基于“四元五环”教学模式的高中化学教学研究

［摘 要］“四元五环”教学模式是以“知识、思维、情感、能力”为课程设计的四个维度，涵盖“导学、感悟、探究、内化、运用”五个教学环节，顺应新课程改革要求的一种科学教学模式。文章主要探讨“四元五环”教学模式在高中化学“沉淀溶解平衡”一课中的应用。研究表明，这一教学模式通过激发兴趣、加深知识理解和实践应用，可有效提升学生的化学学科核心素养，在中学化学教学中有着重要价值和实用性。

［关键词］“四元五环”教学模式；沉淀溶解平衡；高中化学；核心素养

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2024）20-0060-05

21世纪以来，科学技术革新迅猛，人们普遍认识到科技是推动社会发展和国家强盛的关键因素。为此，教育部根据党的十八大精神发布了课程改革文件，将核心素养的培养纳入其首要位置，强调了学生的全面发展和关键能力的培养[1]。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》明确提出以培育学生化学学科核心素养为宗旨。“四元五环”教学模式正是在新课程改革的背景下形成的一种新型教学模式。它体现了建构主义学习理论、创新教育理论、生本教育理论、翻转课堂理论和学习金字塔理论等丰富的理论知识，强调让学生自主学习、主动探究、合作交流、实践应用，更有利于学生全面发展，符合高中新课程改革的最新要求[2]。

一、“四元五环”教学模式概述

“四元五环”教学模式中的“四元”是指课程设计的四个维度，即知识、思维、情感、能力；“五环”是指教学实施的五个环节，包括导学环、感悟环、探究环、内化环和应用环，每个环节的具体步骤如表1所示。

教师在设计教学时，须深入理解学科本质，围绕“四元”构建教学内容，确保学科知识结构的完整性和层次性，帮助学生理解学科的基本思想方法，培养学科思维，并逐渐形成学科核心素养。在教学实施上，“五环”有助于实现“四元”各要素的融合与协调发展，全面有效地提升学生的核心素养[3]。“四元”与“五环”之间融合协调，相互支持，形成一个循环往复的教学过程（如图1）。通过这样的教学模式，学生不仅能够建构化学核心知识，而且能够深入感悟化学学科思想，积累基本经验，并将其应用于实践，进而形成学科核心素养。

二、“四元五环”教学模式对学生化学学科核心素养培养的作用

化学学科核心素养是指学生在化学学习过程中逐步发展的必要品质和关键能力，主要包括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、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任五个方面的内容。下面基于化学学科核心素养的要素属性以及“四元五环”教学模式的特点，梳理“四元五环”教学模式在培养学生化学学科核心素养方面的促进作用。

（一）宏观辨识与微观探析

“四元五环”教学模式通过导学、感悟、探究、内化和应用等环节，形成一个连贯且高效的教学流程。初始阶段，通过创设情境激发学生对化学的兴趣，引导他们观察和理解化学现象的宏观特征。随后，通过感悟和探究环节引导学生深入探讨化学知识，从微观层面理解物质的组成和性质。在此基础上，再通过内化环节加强学生对化学概念的理解和应用。最后，通过应用环节鼓励学生在不同情境中灵活运用知识，将宏观现象与微观理论相结合，对化学现象进行更为深入的分析和预测。这种从宏观现象到微观机理的探究过程，加深了学生对化学反应本质的理解。

（二）变化观念与平衡思想

“四元五环”教学模式通过其全面的教学设计，有效地引导学生系统地探索化学反应的本质，理解化学反应的动态性和平衡条件，使学生能够理解化学反应的动态过程，认识到化学平衡的重要性，并在实验和实际应用中巩固这些概念，从而全面提升他们在变化观念与平衡思想方面的核心素养。

（三）证据推理与模型认知

“四元五环”教学模式通过情境创设和任务导学，引导学生识别和分析化学问题，理解证据的重要性，学习如何基于观察和实验结果进行逻辑推理。在合作学习和实验探索环节中，学生能够实际操作和验证化学模型，加深对模型的认知。在互动交流和提炼内化环节中，学生通过讨论和反思，强化对证据的理解和对模型的深入认识。在巩固应用和拓展延伸环节中，学生将所学应用于新情境，实现证据推理与模型认知能力的实际运用和拓展。

（四）科学探究与创新意识

科学探究作为当今科学教育的重要内容，既是获取科学知识、认识和解释科学现象、创新科学应用、改造客观世界的重要途径，也是化学学科的重要研究方法。化学学科能力的培养离不开科学探究的过程，而借助科学探究，又可以进一步培养学生的科学素养[4]。将“四元五环”教学环节与科学探究联结起来（如图2），可以清楚地看出二者在理念和实施方面存在较强的一致性。

在“探究环”中，学生提出假设，设计实验方案，并亲自进行实验操作，自主寻求答案。在这一过程中，学生不仅学习到如何收集和分析数据，还学习到如何基于证据进行合理的推理。在“内化环”中，学生通过讨论和交流，学会如何评估信息，提出新的见解，并在“应用环”中将所学知识和技能应用于新的问题解决和创新实践中，进而培养创新意识。

（五）科学态度与社会责任

在培养学生的科学态度与社会责任方面，“四元五环”教学模式提供了一个全面的教学框架，加深学生对科学态度和社会责任的认识，同时引导学生讨论化学知识如何服务于社会和环境，进而培养学生的社会责任感。通过化学知识与社会实际问题相结合的活动，学生学会了如何负责任地应用科学知识，理解科学知识与社会责任的联系。

由此可见，“四元五环”教学模式可以全方位地培养学生的化学学科核心素养，使学生在掌握知识的同时，发展必要的科学技能、思维能力、创新精神和社会责任感，同时，可以有效地将化学课程标准所倡导的理念转化为实际的教学实践，为学生终身学习和社会实践奠定坚实基础。

三、基于“四元五环”教学模式的“沉淀溶解平衡”教学流程

本研究选取“沉淀溶解平衡”主题课程开展“四元五环”教学模式的教学设计和教学实践研究，创设了5个环环相扣、层层递进的教学环节，具体教学流程如图3所示。

四、教学过程

（一）导学环：创设情境，任务导学

【情境导入】展示含铜废水和铜元素超标的生蚝图片，介绍含铜废水的来源，并提问含铜废水对我们的生活和环境可能会造成哪些影响。

【学生讨论】可能污染水体、破坏生态系统、影响人体健康。

【教师提问】如何通过化学方法除去水中的铜离子呢？

【学生回答】将铜离子转化为沉淀，然后过滤除去。

（二）感悟环：整体感知，质疑生问

【文献展示】

1.氢氧化镁沉淀具有较强的吸附作用，可起到沉淀和吸附重金属离子的双重作用，所生成的沉淀晶粒粗大且密实，易于沉降和过滤，对重金属离子的去除率高达99%。

2.氢氧化镁具有缓冲性，对酸性废水进行处理后，能够使水体的pH维持在9～10，可以抑制水体中细菌的生长。

3.氢氧化镁安全、无毒、无害，我国菱镁矿的储量世界居首，因此在我国使用氢氧化镁和镁盐有着潜在的优势[5]。

【多媒体】展示氢氧化镁的名片（如图4）。

【教师提问】氢氧化镁是难溶物，为什么它能够使水体的pH维持在9～10呢？

（三）探究环：合作学习，实验探究

【教师引导】如何通过实验定性分析氢氧化镁溶液的pH能够维持在9～10呢？

【学生实验1】实验用品：Mg（OH）2固体、蒸馏水、酚酞、稀硫酸。

【学生汇报】学生以小组为单位汇报实验步骤、实验现象以及实验结论，具体内容如表2所示。

【教师引导】难溶的氢氧化镁是如何使溶液呈碱性的呢？

【学生回答】可能有部分氢氧化镁溶解于水中。

【教师追问】向氢氧化镁中加入几滴稀硫酸，溶液为什么会先褪色后变红？

【学生推理】氢氧化镁浊液中含有大量的氢氧化镁固体，通过酚酞进行检验发现体系中存在OH-，稀硫酸可与OH-反应，使溶液中的OH-浓度降低，从而促使氢氧化镁沉淀溶解平衡向着溶解的方向移动，使溶液的pH逐渐恢复到9～10之间，因此，溶液先褪色后变红。

（四）内化环：互动交流，提炼内化

【手持技术实验1】取盛有100 mL蒸馏水的烧杯，测其pH，再向其中加入1.0 g氢氧化镁粉末，同时用磁力搅拌器搅拌，观察溶液pH的变化。实验装置及pH变化曲线如图5所示。

【教师提问】实验中看到了哪些现象？

【学生回答】向蒸馏水中加入氢氧化镁粉末后溶液变浑浊了，pH突然增大，然后到10左右保持不变。

【教师引导】为什么pH会突然增大呢？到[100 s]之后pH为什么保持不变了？

【学生回答】pH突然增大说明有部分氢氧化镁溶于水中电离出OH-。pH上升到10左右保持稳定说明OH-浓度保持不变，即氢氧化镁溶液达到了饱和状态，但此时大部分的氢氧化镁还没有溶解，说明该过程达到了沉淀溶解平衡。

【手持技术实验2】向演示实验1中的烧杯加入几滴稀硫酸，同时用磁力搅拌器搅拌，观察溶液pH的变化。pH变化曲线如图6所示。

【教师提问】实验中看到了哪些现象？

【学生回答】向烧杯中加入稀硫酸后，pH先下降到接近3的位置，随后上升到接近10的稳定值。

【教师追问】为什么溶液的pH会先下降后上升至一个稳定值呢？

【学生推理】因为原体系中氢氧化镁存在沉淀溶解平衡，硫酸电离的H+与氢氧化镁溶解产生的OH-反应，使体系中的OH-浓度降低；依据勒夏特列原理，当OH-浓度减小时，平衡向生成OH-的方向移动，直至形成新的平衡。

【总结】溶液中存在的这种沉淀和溶解的动态平衡称为沉淀溶解平衡。用符号表示为：

Mg（OH）₂（s）[溶解沉淀]Mg2+（aq）+ 2OH-（aq）

Ksp=c（Mg2+）·c2（OH-）

【教师提问】为什么Mg（OH）2能够除去废水中的Cu2+呢？

【学生实验2】实验用品：Mg（OH）2固体、含Cu2+的废水。

【教师引导】根据导入环节的推理，我们可以把水中的Cu2+转化为沉淀来除去，具体怎么做呢？

【学生操作】向氢氧化镁悬浊液中滴入几滴含有Cu2+的溶液。

【实验现象】搅拌静置后，观察到有蓝色沉淀生成。

【教师引导】说明有Cu（OH）2生成，那么Mg（OH）2是如何转化为Cu（OH）2的？

【学生推理】溶液一开始存在如下平衡：[Mg（OH）2（s）]⇌[Mg2+（aq）+2OH-（aq）]，当加入含有Cu2+的溶液后，Cu2+结合OH−形成Cu（OH）2沉淀，使原来的平衡被破坏，并向溶解方向移动。

【总结】用符号表示上述过程：

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

【教师提问】能否借助化学平衡常数K分析该反应是否能够发生？[已知常温下，Ksp［Mg（OH）2］=1.9×10-11，Ksp［Cu（OH）2］=2.2×10-20]

【学生活动】计算该反应的平衡常数：[K=c（Mg2+）c（Cu2+）=KspMg（OH）2KspCu（OH）2 ]≈[109≫105]，该反应能够顺利进行。

（五）应用环：巩固应用，拓展延伸

【教师】向含铜离子的废水中加入氢氧化镁进行处理后是否符合国家一级标准[c（Cu2+）≤7.8×10-6  mol/L]，试通过计算来说明。