基于學(xué)生認(rèn)知障礙的化學(xué)概念課教學(xué)

程俊

摘要：學(xué)生的認(rèn)知障礙是影響化學(xué)概念教學(xué)效果的重要因素，教師提前分析和把握學(xué)生在概念學(xué)習(xí)中的認(rèn)知障礙，將大大提高化學(xué)概念教學(xué)的效果。基于學(xué)生的認(rèn)知障礙，教師應(yīng)首先激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，而后遵循概念的建立、辨析、同化、運(yùn)用四個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知障礙；概念課；辨析；同化；運(yùn)用

文章編號(hào)：1008-0546（2016）09-0017-04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.09.007

在目前的概念教學(xué)課堂中，由于教師普遍對(duì)學(xué)生的認(rèn)知障礙把握不準(zhǔn)確、不完整，同時(shí)沒(méi)有很好地結(jié)合概念課教學(xué)的特征和規(guī)律，所以，教學(xué)效果不甚理想。

“難溶電解質(zhì)的溶解平衡”具有化學(xué)平衡的基本特征、滿足化學(xué)平衡的基本規(guī)律，是化學(xué)平衡學(xué)習(xí)的延伸、拓展，是對(duì)平衡理論體系的豐富和完善。因此，“難溶電解質(zhì)的溶解平衡”教學(xué)是選修四《化學(xué)反應(yīng)原理》的典型課題，以此研究為契機(jī)，能發(fā)現(xiàn)很多概念課教學(xué)的共性問(wèn)題，對(duì)學(xué)生進(jìn)行概念理論的學(xué)習(xí)有更高層次的指導(dǎo)。

一、學(xué)生的認(rèn)知障礙及分析

分析學(xué)生在高三一輪復(fù)習(xí)前后關(guān)于“難溶電解質(zhì)溶解平衡”的掌握情況，發(fā)現(xiàn)主要存在如下六個(gè)層次的學(xué)習(xí)障礙。

1. 電解質(zhì)投入水中的行為有哪些？先后順序是怎樣的？

比如BaCO3投入水中，是先有CO32-的水解，還是先有BaCO3的電離？因?yàn)橄群箜樞虿磺澹瑢W(xué)生將BaCO3能溶解于酸的問(wèn)題歸因于CO32-水解呈堿性，而不是BaCO3的沉淀溶解平衡移動(dòng)。先后順序決定著物質(zhì)變化的從屬關(guān)系、主次關(guān)系，只有弄清了主次關(guān)系，才能抓住主要矛盾。

2. 認(rèn)為易溶電解質(zhì)在水溶液中不存在沉淀溶解平衡。

比如膽礬晶體的析出、AlCl3·6H2O晶體的析出、侯氏制堿法中NaHCO3的析出，學(xué)生不能從沉淀溶解平衡的角度去理解。

3. 不理解難溶電解質(zhì)的溶解平衡符號(hào)的意義，不能用規(guī)范的符號(hào)表征平衡，很容易將沉淀溶解平衡與電離平衡等問(wèn)題相混淆。

4. 難以識(shí)別平衡體系

何處存在難溶電解質(zhì)的溶解平衡？何時(shí)用難溶電解質(zhì)的溶解平衡移動(dòng)解決問(wèn)題？

如2014屆廣州一模第32題，“常溫下向AlCl3溶液中不斷通入HCl氣體，可析出大量AlCl3·6H2O晶體，結(jié)合化學(xué)平衡移動(dòng)原理解釋析出晶體的原因”。最典型的錯(cuò)誤是：學(xué)生認(rèn)為平衡體系是Al3+的水解，而不是 AlCl3·6H2O的沉淀溶解平衡。究其原因，是高二教學(xué)時(shí)，學(xué)生沒(méi)有弄清鹽類水解平衡、沉淀溶解平衡各自適用的范圍，這些平衡體系該如何區(qū)分。

5. 知道難溶不等于不溶，但在實(shí)際情境中不會(huì)應(yīng)用。

如2011廣東高考第33題，對(duì)于單一的BaCO3飽和溶液（pH=9.6），學(xué)生知道其中含有Ba2+和CO32-，但是當(dāng)其中混有Ba（OH）2溶液時(shí)，學(xué)生就不能綜合分析其成分和性質(zhì)，忽視了上層清液也是BaCO3飽和溶液，對(duì)于pH>9.6很難理解。這是對(duì)于沉淀溶解平衡體系的兩相共存問(wèn)題把握不準(zhǔn)確。

6. 理解了物質(zhì)的溶解度隨溫度降低而降低、蒸發(fā)能使物質(zhì)結(jié)晶，但是當(dāng)溶液中還有其它成分時(shí)，學(xué)生常常沒(méi)有綜合考慮的意識(shí)。

如提問(wèn)“在2mLAgNO3溶液中加入2mLNaCl溶液，沉淀靜置后，如何證明溶液中還同時(shí)存在Ag+、Cl-？”學(xué)生會(huì)提出蒸發(fā)結(jié)晶、降溫結(jié)晶、或電解看能否生成Cl2，沒(méi)有考慮到，在Ag+、Cl-的濃度如此之小的情況下，溶液中大量存在的NaNO3、H2O等物質(zhì)時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化。學(xué)生沒(méi)有學(xué)會(huì)在復(fù)雜的情境中綜合考慮難溶電解質(zhì)的溶解問(wèn)題。

從上述分析中，我們發(fā)現(xiàn)這些障礙都應(yīng)該是在高二新課教學(xué)中就已經(jīng)形成，今后在高三復(fù)習(xí)中怎么彌補(bǔ)似乎都難以達(dá)到很好的效果。因此，要在高二新課教學(xué)時(shí)就注意幫學(xué)生建立科學(xué)的概念和完整的理論體系，否則學(xué)生思維的混亂和心理上的懼怕將會(huì)一直延續(xù)下去。

二、基于學(xué)生認(rèn)知障礙的化學(xué)概念教學(xué)

基于學(xué)生認(rèn)知障礙的概念教學(xué)相對(duì)于普通概念教學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于，它直指學(xué)生可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)能激發(fā)認(rèn)知沖突的問(wèn)題情境，揭示概念的內(nèi)涵與外延，使學(xué)生在一開始就意識(shí)到本概念在整個(gè)理論體系中的地位和聯(lián)系、將障礙消除在源頭，達(dá)到深刻理解概念、靈活運(yùn)用概念的目的。

基于上述對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)障礙點(diǎn)的分析，我們以“難溶電解質(zhì)的溶解平衡”教學(xué)為例，在實(shí)踐中探索概念教學(xué)的四個(gè)策略。

1. 重視概念的形成：首先，找到我們已學(xué)的上位概念

難溶電解質(zhì)溶解平衡的上位概念有溶解度、化學(xué)平衡、電解質(zhì)、離子反應(yīng)等。深刻理解這些上位概念與難溶電解質(zhì)溶解平衡概念之間的關(guān)系，可以有利于概念的建立與同化。然后從學(xué)生熟知的生活事實(shí)和實(shí)驗(yàn)中提供感性材料，引導(dǎo)他們抽象出相應(yīng)的化學(xué)概念，才能使學(xué)生較好地掌握概念的實(shí)質(zhì)。

【環(huán)節(jié)1】回顧舊知

（1） 將NaCl固體投入蒸餾水中充分溶解至有固體剩余，體系中存在的微粒有哪些？

（2）在這個(gè)體系中通入HCl氣體，會(huì)有什么現(xiàn)象？

歸納：易溶電解質(zhì)在水中存在沉淀溶解平衡。

【環(huán)節(jié)2】實(shí)驗(yàn)激疑

【教師】 向0.1mol/L的MgCl2溶液中滴加0.02mol/L的NaOH溶液，請(qǐng)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【學(xué)生】會(huì)產(chǎn)生白色沉淀。

【教師】演示實(shí)驗(yàn)。

【學(xué)生】好奇怪！先無(wú)沉淀后產(chǎn)生沉淀。

【教師】提問(wèn)：為什么會(huì)這樣？ ①出現(xiàn)沉淀前，溶液（試管Ⅰ）中有OH-嗎？

【學(xué)生】有OH-，因?yàn)闆](méi)有反應(yīng)。

【教師】Mg2+與OH-能共存嗎？

【學(xué)生】應(yīng)該可以少量共存。

【教師】必修中學(xué)離子反應(yīng)時(shí)，講到Mg2+與OH-能共存嗎？

【學(xué)生】對(duì)了，必修中一直強(qiáng)調(diào)能發(fā)生離子反應(yīng)的離子不能大量共存。那就是說(shuō)能不能發(fā)應(yīng)還跟量有關(guān)。

【教師】②出現(xiàn)沉淀后，在完全反應(yīng)前，溶液（試管Ⅱ）中存在OH-嗎？

【學(xué)生】都消耗了，不存在了。

【教師】我們可以想辦法證明OH-是否存在嗎？

【學(xué)生】用酚酞指示劑。

【教師】演示實(shí)驗(yàn)：在試管Ⅰ和試管Ⅱ的溶液中分別滴加一滴酚酞。

【學(xué)生】 發(fā)現(xiàn)溶液都變紅。說(shuō)明溶液中一直存在OH-，即使產(chǎn)生了Mg（OH）2沉淀。

【教師】那么，這就說(shuō)明，即使我們認(rèn)為的相對(duì)完全的反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率也不是100%。這個(gè)試管里就是一個(gè)Mg2+、OH-與Mg（OH）2共存的體系，一個(gè)平衡體系。下面，我們可以將生成沉淀的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Mg（OH）2固體溶解的反應(yīng)。

【環(huán)節(jié)3】類比遷移、建立概念

【教師】從物質(zhì)的分類角度看，Mg（OH）2屬于哪一類物質(zhì)？含有哪些微粒？[1]

【學(xué)生】Mg（OH）2屬于堿，含有Mg2+與OH-。

【教師】將Mg（OH）2固體投入蒸餾水中充分溶解至有固體剩余，Mg（OH）2會(huì)發(fā)生什么變化？體系中存在的微粒有哪些？怎樣用實(shí)驗(yàn)證明？

【學(xué)生】Mg（OH）2會(huì)電離出Mg2+與OH-，溶液中存在的微粒有：Mg（OH）2、Mg2+、OH-、H2O、H+ （極少量），用酚酞試劑證明OH-的存在。

【教師】演示實(shí)驗(yàn)：在Mg（OH）2懸濁液中滴加一滴酚酞。

【學(xué)生】發(fā)現(xiàn)溶液變紅，證明OH-確實(shí)存在。

【教師】我們只在水中加入了Mg（OH）2固體，有OH-就有Mg2+，那么，這就是一個(gè)Mg2+、OH-與Mg（OH）2共存的體系，一個(gè)平衡體系。（介紹平衡的建立過(guò)程。）

2. 注意概念的辨析

有些概念是成對(duì)出現(xiàn)的，兩個(gè)概念同屬于一個(gè)種概念且呈矛盾狀態(tài)（如強(qiáng)弱電解質(zhì)，氧化劑還原劑等）；有些概念是由某一概念通過(guò)逐步推廣引申而得到的（如化學(xué)平衡與溶液中的各種平衡，化學(xué)反應(yīng)與能量和電化學(xué)等）；有些概念是理論相近但適用于不同體系的（如弱電解質(zhì)的電離平衡、水解平衡與難溶電解質(zhì)的溶解平衡）等等。特別是鹽類的水解平衡與難溶電解質(zhì)溶解平衡體系，很多學(xué)生容易混淆，在今后的應(yīng)用中感覺(jué)十分困難。

注意對(duì)相近、對(duì)立、衍生概念之間的比較，特別是通過(guò)反例來(lái)糾正學(xué)生在理解概念中的錯(cuò)誤，有利于學(xué)生準(zhǔn)確理解概念。[2]

【環(huán)節(jié)3】下列幾個(gè)體系，請(qǐng)問(wèn)哪些體系中存在沉淀溶解平衡？（提供體系圖片）

醋酸溶液、硫酸銅溶液、已經(jīng)析出晶體的硫酸銅溶液、氯化鐵溶液、Mg（OH）2溶液、Mg（OH）2懸濁液

難點(diǎn)剖析：對(duì)于已經(jīng)析出晶體的硫酸銅溶液體系，存在兩種平衡，即Cu2+的水解平衡、CuSO4·5H2O的沉淀溶解平衡。當(dāng)要解決Cu2+向Cu（OH）2的轉(zhuǎn)化時(shí)，用水解平衡；當(dāng)要解決CuSO4·5H2O晶體的析出或溶解時(shí)用沉淀溶解平衡。沉淀溶解平衡一定是兩相之間的轉(zhuǎn)化。

歸納：沉淀溶解平衡存在于懸濁液中，無(wú)論是易溶物還是難溶物。

3.落實(shí)概念的同化

所謂概念同化，是指學(xué)生利用認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有的有關(guān)概念來(lái)同化新概念，從而獲得科學(xué)概念的過(guò)程。在舊的知識(shí)體系中學(xué)習(xí)新概念，可深化對(duì)所學(xué)概念的認(rèn)識(shí)，有利于將新學(xué)概念同化到原有的知識(shí)體系中。例如對(duì)難溶電解質(zhì)的溶解平衡，它和之前所學(xué)的弱電解質(zhì)的電離平衡、鹽類水解平衡一樣，具有化學(xué)平衡的一般屬性，即具有“等、定、動(dòng)、變”的特性，也有一個(gè)平衡常數(shù)。只是它適用的體系不同，繼續(xù)豐富了平衡理論。因此，學(xué)習(xí)的方法可以遷移。

【環(huán)節(jié)4】沉淀溶解平衡的影響因素（沉淀溶解平衡也可以移動(dòng)）

思考與交流：提供一瓶Mg（OH）2懸濁液，請(qǐng)問(wèn)有哪些措施可以影響Mg （OH）2的沉淀溶解平衡體系，請(qǐng)?zhí)岢龊侠淼姆桨浮?/p>

匯報(bào)提綱：對(duì)Mg（OH）2懸濁液的措施；平衡移動(dòng)方向；促進(jìn)固體溶解還是促進(jìn)固體析出；對(duì)微粒濃度的影響（c（Mg2+） c（OH-） ）。

學(xué)生最容易提出的措施是：放入熱水浴、放入冰水浴、滴加蒸餾水、加Mg（OH）2固體、滴加濃MgCl2溶液、滴加濃NaOH溶液、滴加濃鹽酸；滴加FeCl3溶液或其它鹽。

問(wèn)題解決1：

【學(xué)生1】向Mg（OH）2懸濁液中滴加蒸餾水，平衡向左移動(dòng)，c（Mg2+）、c（OH-）都減小。

【學(xué)生2】不一定??！

【教師】怎么不一定？

【學(xué)生2】如果滴加蒸餾水后溶液中的固體全部溶解了，那么溶液變得更稀，c（Mg2+）、c（OH-）都減小。如果滴加蒸餾水后溶液中的固體還有剩余，但平衡向右移動(dòng)，c（Mg2+）、c（OH-）都增大。

【學(xué)生3】不可能都增大，始終加了水?。?/p>

【教師】那c（Mg2+）、c（OH-）到底變不變？怎樣變？有沒(méi)有什么標(biāo)準(zhǔn)？

【學(xué)生4】對(duì)了，只要固體還有剩余，始終是平衡體系，是同溫度下的飽和溶液，所以c（Mg2+）、c（OH-）應(yīng)該都保持不變。

【教師】很好，大家考慮問(wèn)題很有深度。

問(wèn)題解決2：

【學(xué)生】滴加FeCl3溶液，F(xiàn)e3+也能結(jié)合溶液中少量OH-嗎？平衡能移動(dòng)嗎？

【教師】演示實(shí)驗(yàn)：在Mg（OH）2懸濁液中滴加幾滴FeCl3溶液，振蕩后靜置。

【學(xué)生1】發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了紅褐色沉淀，上層清液無(wú)色，下層的白色沉淀減少。

【學(xué)生2】說(shuō)明Fe3+消耗了，與OH-結(jié)合產(chǎn)生了Fe（OH）3沉淀。

【學(xué)生3】使Mg（OH）2的沉淀溶解平衡向右移動(dòng)，使Mg（OH）2沉淀減少。c（OH-）減小，c（Mg2+）增大。

【學(xué)生4】 為什么Fe3+能奪取與Mg2+結(jié)合的OH-？那反過(guò)來(lái)在Fe（OH）3懸濁液中滴加MgCl2溶液，也能將紅褐色沉淀轉(zhuǎn)化為Mg（OH）2白色沉淀嗎？

【教師】這是一個(gè)好問(wèn)題，我們不妨用平衡常數(shù)來(lái)解決。

【環(huán)節(jié)5】沉淀溶解平衡常數(shù)（沉淀溶解平衡也有平衡常數(shù)）

深度思考：

（1）請(qǐng)寫出AgI、Fe（OH）3、Ag2SO4的沉淀溶解平衡方程式和溶度積表達(dá)式。（落實(shí)符號(hào)的書寫規(guī)范與理解）

（2）請(qǐng)查閱書本上的難溶電解質(zhì)Ksp數(shù)據(jù)，思考并回答下列問(wèn)題：

在25℃時(shí)，在0.1mol/LAgNO3溶液中加入氯化鈉固體，c（Cl-）= 時(shí)，開始產(chǎn)生沉淀。

若c（Cl-）≠1.8×10-9mol/L呢？（歸納Qc與Ksp的關(guān)系所反應(yīng)的溶液狀態(tài)。）

【教師】為何之前的實(shí)驗(yàn)，向0.1mol/L的MgCl2溶液中滴加0.02mol/L的NaOH溶液，在試管Ⅰ中沒(méi)沉淀，而試管Ⅱ中有沉淀？

【學(xué)生】因?yàn)樵嚬堍裰衏（OH-）太小，Qc：Mg（OH）2Ksp：Mg（OH）2，所以，溶液產(chǎn)生沉淀。

【教師】那么現(xiàn)在試管Ⅱ中，Qc與Ksp是什么關(guān)系？

【學(xué)生】Qc：Mg（OH）2=Ksp：Mg（OH）2，因?yàn)楝F(xiàn)在是飽和溶液、處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

【教師】 所以我們?cè)诒匦拗兄v的Mg2+和OH-可以少量共存，不能大量共存，原因在這里。

在25℃時(shí)，在0.1mol/LAgNO3溶液中加入碘化鉀固體，當(dāng)c（I-）= 時(shí)，開始產(chǎn)生沉淀。

④比較上述①③的數(shù)據(jù)，我們能得出什么結(jié)論？Ksp數(shù)據(jù)能給我們哪些信息？（比較物質(zhì)的溶解性、沉淀順序）

⑤在兩支0.01mol/L的NaOH溶液中，分別同時(shí)逐滴滴入MgCl2溶液和FeCl3溶液，先產(chǎn)生的沉淀是什么？（映證Fe3+能使Mg（OH）2沉淀發(fā)生轉(zhuǎn)化。）

4、 加強(qiáng)概念的運(yùn)用

在教學(xué)中，應(yīng)加強(qiáng)概念的應(yīng)用，圍繞著一個(gè)概念要配備多種問(wèn)題情境，讓學(xué)生從多角度，多層次上去進(jìn)行運(yùn)用。先鞏固性運(yùn)用，后綜合性運(yùn)用，在運(yùn)用中達(dá)到切實(shí)掌握化學(xué)概念的目的。

【環(huán)節(jié)6】綜合運(yùn)用問(wèn)題示例

難溶電解質(zhì)在水中溶解度雖小，但若平衡發(fā)生移動(dòng)，也會(huì)在生產(chǎn)、科研、環(huán)保等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。可以提供很多例子給學(xué)生解釋、分析。如：請(qǐng)用平衡移動(dòng)的原理解釋：為何Mg（OH）2能溶于NH4Cl溶液？如何除去鍋垢？牙齒表面由一層硬的、組成為Ca5（PO4）3OH的物質(zhì)保護(hù)著，哪些生活習(xí)慣會(huì)導(dǎo)致牙齒的腐蝕？如何保護(hù)牙齒？

在落實(shí)概念的運(yùn)用時(shí)，需要不斷強(qiáng)化思維的有序性，即：找到已存在的平衡體系→分析外界施加的影響因素→外界因素對(duì)平衡體系的直接影響→平衡移動(dòng)的方向→造成的結(jié)果。

三、課后反思與專家評(píng)價(jià)

1. 創(chuàng)新之處

（1）從學(xué)生學(xué)后的認(rèn)知障礙出發(fā)，先研究學(xué)生將會(huì)出現(xiàn)的學(xué)習(xí)困難，再有針對(duì)性地設(shè)計(jì)課堂，有效降低了學(xué)習(xí)的難度，提高了課堂的有效性。

（2）以概念課的教學(xué)理論與策略來(lái)指導(dǎo)本節(jié)教學(xué)的設(shè)計(jì)，契合度很高，對(duì)障礙的化解有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

（3）借助實(shí)驗(yàn)制造的認(rèn)知沖突貫穿整節(jié)課，實(shí)現(xiàn)了從去問(wèn)題到激發(fā)認(rèn)知沖突的轉(zhuǎn)變，在認(rèn)知沖突中幫助學(xué)生完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)。

（4）關(guān)于溶度積Ksp的計(jì)算，教學(xué)目的不僅是為了計(jì)算，更幫助學(xué)生從定量的角度深入理解沉淀生成和轉(zhuǎn)化的條件。

（5）關(guān)于Fe3+能使Mg（OH）2沉淀發(fā)生轉(zhuǎn)化，先用實(shí)驗(yàn)證明，再用平衡理論解釋，進(jìn)而用符號(hào)表征，最后再通過(guò)計(jì)算佐證，很有深度。實(shí)現(xiàn)了學(xué)生從定性→定量、從宏觀現(xiàn)象→微觀解釋→符號(hào)表征的概念原理認(rèn)識(shí)思路。

2. 待改進(jìn)之處

（1）關(guān)于“難以識(shí)別平衡體系”的障礙，學(xué)生在課后仍然存在，值得繼續(xù)想辦法化解。

（2） 應(yīng)該盡量創(chuàng)造條件讓學(xué)生實(shí)驗(yàn)代替教師演示，給學(xué)生的印象更加深刻。

參考文獻(xiàn)

[1] 黨玉杰.新課程標(biāo)準(zhǔn)下高中數(shù)學(xué)概念的教學(xué)探究[J]. 課程教育研究，2013，（01）：97-98