说明溶液中一直存在OH-，即使产生了Mg（OH）2沉淀。

【教师】那么，这就说明，即使我们认为的相对完全的反应，转化率也不是100%。这个试管里就是一个Mg2+、OH-与Mg（OH）2共存的体系，一个平衡体系。下面，我们可以将生成沉淀的反应转化为Mg（OH）2固体溶解的反应。

【环节3】类比迁移、建立概念

【教师】从物质的分类角度看，Mg（OH）2属于哪一类物质？含有哪些微粒？[1]

【学生】Mg（OH）2属于碱，含有Mg2+与OH-。

【教师】将Mg（OH）2固体投入蒸馏水中充分溶解至有固体剩余，Mg（OH）2会发生什么变化？体系中存在的微粒有哪些？怎样用实验证明？

【学生】Mg（OH）2会电离出Mg2+与OH-，溶液中存在的微粒有：Mg（OH）2、Mg2+、OH-、H2O、H+ （极少量），用酚酞试剂证明OH-的存在。

【教师】演示实验：在Mg（OH）2悬浊液中滴加一滴酚酞。

【学生】发现溶液变红，证明OH-确实存在。

【教师】我们只在水中加入了Mg（OH）2固体，有OH-就有Mg2+，那么，这就是一个Mg2+、OH-与Mg（OH）2共存的体系，一个平衡体系。（介绍平衡的建立过程。）

2. 注意概念的辨析

有些概念是成对出现的，两个概念同属于一个种概念且呈矛盾状态（如强弱电解质，氧化剂还原剂等）；有些概念是由某一概念通过逐步推广引申而得到的（如化学平衡与溶液中的各种平衡，化学反应与能量和电化学等）；有些概念是理论相近但适用于不同体系的（如弱电解质的电离平衡、水解平衡与难溶电解质的溶解平衡）等等。特别是盐类的水解平衡与难溶电解质溶解平衡体系，很多学生容易混淆，在今后的应用中感觉十分困难。

注意对相近、对立、衍生概念之间的比较，特别是通过反例来纠正学生在理解概念中的错误，有利于学生准确理解概念。[2]

【环节3】下列几个体系，请问哪些体系中存在沉淀溶解平衡？（提供体系图片）

醋酸溶液、硫酸铜溶液、已经析出晶体的硫酸铜溶液、氯化铁溶液、Mg（OH）2溶液、Mg（OH）2悬浊液

难点剖析：对于已经析出晶体的硫酸铜溶液体系，存在两种平衡，即Cu2+的水解平衡、CuSO4·5H2O的沉淀溶解平衡。当要解决Cu2+向Cu（OH）2的转化时，用水解平衡；当要解决CuSO4·5H2O晶体的析出或溶解时用沉淀溶解平衡。沉淀溶解平衡一定是两相之间的转化。

归纳：沉淀溶解平衡存在于悬浊液中，无论是易溶物还是难溶物。

3.落实概念的同化

所谓概念同化，是指学生利用认知结构中原有的有关概念来同化新概念，从而获得科学概念的过程。在旧的知识体系中学习新概念，可深化对所学概念的认识，有利于将新学概念同化到原有的知识体系中。例如对难溶电解质的溶解平衡，它和之前所学的弱电解质的电离平衡、盐类水解平衡一样，具有化学平衡的一般属性，即具有“等、定、动、变”的特性，也有一个平衡常数。只是它适用的体系不同，继续丰富了平衡理论。因此，学习的方法可以迁移。

【环节4】沉淀溶解平衡的影响因素（沉淀溶解平衡也可以移动）

思考与交流：提供一瓶Mg（OH）2悬浊液，请问有哪些措施可以影响Mg （OH）2的沉淀溶解平衡体系，请提出合理的方案。

汇报提纲：对Mg（OH）2悬浊液的措施；平衡移动方向；促进固体溶解还是促进固体析出；对微粒浓度的影响（c（Mg2+） c（OH-） ）。

学生最容易提出的措施是：放入热水浴、放入冰水浴、滴加蒸馏水、加Mg（OH）2固体、滴加浓MgCl2溶液、滴加浓NaOH溶液、滴加浓盐酸；滴加FeCl3溶液或其它盐。

问题解决1：

【学生1】向Mg（OH）2悬浊液中滴加蒸馏水，平衡向左移动，c（Mg2+）、c（OH-）都减小。

【学生2】不一定啊！

【教师】怎么不一定？

【学生2】如果滴加蒸馏水后溶液中的固体全部溶解了，那么溶液变得更稀，c（Mg2+）、c（OH-）都减小。如果滴加蒸馏水后溶液中的固体还有剩余，但平衡向右移动，c（Mg2+）、c（OH-）都增大。

【学生3】不可能都增大，始终加了水啊！

【教师】那c（Mg2+）、c（OH-）到底变不变？怎样变？有没有什么标准？

【学生4】对了，只要固体还有剩余，始终是平衡体系，是同温度下的饱和溶液，所以c（Mg2+）、c（OH-）应该都保持不变。

【教师】很好，大家考虑问题很有深度。

问题解决2：

【学生】滴加FeCl3溶液，Fe3+也能结合溶液中少量OH-吗？平衡能移动吗？

【教师】演示实验：在Mg（OH）2悬浊液中滴加几滴FeCl3溶液，振荡后静置。

【学生1】发现产生了红褐色沉淀，上层清液无色，下层的白色沉淀减少。

【学生2】说明Fe3+消耗了，与OH-结合产生了Fe（OH）3沉淀。

【学生3】使Mg（OH）2的沉淀溶解平衡向右移动，使Mg（OH）2沉淀减少。c（OH-）减小，c（Mg2+）增大。

【学生4】 为什么Fe3+能夺取与Mg2+结合的OH-？那反过来在Fe（OH）3悬浊液中滴加MgCl2溶液，也能将红褐色沉淀转化为Mg（OH）2白色沉淀吗？

【教师】这是一个好问题，我们不妨用平衡常数来解决。

【环节5】沉淀溶解平衡常数（沉淀溶解平衡也有平衡常数）

深度思考：

（1）请写出AgI、Fe（OH）3、Ag2SO4的沉淀溶解平衡方程式和溶度积表达式。（落实符号的书写规范与理解）

（2）请查阅书本上的难溶电解质Ksp数据，思考并回答下列问题：

在25℃时，在0.1mol/LAgNO3溶液中加入氯化钠固体，c（Cl-）= 时，开始产生沉淀。

若c（Cl-）≠1.8×10-9mol/L呢？（归纳Qc与Ksp的关系所反应的溶液状态。）

【教师】为何之前的实验，向0.1mol/L的MgCl2溶液中滴加0.02mol/L的NaOH溶液，在试管Ⅰ中没沉淀，而试管Ⅱ中有沉淀？

【学生】因为试管Ⅰ中c（OH-）太小，Qc：Mg（OH）2Ksp：Mg（OH）2，所以，溶液产生沉淀。

【教师】那么现在试管Ⅱ中，Qc与Ksp是什么关系？

【学生】Qc：Mg（OH）2=Ksp：Mg（OH）2，因为现在是饱和溶液、处于动态平衡状态。

【教师】 所以我们在必修中讲的Mg2+和OH-可以少量共存，不能大量共存，原因在这里。

在25℃时，在0.1mol/LAgNO3溶液中加入碘化钾固体，当c（I-）= 时，开始产生沉淀。

④比较上述①③的数据，我们能得出什么结论？Ksp数据能给我们哪些信息？（比较物质的溶解性、沉淀顺序）

⑤在两支0.01mol/L的NaOH溶液中，分别同时逐滴滴入MgCl2溶液和FeCl3溶液，先产生的沉淀是什么？（映证Fe3+能使Mg（OH）2沉淀发生转化。）

4、 加强概念的运用

在教学中，应加强概念的应用，围绕着一个概念要配备多种问题情境，让学生从多角度，多层次上去进行运用。先巩固性运用，后综合性运用，在运用中达到切实掌握化学概念的目的。

【环节6】综合运用问题示例

难溶电解质在水中溶解度虽小，但若平衡发生移动，也会在生产、科研、环保等领域有重要的应用。可以提供很多例子给学生解释、分析。如：请用平衡移动的原理解释：为何Mg（OH）2能溶于NH4Cl溶液？如何除去锅垢？牙齿表面由一层硬的、组成为Ca5（PO4）3OH的物质保护着，哪些生活习惯会导致牙齿的腐蚀？如何保护牙齿？

在落实概念的运用时，需要不断强化思维的有序性，即：找到已存在的平衡体系→分析外界施加的影响因素→外界因素对平衡体系的直接影响→平衡移动的方向→造成的结果。

三、课后反思与专家评价

1. 创新之处

（1）从学生学后的认知障碍出发，先研究学生将会出现的学习困难，再有针对性地设计课堂，有效降低了学习的难度，提高了课堂的有效性。

（2）以概念课的教学理论与策略来指导本节教学的设计，契合度很高，对障碍的化解有很强的指导意义。

（3）借助实验制造的认知冲突贯穿整节课，实现了从去问题到激发认知冲突的转变，在认知冲突中帮助学生完善认知结构。

（4）关于溶度积Ksp的计算，教学目的不仅是为了计算，更帮助学生从定量的角度深入理解沉淀生成和转化的条件。

（5）关于Fe3+能使Mg（OH）2沉淀发生转化，先用实验证明，再用平衡理论解释，进而用符号表征，最后再通过计算佐证，很有深度。实现了学生从定性→定量、从宏观现象→微观解释→符号表征的概念原理认识思路。

2. 待改进之处

（1）关于“难以识别平衡体系”的障碍，学生在课后仍然存在，值得继续想办法化解。

（2） 应该尽量创造条件让学生实验代替教师演示，给学生的印象更加深刻。

参考文献

[1] 党玉杰.新课程标准下高中数学概念的教学探究[J]. 课程教育研究，2013，（01）：97-98