专题九水溶液中的离子平衡教学研讨

高中化学远程研修化学反应原理模块专题九水溶液中的离子平衡的教学研讨——基于案例改造的备课研讨专题简介：通过对学生在水溶液中的离子平衡的学习中遇到的困难及其成因的分析，反思目前水溶液的离子平衡教学中存在的问题，并从以下两个方面提出改进策略：一是在教学中关注促进学生形成分析水溶液问题的思路、形成用微粒观、动态作用观和定量观等认识方式认识水溶液的基本能力；二是将内容进行整合，进行单元整体教学设计，使学生的认识发展螺旋上升。主持人：北京师范大学化学教育研究所在读博士北京市第三十五中学高级教师支瑶嘉宾：教育部高中化学课程标准研制组组长北京师范大学化学教育研究所所长王磊教授北京市西城区教育研修学院张旌原山东省德州市第一中学山东省教育能手张兆伟上部一、在水溶液中的离子平衡的学习中，学生遇到的困难是什么？原因是什么，如何解决？主持人：在水溶液的离子平衡的教学过程中，一般来讲，老师的感觉和学生的学习效果会有比较大的落差。这部分的内容一直是老师们在反应原理模块的教学中非常关注的内容，老师在这部分的教学中倾注了大量的精力，也设计出了大量的优秀课例。但是，在与学生的访谈中我们发现，往往这部分是学生整个反应原理模块学起来最困难的，或者说在考试中失分率最高的。下面我们来具体的看一看他们为什么会觉得困难，问题到底出在了哪里。当学生面对水溶液离子平衡这样一部分内容的时候，他们一般会怎么想。我们来举两个例子，比如说面对这样一道题：当0.1mol·L-1的NH3·H2O溶液中加入少量NH4Cl晶体的时候，会引起哪些变化。比如我们让他判断氨水的电离平衡向哪个方向移动，溶液的pH如何变化。当我们问学生“你怎么样考虑这些问题”时，在分析电离平衡如何移动的时候，学生会说“我是这样来解的，向一水合氨中加入NH4Cl晶体，铵根离子的浓度增大了，抑制了一水合氨的电离平衡，所以平衡向左移动”。可是当他分析到另外一个问题——溶液pH如何变化的时候他又会说“因为加入了NH4Cl晶体，氯化铵溶于水，溶液显酸性，酸碱中和，所以溶液的pH减小”。我们再来看一个问题，这个问题是这样：常温下，某溶液中由水电离出来的H+等于1.0*10-13，该溶液可能是什么溶液，四个备选答案是二氧化硫、氯化铵溶液、硝酸钠水溶液和氢氧化钠水溶液。面对这个问题，学生分析到最后，经常会得不出结论，他是怎么分析的呢？我们来看，学生一般会关注到水电离的H+浓度是1.0*10-13，然后想到水电离出来的H+浓度和水电离出来的OH-的浓度是相等的，因此，水电离出来的OH-也是1.0*10-13，然后就这两种情况进一步计算。当水电离出来的H+为1.0*10-13的时候，溶液中的OH-可能是多少呢，可能是0.1mol·L-1,此时，溶液中的H+是多少呢？溶液中的H+也可能是0.1mol·L-1,这个时候就发现，溶液是酸性或者碱性都可以达到这样的效果，于是，他就会选出二氧化硫、氯化铵和氢氧化钠，做出错误选择。还有的学生甚至都走不到选答案这一步就已经糊涂了。张兆伟：关于第一个问题，0.1mol·L-1的氨水中电离产生铵根和氢氧根离子，然后往0.1mol·L-1的氨水中加入氯化铵固体，同学们出现问题的就是加入氯化铵之后，他首先考虑了氯化铵溶液水解显酸性，然后促进一水合氨的电离。我认为这个问题是同学们在分析问题时对母体的分析出现了问题，氯化铵加入到水溶液当中，水是母体。氯化铵并不能带来氢离子，也不能带来氢氧根离子。氯化铵加入水中后，是它影响了水的电离平衡，从而显酸性。那么，氯化铵加到0.1mol·L-1的氨水中它的母体应该是0.1mol·L-1的一水合氨溶液，氯化铵加入之后，直接使铵根离子浓度增大，抑制了氨水的电离。张旌：从刚才学生的分析思路和张老师的分析中我们不难发现，困扰我们的一个问题是：在日常教学中我们对单一知识进行讲解、练习的时候学生都很清楚，关键是面对具体的综合问题的时候，学生就会出现刚才呈现的分析思路上的问题。所以我们就来反思我们的教学，可能我们在教学过程中，对于单一知识的教学比较关注，我们的设计也比较精心、到位。但是，如何把这些知识整合在一起，形成知识结构，这样的思考相对薄弱一点。所以，在我们的教学过程中如果能够关注整体的知识结构的建构过程，并且把它跟学生将要面临的具体问题解决的结构整合到一起的话可能就能解决这样的问题。王磊：反思起来可能我们的教学中没有使学生建立起一个水溶液体系的认识框架。换句话说，他们对于水溶液的体系的认识是混杂在一起的。看一下错误的类型：第一是没有水溶液的分类的体系认识；第二是没有不同的水溶液体系之间的组合变换的顺序性的认识，所以学生在面对题目的时候搞不清楚这是一个什么体系。因此，我们的新授课教学除了具体的知识内容要帮助学生理解和建构以外，我们还应该告诉学生整个水溶液体系可能都有哪些体系，这些体系之间是个什么关系？这可能是我们长期以来比较忽略的问题。下面分析一下整个水溶液化学当中大概有哪些体系。必修阶段建立的是强电解质电离的体系。我们把强电解质（强酸、强碱）加到水溶液中后，有一个强酸、强碱的电离模型，基于强酸、强碱电离模型，我们认识了强酸、强碱的水溶液体系以及体系的构成成分。选修阶段我们将给学生新建立哪些体系呢？一是纯水体系，应该让学生看到这个体系中的电离模型，即围绕着水的电离平衡的模型。要认识纯水体系该怎么看，里面有什么，是什么样的过程。此时我们应该思考，纯水体系加进来以后和强酸、强碱的体系是个什么样的关系；他应该比原来的强酸、强碱体系多看到点什么；对原来的强酸、强碱的体系模型，水的电离构不构成威胁。最终是两个体系组合叠加之后我们应该怎么看，这是水电离模型相应的体系跟必修认识体系的关系；另外，我们还要学习弱电解质的电离平衡，即弱酸弱碱的电离平衡，这个知识学了之后要建立什么呢？即弱酸、弱碱的体系，在该体系中应认识到弱酸、弱碱加到水溶液中后自身的电离平衡。此时，应该考虑它与水溶液即水自身的电离——纯水体系又是什么关系。它会对纯水体系产生什么影响，最终这两个体系混合之后，即所谓的弱酸弱碱的水溶液的最终结果是什么？是谁为主，谁为辅，为什么？然后再考虑这三个体系之间是个什么关系，然后我们再考虑加入盐，加入盐以后我们会发现两种情况，一种是会水解的盐，水解的盐加入之后它对纯水的体系会有什么影响，是不是真的能构成影响，构成影响之后会产生什么结果，这就是我们所说的水解的体系。另一类盐是什么情况呢？这类盐就是我们说的强酸强碱盐，它到水中以后就是电离的模型，这个时候它对于水溶液的构成会不会产生影响。那么如果再加入两种电解质，这个体系接着变化，比如说两种电解质构成的体系，这里头又会是什么情况。即刚刚所说的除了盐电离平衡和酸碱的电离平衡的移动之外是不是还会有别的移动的作用，即反应的相互作用过程，相互反应以后又会对整个体系带来什么样的变化。我觉得我们在教学当中还缺少这样的一种整体性的引导。学生在头脑当中对水溶液中的问题从弱电解质电离到水的电离平衡再到水解到强酸强碱电离到离子反应这些核心知识的学习过程当中，没有建立起相匹配的水溶液的体系的认识，这些知识之间的关系也没有把它当作一个从一个原本的体系加了什么以后这个体系会发生什么改变，没有建立这样的一个认识关系。所以当学生面对真实的水溶液体系的时候，他没有任何体系的分析的基点，所以他才找不到氨水和氯化铵谁是体系本身，谁是在这体系之上加入的操作和改变，当然也就不知道了改变了什么和改变的结果是什么，无从分析，有点本末倒置。看见水电离和看见加入其他电解质之后，他也全然分不清楚谁应该是体系的本身，谁是往体系里加入的东西，加入的东西会对体系里的什么产生影响，总之没有分析的逻辑。这种原因造成的学生学习困难是值得我们深思的。二、观察教学案例，分析：目前教学中存在的问题是什么？解决策略是什么？1目前水溶液中离子平衡的教学存在的问题是什么？如何改进？主持人：通过刚才几位嘉宾的分析，我们发现学生在水溶液这部分内容的学习和问题解决当中出现的问题其实是从学习的时候就开始了，在他学习纯水的电离、弱电解质的电离以及盐类的水解，甚至离子反应的时候，他就没有意识到他是在认识一个水溶液的体系，这个体系是组建叠加而成的，是逐渐由简单到复杂的，所以在问题解决的时候，他就不会有这样的意识，去思考本体是什么，后加入的操作是什么。当然，通过刚才嘉宾的分析我们会发现在分析一个具体体系内部的时候，学生可能也是缺少角度和思路的。这提示我们要好好的反思我们的教学是不是出了什么问题。下面我们首先来看一看，一般情况下老师们是如何进行水溶液中离子平衡内容的教学的。我们在网上、期刊上查阅了一些老师们的教学设计，发现还是有一些共性的。我们选取其中的一份作为案例跟老师们一块讨论。第一份设计是关于弱电解质电离平衡的，基本流程如下：接下来我们再来看一看另外一个设计，这个设计是关于水的电离的。在水的电离这部分内容中整节课分为三个大的环节：盐酸和醋酸是我们比较熟悉的酸，你能用哪些方法证明两种酸的的酸性强弱测定溶液的pH，得出结论水在酸电离过程中的作用是什么，类比强电解质，醋酸的导电性实验视频讲解小结强弱电解质的区别以及哪些物质属于强弱电解质书写电离方程式用图示描述达到平衡的过程（速率与平衡的关系图）总结影响电离平衡的因素认识水的电离：这里有一烧杯蒸馏水，请问蒸馏水中含有哪些微粒？对于水的离子积常数的讨论关于pH的计算请现场嘉宾根据刚才的设计结合前面的讨论来分析:这样一种设计存在的问题是什么？我们可以怎样改进?张旌：这两个案例相互之间缺乏联系，它是两个相互单独的针对概念的教学，并且，特别突出的是最终指向的是结果的一个教学。对学生的整个的认识体系的建构缺乏一定的引导，可能主要是这样几个方面：第一，这两个教学案例主要关注的是概念的本身而不是基于实际溶液体系中离子行为的建构，是直接指向结果的，即指向学生将来会在习题中碰到的常用的结论和结果的。第二，在整个过程中缺乏对体系分析的思路的引导，没有在引导的基础上形成一定的程序、建立一个基本的思维模型。第三，从整个教学过程来看仍然停留在原有的宏观的认识层面上，没有深入到离子体系本身，去建立一个微观的离子层面上的认识，所以认识水平上没有体现出来从必修到选修的发展。第四，对离子平衡的认识应该从必修的定性的水平应该发展到定量水平，并且，定量应该起到一定的本质认识的作用，即认识到水的电离程度弱是弱到什么程度，而弱电解质的电离微弱，微弱到一个什么程度，应该从定量的一个层面上去认识，包括对后面盐类水解的程度的认识。对于这一部分内容的教学如果我们能够统筹安排，把它作为一个完整的体系，按照学生的认识发展脉络去整体的设计会更好一些。张兆伟：这两个案例没有很好的把化学平衡的理论再很好的利用一下，它只是讲了平衡建立的过程，另外在这个地方我觉得应该把化学平衡常数转化为电离平衡常数。对于平衡的影响因素，也应该有所涉及。还有一个建议就是在弱电解质的电离平衡教学中指出了盐酸的完全电离和醋酸的电离平衡，我建议在老师们的具体教学过程当中，是否可以再增加一种弱酸，像氢氟酸，然后与醋酸形成一种对比，进行对比性的教学。王磊：水的电离平衡有一点缺失：建立起电离平衡以后又怎么样，这个方面就没有很好的借用化学平衡已有的原理来加深对水的电离平衡和弱酸的电离平衡的进一步的认识，应思考如何借用电离平衡的知识进行比较。强酸和弱酸的比较也是很值得改进的：一是可以借用电离平衡常数进行比较，让学生非常强烈的感受到弱电解质电离在数量和能力上面与强酸、强碱这样的电解质还是有很明显的区别的，即它是存在着很强和很弱，优势和劣势的关系；二是应该让学生去比较当向水里加入强酸、强碱的时候应该怎么考虑问题，是用一种全电离的方式去考虑问题，预测加入之后的变化结果。当我们往里面加弱酸、弱碱的时候，又应该怎么考虑问题，应该有这样的一个比照；三是进入弱酸弱碱之后我们再来研究电离行为的规律，包括平衡移动，把影响平衡的因素类型化，这样就会把围绕着弱酸弱碱的水溶液这一类问题的类型和结构以及思维模型搭建起来。这节课要是再细化一点的话，在开头引入的时候老师应先不着急把盐酸和醋酸进行引入比较，