中学化学必修教材中“离子知识”编排的研究_电解质溶液论文

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      教学实践和理论研究证明，教材的编制要做到学科知识的逻辑顺序、学生的认知顺序和学生的心理发展顺序三者合理综合，即要遵守“三序”结合的原则[1]。高中化学的必修教材是为全体学生的发展而编制，是提升学生科学素养的基础模块。离子、电解质、电离、离子反应等一系列“离子知识”是学生由初中过渡到高中，由宏观的化学视角过渡到微观的化学视角的一扇大门，是教学的重点，亦是难点，利用“三序”结合的原则来分析人教版、苏教版两本教材中关于离子知识编排的结构，以期能够管中窥豹，更深刻地理解教材。

      一、离子知识的发展进程

      就像对燃烧反应的认识存在燃素说和氧化说的争论一样，历史上对电解反应本质的认识也有一段曲折的发展历程[2-3]。

      在19世纪初期，人们主要关注的是电解现象。1799年伏打发明了电堆之后，英国化学家尼克尔森和卡里斯尔就用电解的方法分解了水（1800年），1807年戴维用电解熔融固体的方法制出了金属钠、钾，随后又通过电解得到了镁、钙、锶、钡等金属。戴维的助手法拉第在此之后对电化学又进行了广泛研究，对电解反应进行了定量研究，并在一系列实验的基础上创立了电解定律（即法拉第定律）：在电解过程中，电解质的析出量与电流强度和时间成正比，沉积物的重量与该物质的当量成正比（当量是指该物质的摩尔质量M跟它的化合价的比值）。这对化学的发展起了很大的作用。通过对电解反应的研究，创造了许多术语：如阴极、阳极、阳离子、阴离子、电解质、离子等，这些术语至今仍然在使用。但是法拉第认为电解质是可以被电流分解的物质，离子是电流分解出的粒子，即离子是电流通过溶液以后才产生的，这些错误观点在后来的研究中得到了纠正。

      正是关于“水和电解质是如何被电解”这一问题的探讨导致了对电解质的正确认识。1805年，德国的格洛塔斯探讨了电解反应的本质，认为在电解水时，阳极和阴极好比磁铁，它们分别吸引水的粒子而把水分解。威廉逊于1851年、克劳修斯于1857年提出另一种看法：电解质在溶液中不断离解成“基”，这些基又不断化合成电解质分子，二者处于动态平衡之中，所以通电才能发生电解。德国物理化学家希托夫和科尔劳希先后研究过离子在溶液中的迁移，发现电解时正负离子是独立运动的，希托夫甚至提到电解质的离子在溶液中不能形成稳定的分子。阿累尼乌斯在其博士论文《电解质的导电性研究》（1883年）中提出：电解质在水溶液中自动离解成游离的带电粒子，即在通电前，电解质就已经在水溶液中离解了。由于这一理论不符合当时流行的说法——离子是通电后产生的，故遭到一些保守科学家的反对，门捷列夫认为电离理论会像当时已被证明是错误的燃素说的下场一样。可是实践证明，电离理论是正确的“氧化说”，这一理论对许多现象如中和热、沉淀、水解、缓冲作用以及酸和碱的强度等，都可以作出合理的解释，促进了人们对电解质溶液本质的认识。19世纪末电子被发现以后，化学家才明白，离子是原子（或者原子团）得到或失去电子形成的带电粒子。电离理论的提出，为物理化学的发展开创了新阶段，同时也促进了整个化学的进步，阿累尼乌斯也因此获得1903年诺贝尔化学奖。

      综上所述，在科学发展史上，人们首先是对电解反应现象进行研究，进而提出电解质、离子等概念，对宏观现象进行微观解释，在关于“电解质在通电前是否会解离”的长达1个世纪的争论中，人们逐渐认识到电离现象的本质。由此可见，化学作为一门科学，有其自身的逻辑体系，这是科学的系统性，科学的系统性反映了人类认识化学事物的历程和化学思想发展的历程。认识离子知识的发展进程，有利于宏观把握学科知识间的内在规律与联系。

      二、离子知识的学习进程

      在化学学习过程中，受认知水平和教学时限的制约，学生并不能完全按照科学家认识事物、建构知识的进程去学习科学知识，因此教材对科学知识体系进行了改造，在不同学段呈现不同深度和广度的知识（表1）。

      

      

      在科学发展进程中，离子知识的发展是由宏观实验现象到抽象概念，其中也出现一些错误观点，而学生学习的则是在今天看来相对正确的概念、结论，同时为了便于学生的理解，教材将宏观现象、微观本质和符号表征三者有机结合在一起，因此，学生学习的离子知识显然不同于科学发展进程中的离子知识。这种不同反映了人类集体智慧发展与学生个体知识建构的差异，体现了科学与学科的不同，是教材编写者和使用教材的教师所需要认识到的问题，也是“三序”结合原则的出发点。对于教师而言，认识这种不同有助于理解学生可能出现的“迷思概念”（如“电解质通电后才能电离”），也有助于发掘科学发展进程中的“离子知识”的教学价值，从而作出相应的教学干预和教学设计。

      三、人教版《化学1》中“离子知识”的编排

      教材的逻辑顺序是由教学内容的知识结构、技能结构、能力结构和科学过程结构4种因素经过科学地排列、整合之后构成的[4]。下页图2列出了人教版《化学1》中的章节安排，以及相关离子知识出现的逻辑顺序[5-6]。

      总体来看，第1章“从实验学化学”强调的是化学科学的重要研究手段——化学实验，重在引导学生在初中化学学习的基础上进一步掌握以实验为基础的实证研究方法；第2章“化学物质及其变化”强调的是认识物质及其变化的方式和化学科学的基本观念——帮助学生建立从宏观到微观、从孤立到系统的化学认识方式以及“分类观”“微粒观”“转化观”“守恒观”等化学基本观念。这两章内容既是对初中化学知识的概括提升，更是化学必修课程乃至整个高中阶段化学学习的“脚手架”，为后续学习奠定了认识论、方法论和价值观基础。

      由图2可以发现，离子知识主要集中编排在第2章第2节，包括“酸、碱、盐在水溶液中的电离”和“离子反应及其发生的条件”两部分内容，知识的逻辑体系较为完整。在上一节学习完分散系的相关知识后，学生意识到仅仅从分散质和分散剂的状态来对分散系分类是不全面的，因为分散质溶于水中会以分子或离子的状态存在，由此才引出利用分散质粒子大小对分散系分类。那么，有些分散质在水溶液中为什么会以离子形式存在呢？这就需要引入离子的相关知识，教材在此处引入离子知识，既遵循科学知识发展的脉络，又满足了学生认知发展的需要。

      

      学生的认知顺序，是从认识论角度对学生认知规律的概括，是指学生学习知识与技能的认知规律[1]。本节从学生在初中所熟悉的物质的导电性实验分析，引出电解质和电离的概念，符合学生由具体到抽象的认知顺序；在此基础上分析酸、碱在水溶液中的电离规律，从电离角度来给酸、碱下定义，符合学生由感知到理解的认知顺序；从简单的电离方程式书写到用离子方程式来表示一类化学反应，遵循学生“从易到难和从孤立到综合”的认知顺序，为后续氧化还原反应、元素化合物知识的学习打下基础。

      学生的心理发展是个动态的过程，化学的教学也是个动态的过程。初中生大多属于经验型逻辑思维，虽然观察和记忆能力已有一定的目的性和系统性，但还需直观形象或经验的支持，因此，初中生仅需了解酸、碱、盐溶液具有导电性。对于高一的学生来说，不仅需要进一步培养观察的目的性、系统性，还需要逐渐摆脱直观形象和具体经验的限制，培养思维的独立性、批判性和深刻性，发展理论型逻辑思维。而离子知识正是可以用来引导学生从宏观到微观、从具体到抽象、由现象到本质地探究物质变化、发展逻辑思维能力的重要载体。

      整体而言，人教版教材在尊重学生认知顺序和心理发展顺序的基础上，强调知识的逻辑顺序，方便教师的教学安排和学生的阅读。从知识选取的角度来看，人教版《化学1》中未介绍非电解质和强、弱电解质的概念，但对这部分知识没有必要回避。在探究为什么不同化合物在水溶液和熔融状态下的导电性不同、不同酸的pH不同等问题时，教师可以引导学生顺理成章地归纳出非电解质和强、弱电解质的本质属性，学生也需要借助这几个概念来分析、比较所学习的物质，因此可以给出这些概念。此外，有关电解质、电离等概念的化学史知识在教材中没有出现。

      四、苏教版《化学1》中“离子知识”的编排

      中学教材在编写中，考虑学生的认知顺序和心理发展顺序，需要将教材的逻辑顺序加以变形，而这种变形往往导致一些知识体系被分散，相关概念和知识点被穿插、镶嵌和渗透在不同的章节中。图3中列出了苏教版《化学1》中的章节安排，以及相关离子知识出现的逻辑顺序[7]。

      

      从整体上看，苏教版《化学1》是从与当今变化的时代密切相关的专题展开，构建了一个以“物质世界”为核心的知识体系，阐述了核心的化学概念和原理，揭示了化学科学和人类赖以生存的物质世界的紧密联系，其中蕴涵的科学方法和人文精神，对于学生的认知和心理发展起着潜移默化的影响。

      从图3看出，苏教版《化学1》中并没有1个章节系统地讲述离子知识，电离、电解质和非电解质的概念穿插在专题一第1单元的“物质的分散系”中，离子反应的相关理论和应用则镶嵌在钠、镁及其化合物知识之中。这种穿插式编排和镶嵌式编排模式在不破坏基本内容逻辑顺序的条件下，又照顾到了学生的认知顺序和心理发展顺序，是“三序”结合的有效方式。

      仔细分析会发现，电离、电解质的概念是紧跟在物质分散系知识后面，但教材并没有继续将离子知识进行深入介绍，反而将强电解质和离子反应知识置于“碳酸钠的性质与应用”之后，“镁的提取及应用”之前。从教材的逻辑顺序来看，这种理论知识和元素化合物知识穿插编排的做法有助于分散难点，也符合化学学习的规律，因为强电解质和离子反应的概念与理论较抽象，在一些容易理解的元素化合物知识的基础上再提出讨论，同时又利用这些理论和概念指导元素化合物知识的学习，两者可谓相得益彰。

       从学生的认知顺序角度来看，在学生已有的电解质溶液的概念基础上，进行强酸、弱酸、强碱、弱碱溶液导电性分析，引出强电解质、弱电解质的概念，实现学生的思维由具体到抽象的过渡；在此基础上，指出上一部分所学的碳酸纳与氢氧化钙溶液的反应实质上是

的反应，离子反应的概念也就呼之即出了，这符合学生由已知到未知的认知顺序；认识到电解质在水解质在水溶液中化学反应的本质是离子间的反应后，将离子方程式应用于氧化还原反应，加深学生对化学反应的微观认识，符合学生“在理解的基础上巩固和应用”的认知顺序。

      那么，为什么强电解质和离子反应的概念与理论要放在本专题最后1个单元的第3块内容，而没有直接将其置于专题二的末尾呢？教材这样的编写遵循了学生的心理发展顺序。在掌握具体化学物质性质的知识基础上学习理论知识，如果能够快速地应用于新知识的学习中，这无疑会增强学生的学习信心，激发其继续深入学习的欲望。另外，在离子知识后面安排“镁的提取与应用”，从“一般规律”到“特殊运用”，在理解相关原理的基础上进行学习实践，也有利于学生知识建构的系统性。

      综上，苏教版教材遵循学生的认知顺序和心理发展顺序，将概念理论知识与元素化合物知识穿插编排，难点相对分散。从知识选取的角度来看，苏教版《化学1》介绍了非电解质和强、弱电解质的概念，知识体系比较完整。但由于氧化还原反应、离子反应等内容没有出现在专题和单元的标题中，因此，在教材的目录上看不到这些内容及其相应的位置，对于初学者，查找这些内容有一定的困难（当然，细心的同学会发现，教材的“附录Ⅲ中英文名词对照表”中各名词对应的页码能帮助他们找到这些概念）。教师在教学过程中要帮助学生建构知识的网络图，并明确其中知识的逻辑体系。此外，教材也没有呈现有关电解质、电离等概念的化学史知识。

      五、思考与建议

      根据上述分析，人教版、苏教版《化学1》教材的编写都较好地符合“三序”结合的要求。对于离子知识，虽然两种教材的编写逻辑和切入方式不同，但各有特色，达到了异曲同工的效果。由此看来，“三序”结合作为构建教材体系的原则，其实现形式可以“百家争鸣”，各显教材编写者的智慧。

      在科学发展史中，科学家从宏观到微观、从定性到定量、由现象到本质认识了电解现象，揭示了电解反应、电离的本质，逐步建构了电解、离子、电离等知识，其间出现了许多错误认识、争议等。这种认识事物、建构知识的真实过程，不仅蕴涵着科学家探究事物的过程与方法，还生动地说明科学知识不过是科学家为解决科学问题而提出的探索性的理论假设，反映了科学的探究本质。因此，教材中可以适当增加相关的化学史知识，让教师和学生了解知识的产生和发展进程，理解科学的本质。

      化学教学的目标之一是帮助学生建立化学学科观念，从建构化学学科观念的角度来分析，在离子知识体系当中，“电离”是个联系宏观与微观的关键性概念，前文中也提及在离子知识的发展过程中，“电离”是由科学家经过近百年的曲折探索才得以肯定的事实。皮亚杰的发生认识论研究表明，儿童个体思维的发展与人类认识的过程具有相似性，因此科学家们曾走进的思维误区，往往是学生易产生错误概念之处，学生脑海中容易存在“离子是通电后产生”这样的前概念。但是在人教版和苏教版的教科书中，这一概念的建构过程并未得到强调和突出，使用苏教版和人教版教科书的教师们需要注意这一问题，并在教学过程中合理安排教学手段，帮助学生实现科学概念的转变。“导电性实验”经常被用作教师的演示实验，其实这一实验中所用到的“电池”“开关”等实验仪器反而会使学生误以为“通电后才产生离子”，事实上，如果让学生用pH试纸来检测不同酸的酸性，确定不同的酸中都含有

，随后，教师可以提问“这些

哪来的？”学生就会明白，溶液在不通电的情况就会存在离子了。相比而言，鲁科版化学教科书中关于这部分内容的编排是值得借鉴的，教科书中以NaCl为例，以文字信息分析其在水溶液或熔融状态下导电的原因，并通过实验实物图和微粒模型图来引导学生进行抽象思维，在理解“电离”过程微观原理的基础上，书写电离方程式，从宏观、微观、符号三重表征的角度实现学生对知识的建构。

      教育目的的实现靠课堂，课堂效果的成败看教学，教学内容的依托是教材。教材的编写需要遵守“三序”结合的原则，而如何在教学中体现教学内容和学生认知顺序、心理发展顺序的契合，还需要教师依据自己学生的实际情况去合理选择、组织和构建。正如夸美纽斯在《大教学论》中所说：“自然并不跃进，它只一步一步地前进……建筑家也是以同样的方式建造房屋的，他并不从山墙或墙壁去着手工作，而是从基础工程开始。一旦房基打好以后，他并不去修屋顶，而是去造墙壁。一句话，各个阶段的接连次序是依它们的相互关系而定的……所以，假如教员不为自身和学生设想，不好好组织教材，使之一个阶段接一个阶段，而且每一个阶段都有其一定的内部结构，那显然是荒谬的”[8]。因此，在有限的教学时间内，充分利用好教材，完成知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观相融合的教育目标，这就要求教师不能简单地教“教材”，而是发挥主观能动性和创造力，依据学生的实际情况，用好“教材”，既让学生掌握教材中丰富的化学知识，又能被教材中所渗透的科学方法、科学精神所熏陶。

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