“离子反应”单元教学中的证据推理与模型认知

李子容

【摘要】证据推理与模型认知是化学学科核心素养的重要环节，在化学核心素养形成中具有相互联系的枢纽作用。以“离子反应”单元教学为例，提供高中化学单元教学中怎样进行认知建模与模型认知的具体策略与方法，通过教学实践展示认知模型在描述、解释、判断和预测等方面的强大功能，且可以推广到其他知识的单元教学设计之中，系统地培养学生的模型思维素养。

【关键词】高中化学;核心素养;证据推理;模型认知;离子反应

证据推理与模型认知是化学学科核心素养的重要内容。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出的基本要求包括：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。并将化学学科核心素养划分为4个水平层次。

一、离子反应单元认知模型的建立

“离子反应”是化学必修（第一册）中最重要的基础知识单元教学之一，它的建构对后续知识的教学具有系统性和全局性的影响。“离子反应”单元教学包含电解质及其电离和离子反应等重要基本概念。所以“离子反应”单元认知模型可以概括为一个包含3个要素的关联系统：①电解质模型; ②电离模型;③离子反应模型。这3个模型相互作用共同构成“离子反应系统模型”。

电解质溶于水电离成为自由移动的离子，因此电解质在溶液中的化学反应一定与离子有关，故离子参加的化学反应，当然就是离子反应。我们知道化学反应就是化学变化，而化学变化就是生成新物质的变化，该变化同时常常能够直接或间接地观察出来，如温度变化、颜色改变、生成沉淀、沉淀溶解、生成气体或生成水等等。这些现象曾经被广泛说成复分解反应发生的条件，而从模型思维看来却是电解质溶液中发生了离子反应的结果。

二、模型认知的离子反应探究教学

（一）电解质电离的证据推理与模型认知

1.依据认知模型的实验探究

为了让学生充分认识电解质及其电离的概念与本质特征，教学中依据电解质认知模型设计探究实验，进行证据推理与模型认知训练。分别测定几种常见化合物：蒸馏水、NaCl、KNO3、蔗糖在干燥固体和水溶液状态下的导电性，并随时记录实验现象。然后引导分析归纳：以上化合物在水溶液中通电时能够使灯泡发光和电流计指针偏转的NaCl和KNO3是电解质;蔗糖不是电解质。引导学生预测：①将NaCl、KNO3、蔗糖固体加热熔化后的导电情况;②用蒸馏水做导电性实验，具有什么特殊意義？水是否是电解质？

2.依据认知模型的动画设计

如何引导学生透过宏观现象探析微观世界？动画演示无疑是一种很好的途径和方法。在以上导电性实验后，笔者立刻进行动画演示，让学生体验电解质在水溶液中、熔融状态下的离子运动及导电的原理，并让学生跟着绘图。结合动画演示，引导学生思考一个日常生活问题：为什么在拔下电源插头时，要将手上的水擦干？

3.电离的符号表征——电离方程式

结合NaCl电离动画图的演示，用化学式和离子符号表示NaCl的电离过程：NaCl=Na++ Cl-。然后以此为参考点进行推广，按由简到繁的认识顺序，分别写出NaOH和H2SO4的电离方程式。从而实现了电解质电离微观过程的化学符号表征。

（二）离子反应中的证据推理与模型认知

1.依据认知模型的实验探究

为了让学生充分认识常见电解质在水溶液中发生复分解型离子反应的本质，笔者以离子反应认知模型思维为依据，设计了4组实验引导学生进行证据推理。探究实验过程记录与初步结论列表1。

然后，依据电解质认知模型系统，引导学生分析各组溶液混合后的现象。实验①②③出现了新现象，必然发生了化学反应。因为反应物都是电解质，电解质必然电离，故电解质之间的化学反应就是离子反应。引导学生运用认知模型思考一个重要问题：离子反应发生的标志是什么？

2.依据认知模型的动画设计

以BaCl2和Na2SO4溶液混合的离子反应为例。学生在初中已经学过静电作用原理，根据静电作用原理进行异性电荷离子间的排列组合，可将自由移动离子Ba2+、2Cl-、2Na+、SO42-分为相互吸引的4组。据此制作离子相互碰撞的动画演示，这4组离子中只有一组离子碰撞后生成沉淀。通过基于认知模型的离子反应动画演示，顺利帮助学生认识两种 电解质溶液混合

后离子间的行为过程，让学生生动、形象、充分地理解离子反应的本质。如图1所示。

3.离子反应的表征——离子方程式

结合刚才的离子反应动画演示，引导学生使用化学式和离子符号表示BaSO4沉淀的生成过程：Ba2++SO42-=BaSO4，类似这样的离子反应的符号表征叫做离子方程式。

（三）模型认知下离子反应方程式的书写——条件反

射法

仍然以BaCl2溶液和Na2SO4溶液混合后的反应为例。

通过电解质系统模型的认知学习过程，使“生成新物质”这个刺激与“离子反应”之间建立起一种紧密的联系。即不同电解质溶液混合时，一旦出现新的实验现象，必有新的物质生成，必有对应的离子反应发生。条件反应法的应用程序为：看见有新物质生成→有离子反应发生→书写离子方程式。例如：BaCl2和Na2SO4溶液相互混合后，看到有BaSO4沉淀生成，通过条件反射立即想到发生了离子反应，BaSO4沉淀的对应离子是Ba2+和SO42-，立刻写出离子方程式：Ba2++SO42-=BaSO4↓。运用条件反射法书写离子反应方程式，可以直接从反应现象入手，简化离子方程式的写法，直击离子反应的本质。教学中引导学生记住常见的“几种难溶物”（参考普通高中教科书“附录Ⅳ），一旦看到对应的离子组，立即联想到可发生离子反应，即可直接写出离子方程式。从而省略了通过书写化学方程式再进行删除的许多麻烦。

“条件反射法”不仅仅适合于沉淀型离子反应。如HCl和Na2CO3溶液的反应，首先观察到产生大量气泡现象，立刻联想到这里只有H+与CO32-之间发生反应才能生成CO2气体，于是写出离子方程式：2H++CO32-=H2O+CO2↑。又如，常常遇到同一溶液中多种离子能否共存的问题，都可以运用“条件反射法”做出科学、准确和快捷的判断。

三、引导体验认知模型的预测功能

（一）依据离子反应系统模型进行预测训练

通过证据推理与模型认知的基本训练，现在引导学生依据认知模型进行预测与判断（证据推理）的总结性练习，进一步内化模型认知核心素养。

（1）实验表明HCl、H2SO4、NaOH、Ca（OH）2、NaCl、KNO3等化合物的水溶液都可以导电。请运用相关模型预测其中蕴含哪些规律？（提示：这些化合物都属于哪类物质？根据电离出的阴、阳离子的特点，这些化合物又可以分成几类？从中可以得到什么规律？）

（2）运用相关模型预测，影响电解质溶液导电的因素有哪些？引导学生的过程中可以适当的给出一些数据证明预测，见表2。

（3）有人认为强酸电离出来的H+与强碱电离出来的OH-反应生成水：H++OH-=H2O，是中和反應的实质。请设计实验进行分析推理，证实或证伪这个假设。

（二）依据离子反应系统模型预测应用前景

构建了离子反应系统模型之后，为了让学生增强知识应用能力，增强学生分析问题以及解释能力，深刻体会离子反应在生活生产中的重要意义。笔者给出以下的实例：定期去除锅炉水垢 （主要成分是CaSO4），可以节约能源和消除安全隐患。处理方法是首先加入Na2CO3溶液，使锅炉水垢完全转化为CaCO3;然后再加入盐酸清洗。引导学生将离子反应系统模型拓展至应用领域：离子反应在物质的制备、分离、提纯和鉴定等方面均有非常广泛的应用。另外在环境保护领域如消除水污染方面，离子反应也不可缺少。例如上述的“条件反射法”不仅可以帮助快速书写离子方程式，而且有助于学生快速掌握离子检验和分离提纯的方法。

总之，化学教学实践中对模型认知与证据推理等化学核心素养观进行有机、主动的渗透，就犹如春风化雨，润物无声。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.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.

[2]普通高中教科书·化学·必修·第一册[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3]朱传征，许海涵.物理化学（高等院校选用教材系列.化学类[M].北京：科学出版社，2000.

[4]丁河玉.“离子反应”教学中怎么落实化学核心素养[J].化学教育（中英文）.2018（1）：14.

[5]杨晓露.离子反应（第2课时）.广州化学教研资料2019（10）.