初、高中化学“水溶液”主题内容的衔接性教学研究

武衍杰 宫琦 王春姣

摘要： 以“水溶液”主题内容为研究对象，参照初、高中新课标要求和教科书编排分析该主题在初、高中的衔接特点。基于初、高中“水溶液”主题的连贯性和发展性特点及主题内容结构，选取“侯氏制碱法”为主题情境，设计初、高中贯通的“水溶液”主题衔接性教学，以促进学生在不同学段对“水溶液”主题认识角度的丰富和发展。

关键词： 水溶液； 初、高中化学； 衔接教学； 教学研究

文章编号： 10056629（2023）05004807

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

义务教育和高中化学课程标准的颁布（以下简称初、高中新课标），标志着基础化学教育正式进入核心素养时代。尽管初、高中新课标对学科核心素养的呈现表现出连贯性，但初、高中课程性质、课程目标、课程评价、学生认知等大不相同，致使初、高中化学课程的实施具有明显差异。因此，新课标时代如何进行衔接性教学便成为亟需研究的问题，包括新课标、教科书等对具体内容主题呈现的衔接性如何，基于主题的初、高中衔接性教学如何开展等。本文以“水溶液”主题为例，分析其在新課标和教科书中不同学段呈现的特点并开发主题情境，尝试设计初、高中贯通的“水溶液”主题教学。

1 “水溶液”主题内容在初、高中新课标中的衔接方式特点

“水溶液”主题作为初、高中化学教学的核心内容，承载着培养学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”的学科核心素养价值。通过对初、高中新课标中有关“水溶液”主题的内容要求和学业要求（见表1）的分析，有利于把握“水溶液”主题在不同学段认识视角和认识深度的发展进阶要求，对开展“水溶液”主题的初、高中衔接教学具有指导作用。

通过表1分析发现，新课标对“水溶液”主题内容的教学要求具有鲜明的进阶性和连贯性，初、高中对“水溶液”的认识均包括定性和定量两个水平，均围绕“组成”和“限度”两个学科大概念建构对“水溶液”的定性和定量认识，具体概念层级结构如图1。基于内容要求和学业要求，初中段主要是从宏观物质层面认识水溶液的组成及溶质的溶解限度，高中必修段认识视角转变为基于电离从微观粒子视角认识水溶液的组成及微观粒子在水溶液中的相互作用，而到了高中选择性必修段对水溶液组成的认识进一步进阶为基于平衡关系全面认识水溶液中微观粒子的种类和数量，并能基于平衡常数这一工具从限度视角定量认识微粒间的相互作用。即初、高中对水溶液认识的三级水平可简要概括为：关注物质→关注微粒及微粒间作用→关注微粒间平衡关系，把握认识视角的转变和认识深度的发展是开展初、高中贯通的衔接性教学的基础。

2 “水溶液”主题内容在教科书中的衔接方式特点

以人教版初、高中化学教科书为例，分析“水溶液”内容在不同阶段的分布（见表2）及呈现特点，总结不同阶段“水溶液”知识间的联系。

由表2可知，初、高中段都是将“水溶液”主题内容集中编排在同一学段的同一单元或章节。“溶液”“物质及其变化”“水溶液中的离子反应及平衡”三个单元/章标题紧紧围绕“物质在水溶液中的行为和状态”展开叙述，在不断丰富水溶液认识角度的过程中建构“组成”和“限度”学科大概念。如初中段从溶解的视角以氯化钠等溶液的形成为载体认识溶液是由溶质和溶剂组成的，以氯化钠能否无限制溶解在水中为进阶问题，认识溶解的限度（溶解度），最后在定量层面用质量分数对溶液浓度进行表征；高中必修段从微观视角以氯化钠在水溶液中电离的微观过程为载体认识电解质溶液的组成，并能基于离子间的相互作用认识微粒在水溶液中的行为，从而对初中复分解反应进行再认识；高中选择性必修段则进一步基于反应和平衡的视角认识水溶液中存在的弱电解质电离平衡、盐类水解平衡、难溶电解质沉淀溶解平衡等，对离子反应的认识从复分解型扩大到酸碱、沉淀、氧化还原等多类，对电离的认识也从强电解质的完全电离进阶到弱电解质的电离存在限度，并能通过平衡常数K定量表征电离、水解、沉淀溶解平衡等的限度。三个学段教科书在编排过程中除了关注认识视角的不断丰富和大概念的建构外，还注意了前后之间的联系。如认识溶解（见图2），初中段主要是从物质水平认识溶解的现象，而高中必修段对物质溶解过程的认识上升到微观电离水平，到了高中选择性必修段对电离的认识进一步深化，用微观示意图表征了弱电解质电离的动态平衡。可见教科书对物质在水溶液中行为的认识逐步加深，从宏观物质水平上升到微观、动态平衡水平，将新内容建立在学生已有知识之上，体现了初、高中知识间的衔接。

基于上述分析，将“水溶液”相关的认识角度外显、核心概念结构化，形成图3的主题内容结构，进一步指导初、高中衔接性教学的开展。

3 “水溶液”主题内容的初、高中衔接性教学

3.1 主题教学情境

选取“侯氏制碱法”为主题教学情境，设计初、高中贯通的衔接性教学。“侯氏制碱法”是我国民族工业的骄傲，初、高中化学教材都有呈现，内容既关注情感维度的民族精神，又挖掘了认知维度的学科原理，具有多维教学价值。三个学段对情境的运用如图4所示，促进学生对“水溶液”主题认识的三级进阶。

3.2 教学目标

基于“水溶液”主题认识要求制定如表3所示的教学目标。需注意由于实施初、高中贯通的衔接性教学，教学中基于情境载体和学生水平（厦门市某校初中和高中实验班学生进行教学实施）对新课标中的学段要求进行了融合处理，特别是在设计高中必修段教学时将教科书［6］拓展视野部分“弱电解质”内容融合进了此课时，使用时可根据学校实际灵活处理。

3.3 教学流程

结合图5两种制碱工艺，设计如表4所示的教学流程。

3.4 教学实施

教学流程中初中段教学对应“溶液”主题复习课，高中必修段教学对应“电解质的电离”新授课，选择性必修段教学对应“水溶液中的离子平衡”复习课。由于篇幅所限，仅以初中段任务2、高中必修段和选择性必修段任务3为例呈现教学实施情况，这三个任务是对同一问题在不同视角和水平的认识，是促进学生认识角度建立、巩固的核心环节。

3.4.1 基于物质溶解度视角分析NaHCO3的析出原理和工艺条件

［教师提问］通过对“侯氏制碱工艺”在物质转化层面的分析，知道了“吸氨”“碳酸化”两步操作可生成NaHCO3，思考还可能生成什么？

［学生］从元素守恒角度分析CO2、 NH3、 H2O和NaCl反应，还可能生成NH4Cl或NH4HCO3（引导学生类比过量CO2与澄清石灰水的反应，明确CO2过量时生成碳酸氢盐）。

［教师追问］NH4Cl、 NH4HCO3和NaHCO3都属于可溶性盐，为什么析出NaHCO3固体，而NH4Cl、 NH4HCO3未析出？

［学生］有可能是相同条件下三者在水中的溶解度不同。

［教师］提供表5溶解度数据。

［学生］在相同温度下NaHCO3溶解度最小，当生成NaHCO3的量超过了其在特定温度下的溶解度时就会有固体析出，而此条件下未达到其他几种物质的溶解度，因此NH4Cl和NH4HCO3未析出。

［教师］根据表5绘制出NaCl和NaHCO3溶解度曲线，分析如何控制条件，提高NaHCO3的产量？

［学生］基于绘制的溶解度曲线，学生直观认识到NaHCO3的溶解度受温度影响程度远超NaCl，因此部分学生认为直接采取降温的方法以使更多的NaHCO3结晶；但也有学生提出如果先蒸发一部分溶剂，获得NaHCO3饱和溶液，再降温结晶能进一步提高产量。（注：虽然学生不知道加热蒸发溶剂会使NaHCO3部分分解，但是学生头脑中已经初步对“不饱和溶液饱和溶液结晶”之间建立了联系，这正是本节课的核心目标。）

［教师梳理］“不饱和溶液饱和溶液结晶”间的转化关系（见图6），实现知识结构化［8］。

3.4.2 基于电离视角分析NaHCO3、 NH4Cl等物质的析出

［教师提问］从电离角度分析“吸氨”和“碳酸化”（通入过量CO2）两步操作后体系中HCO-3大幅增加的原因。

［学生］NH3、 CO2溶于水后溶质分别为NH3·H2O和H2CO3，则体系中存在弱电解质NH3·H2O、 H2CO3的电离，电离出的H+和OH-反应，使得体系中剩余HCO-3和NH+4。

［教师补充］正是由于电离出的H+和OH-反应生成水，使得作为弱电解质的NH3·H2O、 H2CO3的电离程度大大增加，从而大大增加了HCO-3的量。

［学生］这也解释了足量CO2和NH3的反应产物为什么是NH4HCO3（NH3+CO2+H2ONH4HCO3）。

［教师追问］从电离的角度分析“碳酸化”后体系的组成。

［学生］反应后，溶质为NaCl、 NH4HCO3，强电解质完全电离，体系中大量存在Na+、 Cl-、 NH+4、 HCO-3。

［教师］提供表5数据，如何从离子的角度解释NaHCO3的析出？

［学生］工艺以饱和食盐水为原料，存在大量Na+，随着反应的进行，体系中HCO-3不断增加，根据溶解度数据，相同条件下NaHCO3溶解度最小，因此只要Na+和HCO-3的浓度达到NaHCO3的溶解度，就会有固体析出。此外生产过程中只要不断加入NaCl并通入NH3和CO2就能持续获得产品。

［教师追问］大家是否同意“不断加入NaCl并通入NH3和CO2就能持续获得产品”的说法？

［学生］伴随NaCl、 NH3、 CO2不断加入，体系中Cl-和NH+4也会增加，如果不及时降低NH+4和Cl-浓度，NH4Cl、 NH4HCO3等也会析出。

［教师］那如何降低NH+4和Cl-的浓度？

［学生］由于NH4Cl溶解度受温度影响大，可采用降温结晶的方法，析出的NH4Cl还可用作氮肥，并且滤液中剩余的Na+、 Cl-还可循环利用。［注：学生通过NaHCO3、 NH4Cl析出的问题初步建立了分析水溶液体系的思路（电解质电离离子反应）；此外虽然学生这时缺乏平衡知识，不能真正认识“侯氏制碱工艺”的循环原理，但依赖这种简单处理，学生神奇地发现实际工业流程和自己的循环思路基本一致，成就感油然而生。］

3.4.3 基于平衡移动视角分析如何实现“母液”循环

［教师提问］“索尔维工艺”的最大缺点是Na+利用率低，并且合成氨工业的发展也使NH3循环的价值大大降低。为了中国民族工业的发展，爱国主义情怀驱动了侯德榜对这一工艺的革新。思考能否直接将“母液”循环？

［學生］母液中含有较高浓度的NH+4和Cl-，一方面根据“KQ关系”，体系中存在NaCl（s）Na+（aq）+Cl-（aq）平衡，高浓度Cl-不利于Na+浓度再增加；另一方面也会造成产品含大量杂质。

［教师］提供表5数据，如何减小Cl-浓度，增大Na+浓度？

［学生1］降温结晶析出NH4Cl。

［学生2］不行，循环的目的是为了减少Na、 C元素的损失，如果直接降温结晶通过表5数据发现还可能会析出NH4HCO3和NaHCO3。

［教师］能否从平衡移动视角分析“侯氏制碱工艺（图5b）”中“母液I”→“母液Ⅱ”的循环原理？

［学生讨论汇报］基于平衡移动视角分析离子浓度和种类变化（见图7）。最终从“母液I”→“母液Ⅱ”，Na+浓度增加、Cl-浓度降低，HCO-3转化为CO2-3，实现Na元素和C元素的循环利用，还能获得大量氮肥。（注：此任务是在动态平衡水平上的系统综合分析，需要关联体系中多个反应，此任务除能帮助学生在原理水平上真正认识“侯氏制碱工艺”的创新性，还帮助学生建构了复杂水溶液体系分析的一般思路。此任务后，学生在课堂上自发地对侯德榜创新性的平衡思想竖起大拇指，潜移默化地培养了科学精神。）

参考文献：

［1］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）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2018.

［2］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022.

［3］王晶， 郑长龙主编. 义务教育教科书·化学（九年级下册）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012：25～42.

［4］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学（必修第一册）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019：5～20.

［5］王晶， 郑长龙主编. 普通高中教科书·化学反应原理（选择性必修1）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019：55～85.

［6］王磊等主编. 普通高中教科书·化学（必修第一册）［M］. 济南： 山东科学技术出版社， 2020.

［7］［美］J. A. 迪安主编. 魏俊发等译. 兰氏化学手册（第二版）［M］. 北京： 科学出版社， 2003.

［8］宫琦， 武衍杰， 王秀红. 初中化学“溶液”主题项目式复习教学［J］. 化学教学， 2021，（9）： 56～62.