促进化学学科理解的单元教学实践

谭湘湘 何彩霞

摘要： 促进化学学科理解是发展学生学科核心素养的重要内容，其目的不仅是让学生获得对学科知识的理解，更为重要的是建构学科特有的思维方式和方法。以学科大概念为统领开展单元教学，以“离子反应”单元教学为例，以“电离”“离子反应”等概念的构建为载体，基于宏观事实的观察及其微观原因的探析，引导学生形成由宏微结合到从微观角度认识溶液中酸碱盐的性质与反应的思维发展，提升解决实际问题的能力，促进化学学科理解。

关键词： 化学学科理解； 学科大概念； 离子反应； 单元教学

文章编号： 1005-6629（2022）11-0049-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》［1］（以下简称“课标”）指出，“化学学科理解是指对化学学科知识和具有化学学科特质的思维方式方法的理解”，要求教师“应结合具体的化学教学内容的特点和学生的实际，引导学生开展分类与概括、证据与推理、模型与解释、符号与表征等具有学科特质的学习活动”“有目的、有计划地引导学生运用化学学科思维方式和方法学习化学知识，注重引导学生在化学知识结构化的自主建构中理解化学核心观念”。从教学设计的角度看，以学科大概念为统领开展单元教学，引导学生在建构知识结构的基础上，建立解决问题的思维方式和方法是促进学科理解的关键［2，3］。

离子反应作为重要的化学概念知识，是高中化学必修阶段从微观角度认识水溶液中物质及其变化的开端，承载着发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知等素养的重要功能，对发展学生的微观认识，建构化学观念，促进学科理解有重要价值。

然而，学生对于“离子反应”的认识和应用等往往产生较多问题，习惯于从宏观角度分析问题，从微观角度认识水溶液中物质的反应，存在一定困难［4］。究其原因，以往教学主要侧重于知识的讲解训练，不利于学生理解知识，难以发展学生的思维能力。为此，本文依据以学科大概念为统领促进学生知识理解、思维发展和能力培养同步协调统一的化学教学主张［5］，以“离子反应”单元为例开展促进化学学科理解的单元教学实践的探索。

1 学科大概念统领下的单元知识结构与认识思路

“电离与离子反应”属于必修课程主题2“常见无机物及其应用”中的重要内容，新课标的要求［6］是：认识酸、碱、盐等电解质在水溶液中或熔融状态下能发生电离，通过实验事实认识离子反应及其发生的条件，了解常见离子的检验方法。

从学科知识的角度看，物质的宏观性质及变化是由其组成和结构决定的，受外界一定条件的影响。就常见的酸、碱、盐的水溶液而言，溶液的宏观性质是由溶液的组成、溶液中的微粒及微粒间相互作用所决定的，这是“物质的组成和结构决定其性质”这一学科大概念的具体体现。据此，梳理学科大概念统领下的“离子反应”单元知识层级结构（见图1），可以厘清宏观的现象（事实）、概念（电离、离子反应）与学科大概念之间的关系，将外在的物质的宏观性质、反应的现象与物质内在的微观实质进行关联和分析，可以帮助学生弄清楚物质性质与反应的本质和规律，增进对学科知识的深刻理解。

從学科知识认识发展的功能看，“电离”“离子反应”概念揭示了电解质在水溶液中的变化及反应的微观实质，其意义和价值在于提供了从微观认识电解质水溶液的组成、性质及反应的新视角和新方法，这是“离子反应”单元教学的核心，即以“电离”“离子反应”概念的学习为载体，重在引导学生从微观角度认识常见的酸、碱、盐在水溶液中的变化及其微粒的存在形态，从宏观现象深入微观本质，发展学生从离子角度认识溶液中酸、碱、盐的性质与反应，建立相应的认识思路并应用于解决实际问题。

2 促进化学学科理解的单元教学目标与教学流程

2.1 单元教学目标

（1） 探究NaCl在水溶液中和熔融状态下的导电情况，依据实验事实，绘制微观示意图并作解释分析。结合酸、碱溶液可导电的实验，让学生自主建构电离概念，能用电离方程式表示单一物质（酸、碱、盐）的电离，加深对物质分类的认识。可根据实验证据，绘制微观图示，识别电导率图，自主建构离子反应概念，能运用离子方程式表达两种物质参与反应的过程，厘清物质性质与反应的本质和规律，增进学科知识的理解。

（2） 基于电离、离子反应重要概念的认识，从不同宏观实验现象到微观示意图，再到符号表达，建立“宏观-微观-符号”的关联，从微观角度认识常见酸、碱、盐在水溶液中的变化及微粒的存在状态，从复分解反应的条件及本质感受离子方程式承载的意义，逐步形成从离子角度认识溶液中酸、碱、盐的性质及其反应的思路和方法，实现思维发展。

（3） 针对粗盐精制的实际问题，经历对粗盐精制水溶液中单一、复杂离子除杂的分析过程，在教师引导下能够思考并从微观离子的角度设计物质转化、分离、提纯、检验等方案，建构水溶液中杂质离子去除的思维模型并加以应用。认识离子反应在实际生产中的重要作用，体会离子反应学习的重要性，了解侯氏制碱工艺等化学史实，有正确的价值判断，愿意参与有关化学问题的社会实践活动，实现能力情感培养。

2.2 单元教学流程

本单元教学共分为三个课时进行。

第1课时，创设生活情境。根据海岛居民加入海水使LED灯发亮的现象，探究NaCl溶液能够导电的原因，以及熔融状态也可导电的宏观现象，绘制微观图并解释导电行为；结合HCl气体、NaOH固体不导电，但溶于水后可导电的现象，建立起电离的概念，能使用化学符号即电离方程式表达酸、碱、盐的电离过程；从电离的角度给酸、碱、盐进行界定，并对化合物进行分类。

第2课时，创设实验情境。通过氢氧化钡分别与硫酸钠、硫酸溶液反应出现白色沉淀的宏观现象，绘制微观图，分析微粒变化。考虑水溶液中离子间的相互作用，建立离子反应概念，学习离子方程式的书写方法，通过电导率的对比分析，理解离子反应的实质；通过碳酸钙与盐酸反应产生气体等实验现象，共同归纳离子反应发生的条件；从离子反应角度分析SO2-4+Ba2＋BaSO4↓所能代表的物质间的反应，体会离子反应的意义。

第3课时，创设生产情境。海水资源中得到的粗盐一般含有多种可溶性杂质，情境设问“利用离子反应可做些什么”“如何利用单一、复杂水溶液的除杂问题进行粗盐提纯”，建构思维模型并予以应用。通过实验探究杂质是否除尽等相关问题，认识离子的转化、分离、提纯、鉴定等在实际生产中的重要作用，深化对离子反应本质的认识，体会离子反应的重要性，并激发爱国情怀与信念。

单元整体教学流程计划见图2。

3 单元视角下的课时教学举例

“离子反应”单元教学三个课时中，第1、 2课时重在从微观视角认识水溶液中的物质及其离子反应，第3课时则聚焦于应用离子反应解决具体实际问题，让所学知识转化为化学学科理解，使学生形成在新的情境中分析、解决实际问题的能力，落实立德树人的根本任务。选择第3课时的教学实录概要如下。

3.1 创设情境

［教师］介绍海水资源，重点谈海水资源中的粗盐。初中粗盐中泥沙等难溶性杂质如何去除，说出主要的处理步骤。

［学生］过滤、蒸发。

［教师］粗盐中还有多种可溶性杂质离子，利用我们所学的离子反应可以做些什么？

［学生］除杂、分离、提纯、检验等。

设计意图：通过海水资源创设情境，激发学生兴趣，关注海水获得的粗盐与离子反应的关系，为后续的粗盐精制做准备。

3.2 建构思维

［教师］粗盐中可溶性杂质较多，SO2-4是其中一种，应该如何去除？小组讨论并设计

除杂方案。

［学生1］加氯化钡溶液，过滤。

［教师］为什么加氯化钡溶液，加多少呢？

［学生1］钡离子可以除去硫酸根，而且不引入新的杂质。但应该加适量。

［学生2］工业生产时难以做到适量控制，通常都是加过量。

［教师］确实存在这样的实际情况，如果加过量会带来什么新的问题，怎么办？

［学生2］加过量碳酸钠溶液，碳酸根除去多余的钡离子，过滤，最后加盐酸，氫离子除去碳酸根。

［共同小结］考虑到不同的试剂、用量、新引入杂质的去除等问题，建构简单水溶液中去除杂质离子思维模型。

［教师］思路很好。美中不足的是：工业生产时应有一定的检测机制。加入氯化钡溶液过滤后，如何检验杂质离子是否除尽？请完整描述你的操作。

［学生］取过滤后的溶液，加氯化钡溶液或硝酸钡溶液或氢氧化钡溶液，若没有白色沉淀生成，则说明溶液中硫酸根已除尽。

［整理］实验现象的操作描述，并整理微粒检验的一般思路。

设计意图：简单溶液体系中，对单个离子进行除杂。学生主动考虑试剂选择、用量等问题，初步建构简单水溶液中除杂的思维模型和微粒检验的一般思路。

3.3 应用思维

［教师］实际粗盐中可溶性杂质较多，主要含Ca2+、 Mg2+、 SO2-4等，应该如何除杂？小组讨论商议。

［学生1］先加过量氯化钡溶液，钡离子除去硫酸根离子，再加过量碳酸钠溶液，碳酸根离子除去钙离子和镁离子以及过剩的钡离子，过滤，最后加适量盐酸，除去多余碳酸根离子。

［学生2］不对，根据课本溶解性表，应该用氢氧根离子除去镁离子，沉降更彻底。所以在加入盐酸前，加入过量的氢氧化钠溶液。

［教师］点评学生已具备微观粒子的角度思考问题，思路清晰，证据充分。

［学生3］直接加氢氧化钡可以吗？因钡离子可以去除硫酸根，氢氧根离子又可以去除镁离子，且不引入新的杂质，节省了步骤。

［学生4］不好，氢氧化钡溶液要同时承担两个角色，很容易加过量，增加除杂的成本。

［教师］由文献得知，从海水获取的粗盐中镁离子的含量远远大于硫酸根离子，而氢氧化钡溶液中钡离子与氢氧根离子数量比为1∶2，导致完全沉淀硫酸根离子需要消耗更多的氢氧化钡溶液，其成本比氯化钡溶液高很多，且钡离子是重金属离子，过量会导致环境污染。

［整理］每一步所用试剂的顺序和作用，让学生分别用离子方程式表示。

［教师］播放某兴趣小组的粗盐精制实验短视频，仔细观察与对照学生所预期的实验步骤的出入情况？

［学生］最后未加盐酸，每个步骤结束未检验。

［教师］大家观察很仔细，视频中依次加入了3种试剂并过滤，得到的溶液需要检验哪些离子呢？小组讨论。

［学生］在此情境中，主要有Ca2+、 Mg2+、 SO2-4、 Ba2+、 CO2-3、 OH-等杂质离子。未加盐酸前，CO2-3、 OH-离子过量，Ca2+、 Mg2+、 SO2-4、 Ba2+离子可以依次用试剂检验。

［教师］还有其他思考吗？能否经过梳理分析，简化操作？

［学生］3个阳离子与过量CO2-3、 OH-离子不可共存，均不用检验，只需检验SO2-4。

［教师］如果大家桌前放有上述视频中过滤后的清液，如何检验杂质离子是否除尽？

［学生实验］加入氯化钡溶液后，发现有白色沉淀，说明有SO2-4。

［教师］还有不同意见吗？白色沉淀一定是硫酸钡吗？如何进一步确认？请用实验证据证明。

［学生］试管加入稀盐酸，发现沉淀溶解，判定没有SO2-4。

［补充］真的没有SO2-4了吗？今后学习沉淀转化和盐效应知识，答案会不同。根据最新文献介绍的科学的除杂顺序为：在粗盐水中应先除去SO2-4，加过量氯化钡溶液并过滤；氢氧化钠和碳酸钠溶液加入的顺序无讲究或者可同时加［7］。

［整理］复杂环境中SO2-4离子的检验方法。

［共同小结］总结完善试剂加入的顺序，提炼出复杂水溶液中杂质离子去除的思维模型（见图3）。

设计意图：复杂溶液体系中，对粗盐中存在的较多的杂质离子进行除杂。学生应用初建模型，主动考虑试剂、用量、顺序、检验等问题，并对杂质离子是否除尽进行推理和实验，使模型升级，形成复杂水溶液体系中如何除杂的新的思维模型。

3.4 拓展思维

［教师］离子反应不仅可以将可溶性杂质转化为沉淀或气体，实现物质的分离、提纯、鉴定，还可以制备物质。介绍侯氏制碱法。

［学生］倾听、感受、思考、记录。

［小结］历史上“侯氏制碱法”的发明是中国人的骄傲，这样的事例还有很多。从贸易制裁到孟晚舟归国，有一种色彩叫“中国红”，今天我们见证“中国红”，希望明天在座的我们可能参与其中，再续“中国红”的辉煌！

设计意图：通过侯氏制碱等化学史实的介绍，激发学生的爱国热情及学习兴趣，体会离子反应的重要性，增强社会责任感。

4 单元教学反思

通过教学实践，包括课前课后的调研问卷对比、课堂观察、课后作业反馈等，本单元教学目标的达成情况良好，总结有两点主要体会：

第一，开展“宏微观”视角的结构化单元教学，有助于发展学生微粒观的思维方式，促进化学学科理解。以学生的认识为导向，发展学生从微观角度认识溶液中的物质及其变化，将离子反应的学习、应用和学生的认识发展有机结合起来。基于生活常识和实验事实，引导学生绘制微观粒子示意图，帮助学生建立“微粒观”，围绕核心概念展开教学活动。通过试管实验，将“宏观-微观-符号”三重表征相结合，体会溶液中微粒间的变化和作用，总结离子方程式的书写步骤。对比电导率图的变化，强化证据推理能力，重视“微粒观”的应用，形成从宏微观角度分析解决实际问题的思路和方法，提升解决新情境下的实际问题的能力。引入侯氏制碱法，让学生体会离子反应及其应用所带来的爱国情怀和信念，践行立德树人的宗旨。

第二，注重问题情境的创设和认识思路的结构化与显性化，有助于知识的自主迁移。

本次教学实践中，选取的素材内容贴近生活实际，由海岛居民加入海水实现LED灯发光，到海水中的离子反应实验情境，再到海水中的粗盐精制问题，始终关注真实的问题情境。利用离子反应解决生产实际问题，学生面对由简单到复杂的任务，展开多次交流研讨和梳理，先初步建立簡单水溶液单一杂质的除杂模型，而后通过复杂问题的推理实验对模型进行应用，升级形成新的复杂水溶液

体系的多种杂质

除杂思维模型。此过程中学生逐步形成了外显的思路方法，并能自主迁移解决其他的陌生问题。

参考文献：

［1］ ［6］ 中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 74～76， 15.

［2］ ［5］ 何彩霞主编. 核心素养导向的化学教学探索［M］. 北京： 北京教育出版社， 2019： 8， 2～3.

［3］ 谭湘湘， 何彩霞. 基于“生活情境-实验探究”促进学生认知创新——以“维生素C与健康生活”主题单元教学为例［J］. 化学教与学， 2021，（11）： 7～10.