以化学观念建构为顶层设计的教学实践与思考

曾阔+蒋小钢

摘要：化学观念的形成对学生的终身学习和发展意义重大。运用顶层设计原理，以“沉淀溶解平衡”的教学设计为例，对中学化学以“观念建构为本”的课堂教学策略做了一些探讨。

關键词：顶层设计；化学观建构；教学设计；教学策略

文章编号：1008-0546（2017）04-0048-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.04.016

一、问题的提出

化学从一个特殊的视角引导人们去认识物质世界，在提高公民科学素养方面具有其他学科不可替代的作用。对于学生的长远发展，中学化学能给予他们最有价值的东西应该是什么呢？是学习和掌握更多的化学具体知识，提高解题技能？还是以具体化学知识的学习为载体，以认识和阐述物质世界的化学基本思想、方法和思维方式建构化学基本观念为重点？

化学观念的形成，对学生的终身学习和发展意义重大，更是直接影响着今后学生走出校门、进入社会后分析、解决与化学相关的实际问题的思维方式、行为方式和价值取向。因此，帮助学生形成化学观应当居于教学设计的顶层位置。

二、以化学平衡观建构为顶层设计的课堂教学策略

1. 顶层设计原理

顶层设计这一概念源自于“系统工程学”。为高效、快速完成某项任务，运用系统论的方法，从全局的视角，集中有效资源，对该目标的各方面、各要素进行统筹规划。顶层设计原理具有顶层决定性、整体关联性和实际可操作性等特征。顶层设计是自上而下展开的设计方法，核心理念与目标都源自顶层。围绕核心理念和顶层目标，强调设计对象的诸要素之间必须形成关联、匹配及有机衔接。顶层设计成果应是可实施、可操作的[1]。

由此可见，应用顶层设计处理实际问题的主要原则是：应从重大问题切入，抓住牵一发而动全身的关键问题，唯有如此，才能纲举目张，为解决其他问题铺平道路。只有做到这一点，才具有“顶层”的意义。

2. 运用顶层设计原理进行“沉淀溶解平衡”的教学

这里，以鲁科版《化学反应原理》第三章“物质在水溶液的行为”第3节“沉淀溶解平衡”的教学为例，运用顶层设计理论，以“平衡观”建构为本的课堂教学。

（1）教材分析

这节知识是在新课程标准下的新增内容。学生在第二章已经学习了化学反应限度的相关内容，在本章的教材中又通过对水的电离、弱电解质的电离、盐类的水解的学习加深了对可逆反应和化学平衡的认识。本节教学要求学生能够继续从化学平衡的视角，用平衡的观点研究新的一类平衡——沉淀溶解平衡，因此它起着“承上”的作用。同时，通过对沉淀溶解平衡的学习，学生可以更全面地了解水溶液中离子平衡的相关理论，更好地理解在溶液中发生的离子反应的本质，因此它也起着“启下”的作用。这样，在教学功能上，通过本节课的教学就可以让学生完善整个平衡体系的学习，除了巩固前面所学知识外还起着延伸、拓展化学视野的作用。从教学意义上说，沉淀溶解平衡无论对于化学知识本体的学习，还是化工生产以及人们的生活实际都有重要的意义。

（2）教学目标

①了解难溶电解质的沉淀溶解平衡，并能结合实例进行描述。引导学生主动参与实验探究、分析实验，独立思考，解决问题。

②能描述沉淀溶解平衡，能写出溶度积的表达式，知道溶度积的含义及意义。在这个过程中引导学生根据已有的知识经验，分析推理出新的知识，在对知识的运用中，完成“实验-结论-应用”的提升。

③能够运用平衡移动的观点对沉淀的溶解、生成进行分析，体会化学对生产、生活的指导作用，激发学习化学的兴趣。

（3）教材重难点

本课时教材的重点是“沉淀溶解平衡模型”的建立、溶度积常数的涵义；沉淀的溶解和生成的本质。难点是“沉淀溶解平衡模型”的建立。而沉淀溶解平衡模型的建立又是重中之重。因为沉淀溶解平衡其实就是“化学大平衡观”下的一种新的应用。一旦学生知道了有这种平衡的存在，了解了沉淀溶解平衡是一种什么样的平衡，它是如何建立的，余下的内容如这种平衡的特征、平衡常数、平衡常数的意义等知识便可根据学生已有的知识进行自主构建，所以它是重点中的重点。而这个模型的建立对学生来说有一定的难度，因此又是本节课的难点所在。

（4）学情分析

正如前面所说，学生已有了化学平衡的概念在脑海中，这就有了认知基础，有了新知识建构的前提。但这种化学平衡是他们前面没有接触过的，而且在学生的观点中可能还存在几个思维误区：①难溶物完全不溶于水。②难溶物的饱和溶液中不存在溶质的微粒（分子或离子）。③对难溶物形成饱和溶液的微观过程过于抽象，难于理解。这也是前面提到为什么沉淀溶解平衡模型的建立是难点的原因。如果这三个误区得到解决，本节课的难点也得到突破了。

（5）教法与学法

在教学方法上，仍然遵循“双主体”原则，通过讲解陈述、提出问题、布置任务、独立思考、讨论思考、动手操作、汇报交流等方式优化教学行为；采用问题教学法，用层层递进的问题来启发学生的思维，驱动学生的学习进程。学法上强调学生有意义的自主建构。另外还用到了实验探究、讨论合作、类比学习等方法。教师在整节课中要起到引导帮助的作用，并在适当时候给予鼓励性评价以帮助学生建立学会新知的信心。

教学过程：

[环节1]情景设置，引入新课

教师：[问题提出] 等物质的量的Na2SO4溶液和BaCl2溶液混合后的溶液中存在哪些离子？

设计意图：用定量的方法，以学生非常熟悉的复分解反应结果提出问题，激发思考，引出新课。

[环节2]沉淀溶解平衡模型的建立

学生：[探究实验]探究BaSO4的饱和溶液中是否存在Ba2+和SO42-。

实验内容：

第一组：

1.取0.01 mol/L的Na2SO4溶液1 mL和0.01 mol/L BaCl2溶液2 mL于试管中充分振荡，静置。

2.取上述反应后的上层清液于试管中，继续滴加数滴饱和的BaCl2溶液，观察实验现象。

第二组：

1. 取0.01 mol/L的Na2SO4溶液2 mL和0.01 mol/L的 BaCl2溶液1 mL于试管中充分振荡，静置。

2.取上述反应后的上层清液于试管中，继续滴加数滴饱和的 Na2SO4溶液，观察实验现象。

教师：[引导讨论]两支试管为何又产生了白色沉淀？

设计意图：

1.学生通过自己动手实验形成与原有认知的冲突，走出思维误区：难溶物饱和溶液中没有溶质的离子存在。

2.充分发挥实验在化学教学中的作用，调动学生的积极性。

教师：[演示实验]课本P90，PbI2固体的溶解平衡。

学生：[定量推证]推算室温时，100 g水中大约能溶解多少氢氧化镁。

测饱和氢氧化镁溶液的pH≈10，从而推出[OH-]=10-4 mol/L，那么发生电离的氢氧化镁的浓度为5×10-5 mol/L，这部分氢氧化镁的质量约为2.9×10-4g。但事实上，氢氧化镁是一种弱电解质，不可能发生完全电离，因此，此时水中溶解的氢氧化镁总质量应该大于2.9×10-4g 。通过查阅资料，室温时，氢氧化镁的溶解度约为2.9×10-3g。

设计意图：此处为教师演示教科书上“观察·思考”的实验。考虑到学生对PbI2并不熟悉，所以前面用BaSO4的例子让学生探究。而这里教师采用演示实验，目的是加以验证沉淀溶解平衡的普遍性，同时培养学生从个别演绎到一般的思维方式。通过前面两个实验，学生对难溶物的溶解性有了一定的感性认识，是否能从定量的角度用最直观的数据来加深学生对难溶物的认识呢？于是设计了定量推证的活动。从定量的角度，通过近似估算，用具体的数据让学生体会到难溶物不是不溶，只是溶解的程度很小，从而走出思维误区：难溶物绝对不溶是错误的。

教师：[讲解陈述]

设计意图：解决学生的思维误区：难溶物的溶解是绝对的，不溶只是相对而言。

教师：[动画演示]氯化银的沉淀溶解微观过程

设计意图：化抽象为直观，有利于学生的理解，解决思维误区：难溶物形成饱和溶液的微观过程不清楚。

教师：[讲解陈述]这种平衡状态叫做沉淀溶解平衡。可表示为：

BaSO4 （s）[?]Ba2+（aq）+ SO42-（aq）

PbI2（s）[?]Pb2+（aq）+ 2I-（aq）

设计意图：通过学生的定性实验探究、定量推证和一个动画演示，此环节解决了学生三个思维误区即：难溶物完全不溶、难溶物饱和溶液没有溶质的离子存在和难溶物形成饱和溶液的微观过程不清楚。进而突破难点，建立起沉淀溶解平衡的概念。

[环节3]沉淀溶解平衡的特征

教师：[提出问题]化学平衡具有哪些特征？

学生：[交流研讨]回顾化学反应平衡的特征及相关知识。

设计意图：

1.采用问题教学法创设情境，用问题启发学生思维，指引学生分析出正确的结论。

2.利用学生已有的化学平衡知识建构沉淀溶解平衡的相关知识，体现自主建构的学习方法。

在这个过程中，不仅要引导学生回顾可以用动、等、定、变从定量的角度来描述化学平衡的特征，更可以从定量的角度用化学平衡常数K来衡量可逆反应发生的限度。有了前面的知识铺垫，学生不难从平衡常数的相关知识推导出沉淀溶解平衡的平衡常数Ksp的有关内容。通过同类知识间的同化、顺应、迁移，学生在已有知识基础上自主构建出Ksp的表达式、影响因素、意义等知识。

学生：[练习巩固]教材P91表3-3-1

比较AgCl、AgBr、AgI的溶解能力的大小，比较Mg（OH）2、Cu（OH）2溶解能力的大小。

设计意图：加深学生对Ksp意义的理解，即表征难溶物在水中的溶解能力大小。

教师：[提出问题]我们又如何从浓度因素定量判断化学平衡的移动方向？对于沉淀溶解平衡而言又当如何呢？

学生：[汇报交流]学生通过回忆已学过的知识得出结论：

Q > Ksp 沉淀生成

Q < Ksp 沉淀溶解

Q = Ksp 达到沉淀溶解平衡状态

设计意图：

1.学会从定量的观点理解沉淀溶解平衡移动。

2.再次体现建构主义思想，同时为沉淀的生成、溶解本质的学习作铺垫。

[环节4]知识应用：沉淀的溶解与生成

学生：[交流研讨]运用此结论解释前面BaSO4及PbI2的实验现象。

学生：[阅读思考]阅读书本P92实例一、实例二后请学生回答。

设计意图：

1.对前面两个实验进行解释，前后呼应，加深理解。

2.讓学生尝试运用微粒观、定量观、变化观独立分析问题。

3.使学生认识到化学对生产、生活的贡献，激发学生学习化学的兴趣，达成情感态度价值观的教学目标。

[环节5]思维凝练、提升方法、形成观念

学生：让学生根据这节课的学习经历总结。

（1）自然科学探究的一般方法，如图1所示。

（2）建构化学平衡观，如图2所示。

设计意图：通过本节课的学习

1.让学生进一步了解自然科学探究的一般过程和方法。

2.让学生通过对具体化学知识学习，培养学生逐步形成主动运用化学的思想方法去分析和处理所遇事物或问题的自觉意识和思维习惯，也就是化学观。

3. 教学反思：运用顶层设计原理建构化学平衡观。

知识、化学学习能力和化学基本观念是中学化学课堂教学中不可缺少的三个要素，对应着教学目标的三个维度。化学知识、能力与化学观之间的关系可以表示为图3所示。

其中，化学观的形成对学生的终身学习和发展意义最大，是居于最上位的，属于顶层设计。化学知识和化学学习能力的获得都应通过一系列的教学行为，密切围绕形成化学观的最终目标有计划、有步骤的进行关联和展开；化学观反过来对化学知识和化学学习能力的习得起到潜移默化的规范和指导作用，有利于增进学生对知识的深刻理解，促进学生学习方式的转变和科学素养的全面发展[2]。

通过这节课的教学，除了让学生掌握本节课所涵盖的知识与技能外，更希望能够引导学生通过本节课的学习总结出这样一种思维过程：即首先发现可逆过程，然后建立平衡模型，进而分析平衡特征，总结平衡规律，最后应用于平衡问题的解决中。从而进一步让学生感悟到在他们学习多种不同的平衡体系过程中逐步形成的一种化学平衡观。在大平衡观的引领下，一旦今后遇到有关平衡的问题便可以自觉形成这样一种思维习惯来解决问题。

四、结语

从长期的教学实践来看，许多学生从学校毕业走向社会后都不一定从事与化学相关的工作，但是中学的化学教育对他们仍然具有重要意义。伴随着具体化学知识的学习而逐渐形成的化学基本思想和方法，它能在潜意识中支配着学生的思维方式和行为方式。它表现为学生能够自觉运用化学科学的观点、思路和方法去认识周围的事物，去分析和解决实际问题。这就是化学观念的教育价值所在！因此，把培养学生形成正确的化学基本观念作为中学化学教学的高观点和大视角，置于化学课堂教学设计的最顶层位置，显得尤为重要，上述教学设计的立足点和归宿都是围绕化学平衡观的建构进行的。

但是，化学基本观念不是具体的化学知识，也不是化学知识的简单积累[3]。如，化学平衡观的建构，它是学生基于自己的认知基础，是对化学学科特征的深刻理解和对前面所学的化学反应的限度、水的电离、弱电解质的电离、盐类的水解等知识的高度概括和升华，是学生深入思考和内心体验的结果。毕华林教授认为：化学基本观念的形成既不可能凭空产生，也不可能通过记忆大量化学知识自发形成。化学观念的形成需要学生在主动的探究学习活动中，深刻理解和掌握有关的化学知识，不断提升形象和逻辑思维能力，在知识的学习过程中不断反思、概括、提炼而成[4]。因此，化学基本观念的形成影响着学生处理实际问题的价值取向和行为方式，具有超越具体知识的持久价值和广泛的迁移作用，因而意义重大。

参考文献

[1] 闻邦椿.顶层设计原理方法应用[M].北京：机械工业出版社，2014，5：1-12

[2] 辛本春.中学生化学基本观念培养的研究[D].济南：山东师范大学，2008，4：1-5

[3][4]畢华林，卢巍.化学基本观念的内涵及其教学价值[J].中学化学教学参考，2011（6）：3-6

[5] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准 （实验）[M].北京：人民教育出版社，2003：8

[6] 王磊.普通高中课程标准实验教科书：化学反应原理（选修）[M].济南：山东科学技术出版社，2012，7：90-93