在情境中建構(gòu)　在探究中認同　在應(yīng)用中內(nèi)化

張現(xiàn)霞

摘要： 開展“素養(yǎng)為本”的高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)，能有效促進學(xué)生知識、能力、素養(yǎng)的全面發(fā)展。以“物質(zhì)的定性檢驗?zāi)Ｐ徒?gòu)與應(yīng)用”為例，從單一情境的問題解決到復(fù)雜情境的問題解決，從回顧舊情境提煉分析思路到在新情境中建構(gòu)認知模型，從在科學(xué)探究中完善、認同認知模型到在應(yīng)用中內(nèi)化、升華認知模型，初步形成基于模型認知的高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計策略。

關(guān)鍵詞： 模型建構(gòu)與應(yīng)用； 物質(zhì)的定性檢驗； 科學(xué)探究

文章編號： 10056629（2023）10004406 中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

“證據(jù)推理與模型認知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》對其提出了具體的課程目標，其中包括“基于證據(jù)進行分析推理，證實或證偽假設(shè)；能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架”［1］。基于證據(jù)推理，建立思維框架，形成認知模型，可以降低研究對象的復(fù)雜性，提高問題解決的準確率和效率。

1 設(shè)計思路

物質(zhì)的檢驗是化學(xué)實驗的重要環(huán)節(jié)之一，是為確定研究對象的組成，根據(jù)物質(zhì)的某些特殊性質(zhì)或特征反應(yīng)進行的有針對性的檢驗，一般分為定性檢驗和定量檢驗。物質(zhì)的定性檢驗可分為無干擾因素和有干擾因素兩類情況。新授課中關(guān)于物質(zhì)定性檢驗的學(xué)習(xí)常常分散在必修課程和選擇性必修課程的各個單元，高三復(fù)習(xí)時往往需要對其進行匯總和再鞏固。

“素養(yǎng)為本”的高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)不是基礎(chǔ)知識的簡單羅列和機械堆砌，而是要在夯實基礎(chǔ)知識的同時提煉分析方法、建構(gòu)認知模型，并在運用認知模型解決實際問題的過程中對模型進行內(nèi)化和升華。在進行物質(zhì)定性檢驗的專題復(fù)習(xí)前，學(xué)生已初步建立了無干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路（見圖1），即明確檢驗?zāi)繕耍鶕?jù)目標的特殊性質(zhì)或特征反應(yīng)確定檢驗試劑，執(zhí)行檢驗操作，根據(jù)特征實驗現(xiàn)象，得出檢驗結(jié)論，但對于有干擾因素時該物質(zhì)定性檢驗的認知模型還缺乏深層次的思考和認識。因此，本節(jié)復(fù)習(xí)課不僅要夯實基礎(chǔ)，建構(gòu)并完善物質(zhì)定性檢驗的認知模型，更重要的是要引導(dǎo)學(xué)生在探究中認同模型，最終靈活應(yīng)用模型解決新情境下的復(fù)雜問題。

2 教學(xué)目標

（1） 回顧兩則新授課時經(jīng)歷的舊情境——“檢驗補血劑是否變質(zhì)”和“探究炭與濃硫酸的反應(yīng)產(chǎn)物”，復(fù)習(xí)“無干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路”，并在此基礎(chǔ)上，形成“有干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路”。

（2） 在“檢驗Na2SO4和NaCl混合溶液中的Cl-”的新情境中，通過科學(xué)探究解決爭議，建構(gòu)、完善、認同物質(zhì)定性檢驗的認知模型。

（3） 應(yīng)用物質(zhì)定性檢驗的認知模型解決新情境下的實際問題，同時對認知模型進行內(nèi)化和升華。

3 教學(xué)過程

3.1 情境再現(xiàn)提煉思路

再現(xiàn)高一課堂中學(xué)生親歷的兩則物質(zhì)定性檢驗情境。

一是“檢驗補血劑是否變質(zhì)”的情境。學(xué)生比較容易形成一致意見，即將補血膠囊內(nèi)的藥物取出（防止藥物包裹層成分的干擾），將藥物研細，加入稀硫酸溶解后過濾，取少量濾液于試管中，滴加幾滴KSCN溶液，若溶液變成血紅色，說明該補血劑已變質(zhì)。借助該舊情境幫助學(xué)生回顧“無干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路”。

二是“探究炭與濃硫酸的反應(yīng)產(chǎn)物”的情境。播放新授課時的課堂教學(xué)視頻片斷——借用“濃硫酸使蔗糖脫水”的改進實驗（見圖2）?；仡櫶骄刻颗c濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)物的實驗方案（不考慮水的檢驗），即關(guān)閉開關(guān)A，打開開關(guān)B和C，擠壓氣囊使氣體先后通入品紅溶液①、酸性高錳酸鉀溶液、品紅溶液②、澄清石灰水。若品紅溶液①退色，說明炭與濃硫酸反應(yīng)的產(chǎn)物中含二氧化硫；若酸性高錳酸鉀溶液退色，

品紅溶液②不退色，澄清石灰水變渾濁，說明炭與濃硫酸反應(yīng)產(chǎn)物中含二氧化碳。在已有的探究實驗“檢驗二氧化碳、二氧化硫混合氣體中的二氧化碳”的基礎(chǔ)上，提煉“有干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路”（見圖3）：明確檢驗?zāi)繕撕透蓴_因素，利用二者性質(zhì)的差異除盡干擾因素后，再用檢驗試劑對檢驗?zāi)繕诉M行檢驗，得出檢驗結(jié)論，確保檢驗?zāi)繕?、檢驗試劑、檢驗現(xiàn)象之間具有唯一性。

設(shè)計意圖：回顧學(xué)生親身經(jīng)歷的物質(zhì)定性檢驗實驗情境，復(fù)習(xí)無干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路，提煉有干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路，為建構(gòu)物質(zhì)定性檢驗的認知模型做鋪墊。

3.2 高考題引發(fā)爭論

2021年上?；瘜W(xué)等級考第25題在題干中給出已知信息：SO2-4可能會干擾Cl-的檢驗，要求寫出檢驗Na2SO4和NaCl混合溶液中的Cl-的實驗方案。課堂上學(xué)生給出的方案主要集中在以下兩個方向：

方案一：取少量待測液于試管中，滴加AgNO3溶液，產(chǎn)生白色沉淀，再加入足量的稀硝酸，若白色沉淀不完全溶解，則混合溶液中含有氯離子，若白色沉淀完全溶解，則混合溶液中不含氯離子。

理論依據(jù)：AgCl不溶于稀硝酸，Ag2SO4溶于稀硝酸。

方案二：取少量待測液于試管中，先加入足量的Ba（NO3）2溶液至不再有沉淀產(chǎn)生，靜置；取上層清液于另一試管中，加入AgNO3溶液，若有白色沉淀產(chǎn)生，則原溶液中含有氯離子，若無白色沉淀產(chǎn)生，則原溶液中不含氯離子。

理論依據(jù)：Ag2SO4可能也不溶于稀硝酸，先將干擾因素排除后再進行氯離子的檢驗。

課堂上學(xué)生一時爭執(zhí)不休，難以形成一致意見。教師帶領(lǐng)學(xué)生從理論與實驗兩方面開展科學(xué)探究。

設(shè)計意圖：課堂生成具有爭議的問題，在爭論中引發(fā)學(xué)生對物質(zhì)定性檢驗的深度思考，提出科學(xué)探究任務(wù)，培養(yǎng)科學(xué)探究意識。

3.3 科學(xué)探究解決爭論

引導(dǎo)學(xué)生首先尋找爭議的核心：一是SO2-4是否真的會干擾Cl-的檢驗；二是Ag2SO4是否溶于稀硝酸。然后從爭議的核心出發(fā)，依據(jù)探究目的，設(shè)計探究方案，對方案進行討論、優(yōu)化，運用理論分析和化學(xué)實驗等方法進行科學(xué)探究。其中實驗所需溶液均用蒸餾水配制而成。

3.3.1 關(guān)于AgCl和Ag2SO4沉淀情況的探究

［理論分析］

查閱工具書，獲得25℃時Ag2SO4的溶度積常數(shù)Ksp（Ag2SO4）=1.2×10-5，AgCl的溶度積常數(shù)Ksp（AgCl）=1.77×10-10［2］。由此可知，常溫下AgCl在水中的溶解度遠小于Ag2SO4，即AgCl比Ag2SO4更易析出。

［實驗驗證］

實驗一：分別向1mL 0.1mol·L-1的NaCl和Na2SO4溶液中滴加1mL 0.1mol·L-1的AgNO3溶液，觀察沉淀產(chǎn)生情況。

實驗現(xiàn)象：向0.1mol·L-1的NaCl溶液中滴加0.1mol·L-1的AgNO3溶液，迅速產(chǎn)生大量白色沉淀；0.1mol·L-1的Na2SO4溶液和0.1mol·L-1的AgNO3溶液等體積混合，溶液澄清透明，無渾濁現(xiàn)象（見圖4）。

實驗二：0.5mol·L-1的AgNO3溶液與0.5mol·L-1的Na2SO4溶液等體積混合，觀察實驗現(xiàn)象。

實驗現(xiàn)象：溶液變渾濁（如圖5）。

［探究小結(jié)］

AgCl比Ag2SO4更易析出。若Na2SO4和NaCl混合溶液中SO2-4濃度較大，用AgNO3溶液檢驗Cl-時，SO2-4可能會干擾Cl-的檢驗。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的意識，從理論分析和實驗驗證兩個角度開展科學(xué)探究，建立觀點、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系，促進學(xué)生高階思維的發(fā)展，在真實情境下加深對物質(zhì)定性檢驗中“干擾”二字的理解，為后續(xù)探究過程做鋪墊。

3.3.2 關(guān)于Ag2SO4是否溶于稀硝酸的探究

學(xué)生對AgCl不溶于稀硝酸沒有異議，爭論點在于Ag2SO4是否溶于稀硝酸。

［理論分析］

假設(shè)Ag2SO4溶于硝酸溶液，則存在如下溶解平衡：

Ag2SO4（s）+H+（aq）2Ag+（aq）+HSO-4（aq）

以上計算說明Ag2SO4在硝酸溶液中存在溶解平衡，對比25℃時Ag2SO4的酸溶平衡常數(shù)K和水溶平衡常數(shù)Ksp，發(fā)現(xiàn)Ag2SO4在硝酸溶液中的溶解度比在水中大，且改變硝酸溶液的濃度會導(dǎo)致Ag2SO4的酸溶平衡移動。由此可預(yù)測：Ag2SO4是否溶解與硝酸溶液的濃度有很大關(guān)系。

若向Na2SO4溶液中滴加AgNO3溶液，生成Ag2SO4沉淀的量有0.1mmol，可通過計算粗略估計用于溶解Ag2SO4的硝酸濃度。假設(shè)用1mL某濃度的硝酸溶液溶解0.1mmol Ag2SO4，達到平衡后溶液中的c（H+）為xmol·L-1，則有：

［實驗驗證］

實驗三：向五只試管中分別加入0.5mL 0.5mol·L-1的AgNO3溶液和0.5mL 0.5mol·L-1的Na2SO4溶液，形成Ag2SO4懸濁液。向五只試管中分別加入0.25mL不同濃度的硝酸溶液（濃度分別為7.2mol·L-1、 3.6mol·L-1、 1.8mol·L-1、 0.9mol·L-1、0即蒸餾水），觀察Ag2SO4懸濁液溶解情況。

實驗現(xiàn)象：當(dāng)加入的硝酸溶液濃度較大（7.2mol·L-1、 3.6mol·L-1）時，Ag2SO4懸濁液變澄清，當(dāng)加入的硝酸溶液濃度較?。?.8mol·L-1、 0.9mol·L-1、0即蒸餾水）時，Ag2SO4懸濁液無明顯現(xiàn)象（見圖6）。

［探究小結(jié)］

Ag2SO4是否溶于硝酸溶液與溶液的濃度大小有關(guān)，Ag2SO4溶于較濃的硝酸溶液，不溶于較稀的硝酸溶液。向可能含有AgCl或Ag2SO4的懸濁液中加入硝酸溶液，不能通過沉淀是否溶解來判斷懸濁液的成分。

設(shè)計意圖：從理論角度分析預(yù)測Ag2SO4是否溶于硝酸溶液，并進行實驗驗證，在探究中解決爭議，形成一致意見，加深對“有干擾因素時物質(zhì)定性檢驗的一般思路”中先除盡干擾因素后進行目標檢驗的理解和認同，為建構(gòu)和完善“物質(zhì)的定性檢驗認知模型”做鋪墊。

3.4 基于探究完善模型

在以上探究過程的基礎(chǔ)上，學(xué)生對檢驗Na2SO4和NaCl混合溶液中的Cl-的實驗方案形成一致意見，即方案二比方案一更加科學(xué)嚴謹，并在無、有干擾因素時物質(zhì)定性檢驗分析思路的基礎(chǔ)上，建構(gòu)、完善、認同如下“物質(zhì)的定性檢驗認知模型”（見圖7）。

設(shè)計意圖：在無、有干擾因素時物質(zhì)定性檢驗分析思路的基礎(chǔ)上，建構(gòu)、完善、認同“物質(zhì)的定性檢驗認知模型”，培養(yǎng)提煉總結(jié)能力和模型建構(gòu)能力。

3.5 應(yīng)用模型解決問題

［情境問題1］實驗室中有一瓶失去標簽的棕黃色溶液，猜測可能是硫酸鐵銨溶液，請設(shè)計實驗方案進行驗證。

［問題分析1］首先明確檢驗?zāi)繕藶槿芤褐械腘H+4、 Fe3+、 SO2-4，且三者的檢驗互相無干擾，故形成如下檢驗方案：取少量溶液于試管中，加入足量的NaOH濃溶液并加熱，將濕潤的紅色石蕊試紙置于試管口，若產(chǎn)生刺激性氣味的氣體且試紙變藍，則溶液中含有NH+4；若產(chǎn)生紅褐色沉淀，則含F(xiàn)e3+；另取少量溶液于另一試管中，先滴加鹽酸無現(xiàn)象，再加入BaCl2溶液，若產(chǎn)生白色沉淀，則溶液中含有SO2-4。

［情境問題2］丙烯醛CH2CH—CHO常溫下為無色或淺黃色液體，設(shè)計實驗方案，檢驗丙烯醛中的官能團。

［問題分析2］首先明確檢驗?zāi)繕耸翘继茧p鍵和醛基。若用新制氫氧化銅懸濁液檢驗醛基，則碳碳雙鍵不是干擾因素，故形成檢驗醛基的方案（實驗一）：取少量樣品于試管中，滴加新制氫氧化銅懸濁液并煮沸，若有磚紅色沉淀產(chǎn)生，則含有醛基；若用溴水或酸性高錳酸鉀溶液檢驗碳碳雙鍵，則醛基是干擾因素，需要將其排除后再檢驗，故形成檢驗碳碳雙鍵的方案一：取實驗一的上清液于另一試管，加入足量稀硝酸酸化，再滴加溴水，若看到顏色褪去，則含碳碳雙鍵。若用溴的四氯化碳溶液檢驗碳碳雙鍵，則醛基不是干擾因素，可形成檢驗碳碳雙鍵的方案二：另取少量樣品于另一試管中，滴加溴的四氯化碳溶液，若溶液褪色，則含有碳碳雙鍵。

［情境問題3］已知氯氣易溶于CCl4，按圖8中的裝置實驗，試管③中有白色沉淀，能夠證明含有HCl，說明理由。

［問題分析3］首先明確檢驗?zāi)繕耸荂l2與HCl混合氣體中的HCl，裝置中已經(jīng)明確用硝酸銀溶液檢驗HCl，分析發(fā)現(xiàn)Cl2會干擾HCl的檢驗，需要先將其除盡，對實驗可做如下解釋：試管①可吸收氯氣，試管②可進一步吸收氯氣，若證明氯氣已被吸收完全，則氯氣不會干擾對HCl的檢驗，因此試管③中出現(xiàn)的白色沉淀一定是由于HCl導(dǎo)致的，故該裝置可以證明混合氣中含有HCl。

［情境問題4］化合物X由三種元素組成，某實驗小組按如下流程進行相關(guān)實驗：

化合物X在空氣中加熱到800℃，不發(fā)生反應(yīng)。

請設(shè)計實驗，檢驗尾氣中相對活潑的2種氣體。

［問題分析4］通過定量計算分析，可以確定X的化學(xué)式為BaCu3O4，且X在加熱條件下與NH3發(fā)生反應(yīng)：

反應(yīng)中氨氣過量，故尾氣的成分有氨氣、水蒸氣和氮氣，需要檢驗的是氨氣和水蒸氣。運用物質(zhì)的定性檢驗認知模型進行分析發(fā)現(xiàn)，水蒸氣不會干擾氨氣的檢驗，故檢驗氨氣的實驗方案為：將濕潤的紅色石蕊試紙置于尾氣出口，若變藍，說明尾氣中有NH3；由情境信息可知，氨氣與銅的化合物在高溫下會發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成銅單質(zhì)和氮氣，即若用無水硫酸銅檢驗水蒸氣，則氨氣會干擾水蒸氣的檢驗，在沒有理想的除雜試劑時可以轉(zhuǎn)變思路尋找新方法，如利用水蒸氣和氨氣沸點的差異來檢驗水蒸氣，故檢驗水蒸氣的實驗方案為：將尾氣通入冷的集氣瓶中，若有液珠產(chǎn)生，說明尾氣中有水蒸氣。

設(shè)計意圖：物質(zhì)定性檢驗的常見對象有氣體、溶液中的離子、有機物中的官能團等，以上述四則情境問題的解決為載體，發(fā)展與評估學(xué)生應(yīng)用認知模型解決新問題的能力。其中后兩則情境問題節(jié)選自高考原題，前者已確定檢驗?zāi)繕撕蜋z驗試劑，對認知模型中的“排除干擾”進行考查；后者考查學(xué)生在新情境中準確判斷是否存在干擾因素的能力，啟發(fā)學(xué)生靈活變通，在難以除雜時需要轉(zhuǎn)變思路，重新尋找檢驗方法。

4 教學(xué)反思

本節(jié)專題復(fù)習(xí)，教師引導(dǎo)學(xué)生從無干擾因素的簡單情境過渡到有干擾因素的復(fù)雜情境，在情境中形成物質(zhì)定性檢驗的一般思路，在科學(xué)探究中建構(gòu)、完善、認同物質(zhì)定性檢驗的認知模型，并在新情境中應(yīng)用認知模型解決實際問題。這種素養(yǎng)導(dǎo)向下的專題復(fù)習(xí)能讓學(xué)生真正學(xué)會假設(shè)、學(xué)會認證、學(xué)會分析、學(xué)會建模、學(xué)會問題解決，切實體現(xiàn)模型認知的價值和意義。

認知模型具有高度的凝練性和廣泛的遷移性，特別適合在專題復(fù)習(xí)中建構(gòu)和應(yīng)用。教師開展基于模型認知的高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計，可從以下幾個方面進行思考。

4.1 在情境中建構(gòu)認知模型

復(fù)習(xí)課中的情境創(chuàng)設(shè)要與教學(xué)主題高度相關(guān)，可以是單一情境，也可以是復(fù)雜情境，教師可以依據(jù)學(xué)生的認知規(guī)律和心理特點，設(shè)計由簡單到復(fù)雜的情境線，在情境線的發(fā)展過程中提煉方法線，引導(dǎo)學(xué)生自然地建構(gòu)認知模型。

4.2 在探究中認同認知模型

誠然，課堂上初步建構(gòu)的認知模型常常需要進一步修正，也可能存在一些爭議。教師與其充當(dāng)“裁判”，不如將對認知模型的修正和認同過程設(shè)計成科學(xué)探究活動，引導(dǎo)學(xué)生在探究活動開展過程中主動形成一致意見，自然地認同認知模型。需要注意的是，在探究過程中教師的有意引導(dǎo)和學(xué)生的自主探究所占比例需要達到“平衡”。

4.3 在應(yīng)用中內(nèi)化認知模型

認知模型的建構(gòu)、修正和認同，其目的是幫助學(xué)生在新情境中高效地解決問題，并最終將認知模型內(nèi)化為化學(xué)學(xué)科思維。學(xué)生靈活遷移認知模型解決問題的能力和水平，不僅反映了“素養(yǎng)為本”的專題復(fù)習(xí)的有效性，也體現(xiàn)了“素養(yǎng)為本”的專題復(fù)習(xí)的價值和意義。

化學(xué)的發(fā)展過程從某種程度上可以說是一個不斷建立模型、應(yīng)用模型和修正模型的過程。學(xué)生是高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)的主體，也是模型建構(gòu)與應(yīng)用的主體。教師設(shè)計“素養(yǎng)為本”的高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)時要基于學(xué)生已有的知識和體驗，突出學(xué)生的主體性，引發(fā)學(xué)生開展探究活動，調(diào)動學(xué)生主動建構(gòu)認知模型的積極性，激發(fā)學(xué)生應(yīng)用并內(nèi)化認知模型的意識。這是一個需要長期實踐并深入研究的課題，值得一線教師鉆研與探討。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 6.

［2］［3］華丹彤， 王穎霞， 卞江， 陳景祖. 普通化學(xué)原理（第4版）［M］. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2015： 472， 471.