促进大概念建构的单元复习课设计与实践

摘 要： 以“水溶液中的离子反应与平衡”为例，在单元教学结尾开设大概念建构课。以“从平衡视角认识离子反应”的大概念为引领，创设“废水处理中反应原理的探究”的真实问题情境，通过进阶式活动设计，让学生经历“形成→完善→应用”大概念的完整学习过程，帮助学生建构结构化知识，形成解决水溶液中相关问题的认识视角，发展学科核心素养。

关键词： 大概念； 离子反应； 离子平衡； 单元复习课

文章编号： 10056629（2024）08004208

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

华东师范大学“国培计划”中小学名师领航首期基地班立项课题“化学学科核心素养视域下的中学化学教学设计的理论与实践”（编号2018GP01M13）的阶段性研究成果。

1 问题提出

大概念是指能够反映学科本质，具有抽象性、概括性、统摄性和广泛迁移价值的学科思想和观念［1］。正确把握大概念，能够帮助学生将多而散的知识整合联结，形成结构化的学科知识体系；能够加深对学科本质的认识和理解，提升思维的深度与广度；能够形成认识化学问题的一般思路与方法，从而习得可迁移的学科核心素养。

“水溶液中的离子反应与平衡”是高中化学课程的重要内容，是对化学平衡知识的巩固与拓展，对促进学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”等学科核心素养的发展具有重要价值。由于内容多、理论性强，这部分内容也是高中化学学习的难点之一。在该单元测试中，发现有如下两个问题：

例1 碳酸和亚硫酸的电离平衡常数（25℃）如下表所示：向Na2CO3溶液中加入足量的NaHSO3溶液，写出发生反应的离子方程式。

例2 碳酸钙沉淀能溶于盐酸，运用平衡移动原理解释其原因。

Ka1Ka2

H2CO34.2×10-74.8×10-11

H2SO31.2×10-26.2×10-8

例1和例2分别考察弱电解质的电离平衡、难溶强电解质的沉淀溶解平衡，属于“水溶液中的离子反应与平衡”的典型问题。

对上海市某实验性示范性高中（中考录取分数线排位全市约15%）136名选考化学的学生进行测试，结果显示：例1和例2的得分率分别为41.5%和33.3%。例1中大多数学生认为亚硫酸酸性强于碳酸，两者反应生成二氧化碳；例2中大部分学生虽能写出离子方程式，却无法分析和解释沉淀溶解的原因。通过与学生访谈并结合测试表现，反映出学生学习中存在以下问题：（1）能分析单一弱电解质的平衡，如外界条件变化对平衡的影响，但对于存在多重平衡的复杂体系，仍未掌握分析的学科方法；（2）对离子反应较熟悉，但尚未形成从动态平衡的角度进行分析、表征溶液中复杂反应的学科能力；（3）面对新情境时，尚未形成运用所学原理来解决实际问题的学科素养。上述问题表明：在学完该主题后，大多数学生未能把握水溶液知识的内在本质和相互关联，尚未形成认识问题的特定视角和思路。

当前的大概念教学实践一般集中于大概念统摄下的大单元教学设计或高三大单元复习课设计［2，3］，尚未有通过专题提升课引导学生建构大概念的实践研究的报道。本文以沪科版《普通高中教科书·化学·选择性必修1·化学反应原理》第三章“水溶液中的离子反应与平衡”为例［4］，尝试通过专题提升课引导学生构建主题大概念，形成认识和解决该主题问题的特定思路与方法。

2 设计思路

2.1 分析课标和教材，凝练大概念

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》［5］规定的水溶液主题内容包含两部分：必修课程主题2“常见的无机物及其应用”的“电离与离子反应”和选择性必修课程模块1“化学反应原理”的主题3“水溶液中的离子反应与平衡”。必修内容要求学生“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条件，了解常见离子的检验方法”；选择性必修课程则要求学生能够从电离、离子反应和化学平衡角度认识电解质水溶液的组成、性质与反应，能综合运用离子反应、化学平衡原理分析和解决生产、生活中的实际问题。

在内容编排上，沪科版教材将“电离与离子反应”放在必修第2章“海洋中的卤素资源”第2节“氧化还原反应和离子反应”［6］，其包含三部分内容；“水溶液中的离子反应与平衡”在选择性必修1的第3章，其包含四节内容，具体如图1所示。

在完成选择性必修的学习后，学生应对离子反应的发生条件有更深入的理解：生成“沉淀”为生成“更难溶（Ksp更小）的物质”，即沉淀的生成与转化；生成“弱电解质”为生成“更难电离（Ki更小）的物质”，也就是通常说的较强酸制较弱酸，较强碱制较弱碱，即电离平衡的移动与转化。因此，可以凝练出“从平衡视角认识离子反应”的大概念（如图2所示）。大概念将电离平衡、溶解平衡和水解平衡（水解实质是弱酸根离子或弱碱正离子与水的反应，是水电离平衡的移动）有机统摄起来，帮助学生把握水溶液中平衡的内在关联，实现知

识的结构化；引导学生从平衡移动与转化的角度认识离子反应，加深对反应本质的理解，实现认知的结构化，提升解决实际问题的学科素养。

基于此，制定指向大概念建构的教学目标如下：

（1） 把握离子反应的本质和规律，形成基于平衡移动定性分析和平衡常数定量认识离子反应的视角。

（2） 学会分析条件变化对离子反应方向的影响。

（3） 能够利用“从平衡视角认识离子反应”的大概念来解决生产、生活中与水溶液相关的实际问题。

2.2 创设真实问题情境，承载大概念

促进大概念建构的专题提升课，必须创设能够承载大概念生成、发展的真实情境［7］，学生在完成真实情境的学习任务中，经历概念理解、思维模型和认识路径的建构，真正将知识转化为解决问题的能力。

创设“废水处理中反应原理的探究”情境，一方面，它源于工业实际，体现离子反应与平衡知识在水处理领域的广泛应用；另一方面，它包含电离平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡等核心知识和可结构化的认识路径，为大概念的建构提供载体。

该情境统领三个教学环节：①废水中铜离子的去除；②废水中细菌的去除；③硫化氢在废水处理中的应用。分别对应于沉淀溶解平衡、电离平衡的移动与转化以及多重平衡的相互转化。情境在不同阶段承载不同的教学任务，在大概念建构的关键点有逻辑地展开，形成一个完整的学习链，推动课堂教学不断走向深入，使学生对“从平衡视角认识离子反应”的大概念的理解逐渐明晰。

2.3 设计进阶式学习任务，建构大概念

学习任务的设计要具有合理的逻辑性和阶梯性，既要符合大概念的生成与发展进程，也要考虑学生的认识发展规律和知识本身的难易程度。本节课的教学流程的设计如图3所示。

在大概念建构方面，按照“形成→完善→应用”大概念的线索设计学习任务，使认识视角显性化、结构化。通过对铜离子去除机理的探究，初步形成大概念；在细菌去除环节，拓展大概念的应用范围，打通不同平衡之间的内在联结路径，促进对水溶液中离子反应与平衡的整体认知；最后发挥大概念的迁移应用价值，解决陌生情境的问题。

在内容层面，相比电离平衡，溶解平衡对学生来说更易于理解，且知识本身蕴含着重要的学科思想和观念，具有大概念的抽提价值。在废水中细菌去除机理的探究中，分析对象较为复杂，包含对碳酸的一级和二级电离平衡的分析，碳酸根离子、碳酸氢根离子和次氯酸根离子结合氢离子能力大小的比较。考虑学生的认知发展，将溶解平衡的转化作为大概念建构的起点，将电离平衡的转化作为大概念发展的重要节点，最后通过多重平衡的学习任务，实现建构大概念的闭环。

为拓展学习时空，设计了一项开放性作业，针对不同碳酸盐的制备方案进行探究，学生需要综合运用电离平衡、水解平衡和沉淀溶解平衡的知识来解决复杂问题，深刻领悟大概念的实质，发展学科核心素养。

3 教学过程

3.1 环节一：废水中Cu2+的去除

3.1.1 氢氧化镁去除铜离子的机理探究

［教师］展示Mg（OH）2处理含铜废水的文献［8］，表明Mg（OH）2是一种有效的沉淀铜离子的试剂，本身也是一种难溶物，它能去除铜离子吗？

［学生实验］向相同体积的CuSO4溶液和蒸馏水中分别加入相同质量的Mg（OH）2固体。

［学生观察］加入Mg（OH）2固体的CuSO4溶液颜色变浅，白色Mg（OH）2固体减少，转化为蓝色沉淀。

［教师］请写出反应的离子方程式，并从平衡移动的角度解释该现象。

［学生］Mg（OH）2固体存在溶解平衡：Mg（OH）2（s）Mg2+（aq）+2OH-（aq）， Ksp［Cu（OH）2］更小，Cu2+和OH-结合生成更难溶的Cu（OH）2，使c（OH-）减小，平衡正向移动，转化为Cu（OH）2。

［教师］这个反应的实质是离子之间的竞争，能看出是哪些离子在竞争吗？对，是Cu2+和Mg2+在竞争OH-。是否可以从理论上定量证明这个过程的可行性？

［学生］我们在学习化学反应的方向与限度时知道，化学平衡常数可以体现反应进行的限度，可用平衡常数判断。

［教师］展示平衡常数与反应进行程度的关系：K>105，完全转化；K<10-5，基本不反应；10-5<K<105，部分转化。请写出平衡常数表达式并进行计算。

［学生］Mg（OH）2（s）+Cu2+（aq）Mg2+（aq）+Cu（OH）2（s），

K=c（Mg2+）c（Cu2+）=c（Mg2+）·c2（OH-）c（Cu2+）·c2（OH-）

=Ksp［Mg（OH）2］Ksp［Cu（OH）2］=5.6×10-122.2×10-20=2.5×108

25℃条件下，反应的平衡常数为2.5×108，Mg（OH）2可完全转化为Cu（OH）2。

［教师］展示铜离子排放的国家标准。经Mg（OH）2处理后的Cu2+是否达到了国家一级排放标准呢？假设废水中的Cu2+为0.1mol/L，请进行计算［10］。

［学生］反应的K=2.5×108， c（Mg2+）=0.1mol/L，可得c（Cu2+）=3.9×10-10mol/L，达到了排放标准。

［教师］通过对Mg（OH）2沉淀Cu2+的分析，大家对离子反应是否有了新的认识？

［学生1］Mg（OH）2处理含铜废水，实际上是Mg2+和Cu2+竞争OH-， Ksp［Cu（OH）2］更小，Cu2+更易结合OH-，使Mg（OH）2的溶解平衡正向移动，最终转化为Cu（OH）2。离子反应的实质是旧平衡被破坏而发生移动，并建立新平衡的过程。

［学生2］Mg（OH）2能转化为Cu（OH）2，取决于两者Ksp的相对大小，Cu（OH）2的Ksp远小于Mg（OH）2，沉淀转化反应的平衡常数大，可完全反应。因此，可用平衡常数判断离子反应的发生。

［教师］离子反应是平衡移动和转化的结果，可用平衡移动原理来定性分析离子反应的过程，而旧平衡是否会被打破，新平衡能否最终建立，由平衡常数（在这里是指Ksp）决定，故可用平衡常数定量判断反应的程度。

3.1.2 可溶性钡盐的制备原理探究

［教师］Ksp较大物质向Ksp较小物质转化时，反应的平衡常数大，更易发生。一定条件下，朝着Ksp较大方向进行的反应能否发生呢？我国重晶石含量丰富，可溶性钡盐的制备方法是将不溶于酸的BaSO4转化成BaCO3，再加酸溶解。常温下，Ksp（BaSO4）=1.1×10-10， Ksp（BaCO3）=2.6×10-9，该反应的K=4.23×10-2，反应可逆且进行程度小，如何控制条件实现最大程度的转化？

［学生］可以通过增大Na2CO3溶液的浓度，比如使用饱和Na2CO3溶液，使平衡不断正向移动，实现转化。

［教师］具体该如何操作？

［学生］向BaSO4固体中加入饱和Na2CO3溶液，充分反应后静置，弃去上层清液后继续加入饱和Na2CO3溶液，重复多次。

［教师］展示BaSO4向BaCO3转化的实验视频。是否都能通过控制条件实现向Ksp大的物质转化？

［学生］不是，如果Ksp相差过大，难以得到满足条件的饱和溶液，不能实现转化。

［教师］我们不仅可运用平衡移动原理分析离子反应，还可以调控反应的方向。

3.2 环节二：废水中细菌的去除

［教师］废水可以用NaClO来杀菌，利用HClO的强氧化性，采取哪些措施可以提高NaClO的杀菌效果？

［学生］加入比HClO酸性更强的酸，将NaClO转化为HClO。

［教师］已知H2CO3和HClO的电离平衡常数，请从理论上推算在空气中放置一段时间，是否可以增强NaClO的杀菌效果，若可以，用离子方程式表示其原理。

［学生1］书写反应2ClO-+H2O+CO2CO2-3+2HClO，无法从理论上论证。

［学生2］书写反应①：2ClO-+H2O+CO2CO2-3+2HClO

K1=c（CO2－3）·c2（HClO）c2（ClO－）·c（H2CO3）

=c（CO2－3）·c2（HClO）·c2（H+）c2（ClO－）·c（H2CO3）·c2（H+）

=Ka1（H2CO3）·Ka2（H2CO3）K2a（HClO）

=4.2×10－7×4.8×10－11（3.0×10－8）2=2.2×10－2

书写反应②：ClO-+H2O+CO2HCO-3+HClO

K2=c（HCO－3）·c（HClO）c（ClO－）·c（H2CO3）

=c（HCO－3）·c（HClO）·c（H+）c（ClO－）·c（H2CO3）·c（H+）

=Ka1（H2CO3）Ka（HClO）=4.2×10－73.0×10－8=14.0

由于K1远小于K2，发生反应②，且反应②有一定的可逆性。

［学生3］书写反应①：ClO-+H2O+CO2HCO-3+HClO

K1=c（HCO－3）·c（HClO）c（ClO－）·c（H2CO3）

=c（HCO－3）·c（HClO）·c（H+）c（ClO－）·c（H2CO3）·c（H+）

=Ka1（H2CO3）Ka（HClO）=4.2×10－73.0×10－8=14.0

书写反应②：ClO-+HCO-3CO2-3+HClO

K2=c（CO2－3）·c（HClO）c（ClO－）·c（HCO－3）

=c（CO2－3）·c（HClO）·c（H+）c（ClO－）·c（HCO－3）·c（H+）

=Ka2（H2CO3）Ka（HClO）=4.8×10－113.0×10－8=1.6×10－3

由于K1远大于K2，发生反应①。

［教师］通过计算，H2CO3与ClO-反应主要生成HCO-3和HClO，而不是CO2-3和HClO，结合电离平衡常数，说明离子反应易向电离平衡常数小的方向进行，即生成Ki更小、更难电离的物质。

［教师］如何利用平衡移动原理分析反应的产物？

［学生］酸性：H2CO3>HClO>HCO-3，结合H+能力：HCO-3<ClO-<CO2-3。一级电离H2CO3H++HCO-3，电离出的H+被ClO-结合生成更弱的HClO，使c（H+）减小，平衡正向移动，生成HCO-3和HClO；二级电离HCO-3H++CO2-3， ClO-结合H+能力弱于CO2-3， H+不能被ClO-结合，平衡不移动。

［教师］也可以借助实验数据来验证H2CO3和NaClO的反应。

［学生实验1］分别向集气瓶中加入相同体积的蒸馏水和NaClO溶液，用二氧化碳传感器检测含量变化（见图4）。

［学生实验2］将在NaClO溶液中浸过的红色纸条分别放置在空气和CO2中，相同时间（5分钟）后观察纸条颜色变化（见图5）。

［学生］实验1中CO2的含量不断下降，说明CO2参与了反应；实验2中放置在CO2中的NaClO能够使红色纸条更快褪色，说明两者反应生成了HClO。

［教师］通过对H2CO3与NaClO反应的分析，大家对离子反应的认识是否更深入了？

［学生］NaClO与H2CO3反应，实质是酸根离子在竞争H+，较弱酸的酸根离子结合较强酸电离出的H+，生成更弱的酸，使较强酸的电离平衡正向移动，再次表明离子反应的实质是平衡的移动与转化。

［教师］离子反应通常是向着生成更难溶解（Ksp更小）、更难电离（Ki更小）的物质的方向进行。在一定条件下，我们也可以通过改变条件调控离子反应的方向（见图6）。

3.3 环节三：H2S对废水中重金属离子的去除

［教师］H2S也常用来除去废水中的铜离子，这是一个典型的弱酸制强酸的反应，请根据信息解释反应能发生的原因。

［学生］从平衡常数角度：Cu2++H2SCuS+2H+的K=7.7×1016，反应完全进行。

从平衡移动角度：Cu2+结合S2-能力更强，结合H2S电离出的S2-，使c（S2-）减小，H2S的电离平衡正向移动，转化为CuS。

［教师］废水中的Fe2+，能用H2S除去吗？

［学生］从平衡常数角度：Fe2++H2SFeS+2H+的K=1.6×10-2，K很小，正反应进行程度很小；逆反应K大，逆反应进行程度大，实验室可利用FeS固体和稀硫酸或稀盐酸反应制备H2S气体。

3.4 环节四：作业布置

某化学兴趣小组对碳酸盐的制备进行研究，得出如下结论，请从理论或结合实验进行解释：

（1） 向BaCl2或CaCl2溶液中通入CO2得不到碳酸盐沉淀，从理论上进行解释。

（2） 向MgSO4或CuSO4溶液中加入Na2CO3溶液，会得到碱式碳酸盐或氢氧化物沉淀。

（3） NaHCO3或NH4HCO3常用来制备金属碳酸盐，如MgCO3、 ZnCO3、 MnCO3等。请以CaCl2和NaHCO3为例，探究该方法的可行性并解释。

4 教学反思

4.1 教学效果分析

在课后练习中，仿照前面测试的问题，设计了两道反馈练习：

问题1 碳酸和亚硫酸的电离平衡常数（25℃）如下表所示，写出下列反应的离子方程式并说明理由。

Ka1Ka2

H2CO34.2×10-74.8×10-11

H2SO31.2×10-26.2×10-8

① 向NaHCO3溶液中通入少量SO2气体。

② 向Na2CO3溶液中通入少量SO2气体。

③ 向Na2CO3溶液中通入足量SO2气体。

问题2 工业上可用FeS固体除去废水中的Cu2+，请运用平衡移动原理解释其原因。

问题1保持测试背景不变，仍然利用碳酸和亚硫酸的多重平衡体系设问，按照由简单到复杂的顺序，考查学生是否能够利用主题大概念分析离子反应的发生情况。教学班共35名学生，第①问全都能准确写出离子方程式，并提供充分的证据推理；第②③问有27名学生能准确书写离子方程式并从定性或定量角度进行分析，有5名学生能准确书写方程式却无法进行合理解释，其余学生则不能准确书写离子方程式及合理分析。问题2则要求学生基于大概念判断平衡的移动与转化。有33名学生能够找准平衡体系并分析，2名学生在寻找平衡时出现了偏差。这反映出促进大概念建构的单元复习课在帮助学生形成认识思路、培养解决问题能力方面具有积极作用。

在对环节四开放式作业“探究碳酸盐的制备”第一个问题的解释中，没有出现“因为弱酸不能制备强酸”这样浅表的答案，学生均从不同角度深入分析：有学生回答“因为H2CO3的酸性太弱，溶液中c（CO2-3）太小，c（CO2-3）·c（Ca2+）<Ksp（CaCO3），不能形成CaCO3沉淀”；也有学生迁移应用课堂上H2S与Cu2+生成CuS沉淀的事实进行分析“根据CaCO3的Ksp和H2CO3的电离平衡常数，可见Ca2+结合CO2-3的能力弱于H+，故不能使H2CO3的电离平衡正向移动，发生转化生成CaCO3”；还有学生通过计算该反应的平衡常数论证反应不能发生。学生的上述表现，反映出指向大概念建构的复习课有助于学生加深对知识本质的理解，拓宽分析和解决问题的视角，促进高阶思维的形成。

4.2 教学过程反思

本节课通过进阶式学习任务，让学生经历“形成→完善→应用”大概念的过程。教学中发现进入第二环节“废水中细菌的去除”时，直接讨论碳酸增强次氯酸钠杀菌效果的作用机理，由于碳酸存在二级电离，对部分学生来说过于复杂，自我探索受阻，需要在教师的引导下才能完成。后续教学中可以考虑先让学生分析醋酸与次氯酸钠的作用，再递进到二元酸的讨论，为学生搭建好探究的“脚手架”，让学生在自主学习中增进对大概念的理解，提升问题解决能力。

在单元末尾阶段的整理与提升环节开设的大概念建构课，能够准确把握学生在本单元学习的“痛点”，从学生的学习困惑出发，凝练解决该类问题的大概念，通过真实情境的学习任务，引导学生在探究中深化对知识的理解，使认识视角显性化和多样化，将学科知识转化为学科素养。另外，促进大概念建构的教学，也需要教师提高自身专业素养，把握知识的本质内涵及所蕴含的素养培育价值，提升学科理解能力。

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