類比思維在元素化合物學(xué)習(xí)中的價值和實現(xiàn)

王新文

摘 要：針對高一學(xué)生元素化合物學(xué)習(xí)中方法僵硬且記不住記不準(zhǔn)的實際困難，結(jié)合高一學(xué)生化合物知識的學(xué)習(xí)起點，運用類比思維，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)學(xué)習(xí)內(nèi)容，可使元素化合物學(xué)習(xí)中的核心問題得到有效解決，學(xué)生的解題能力獲得有效提升，也有助于學(xué)習(xí)方式的改變。

關(guān)鍵詞：類比思維；元素化合物；教材；實踐

元素與化合物知識是整個中學(xué)化學(xué)知識體系的基礎(chǔ)，是建立與應(yīng)用化學(xué)理論知識的重要載體。高中階段元素化合物知識集中在人教版《化學(xué)》必修①，由于高一新生儲存的物質(zhì)信息不僅零散還相當(dāng)有限，僅具備初步應(yīng)用初中所學(xué)常見物質(zhì)的能力，所以必修①第三、四章的元素化合物知識的教學(xué)一方面要促成學(xué)生完成知識積累，為概念形成建立例證（依據(jù)），為原理知識建立支撐；另一方面要幫助學(xué)生掌握認(rèn)知物質(zhì)性質(zhì)的思維推理的基本方法，培養(yǎng)建構(gòu)物質(zhì)性質(zhì)等的初步能力。類比思維恰是學(xué)生知識積累及學(xué)習(xí)新知的有效方法，即學(xué)生通過自主思考、推理并建構(gòu)新物質(zhì)性質(zhì)等的類比過程，進(jìn)而達(dá)到記住、記準(zhǔn)化合物間轉(zhuǎn)化知識并習(xí)得持續(xù)學(xué)習(xí)的方法。

一、類比思維的含義

類比思維，是指根據(jù)兩個或兩類對象之間在某些方面的相同或相似，從而推出它們在其他方面也可能相同或相似的邏輯思維方法。作為一種思維或邏輯推理的方式，類比是在兩個或兩類特殊事物之間進(jìn)行的，它既不同于從特殊到一般的歸納方法，也不同于從特殊到特殊的一種獨特的方法。歸納必須在分析研究大量特殊事物的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。演繹又依賴于歸納，也必須在從大量特殊事物中抽象出來的普遍原理上才能進(jìn)行。如果事例太少，就難以進(jìn)行歸納和推理。而類比則是在兩個特殊事物之間進(jìn)行分析和比較，因此它可以在科學(xué)資料積累水平較低，還不具備進(jìn)行歸納和演繹的條件下進(jìn)行，是一種頗有用處的方法[1]。

二、類比思維是同化物質(zhì)性質(zhì)的有效方法

（一）類比能有效獲取物質(zhì)性質(zhì)

如你認(rèn)為Na2O的化學(xué)性質(zhì)和Fe2O3、CuO、Al2O3、CaO中“誰”的性質(zhì)最為相近，陳述你的理由，并概括出Na2O的化學(xué)性質(zhì)。引導(dǎo)學(xué)生基于對金屬還原性順序更精確地把握氧化物的性質(zhì)，即鉀、鈣、鈉是“非?；顫姟钡慕饘?，那么把CaO的化學(xué)性質(zhì)遷移至Na2O更合理。學(xué)生既得到了Na2O的性質(zhì)，還從方法上獲得了知識合理“擴容”的途徑。有了這種推理思維意識就不會對探究Al2O3、Al（OH）3和強堿溶液的反應(yīng)感到突兀，因為鋁就能和強堿溶液反應(yīng)（元素與物質(zhì)），也不會盲目對Fe2O3和NaOH溶液是否反應(yīng)產(chǎn)生“質(zhì)疑”。這樣的類比切近學(xué)生認(rèn)知物質(zhì)性質(zhì)的能力，又能有效避開枝蔓知識，提高了“記住”“記準(zhǔn)”的精確度。

對金屬活潑性形成精細(xì)分類正是教材內(nèi)隱的知識，體現(xiàn)為Na、Al、Fe性質(zhì)的橫向?qū)Ρ葘W(xué)習(xí)，所以類比學(xué)習(xí)也是貼近教材意圖的方式。將物質(zhì)“細(xì)化”認(rèn)知的主觀思維能力越強，分類思維就越自覺，而且分類的價值就越高。

（二）“以類而比”要注重漸進(jìn)性

細(xì)化分類建立物質(zhì)性質(zhì)是將認(rèn)知從“有限”推向“無限”的有效方法，然而高一新生對物質(zhì)性質(zhì)基本是以“個案”存儲的，從“個案”認(rèn)知到“類”認(rèn)知要先建立“類”認(rèn)知基礎(chǔ)，以類而比才有可行性。如圖1中從較熟悉的Zn、CuO、Cu（OH）2的性質(zhì)以此建立起Al、Al2O3、Al（OH）3的性質(zhì)，有了“鋁系”（鋁及其化合物，下同）基礎(chǔ)即可類比學(xué)習(xí)“鐵系”。類比要注重對類比對象的“固定”，實驗是幫助學(xué)生固定認(rèn)知的重要手段。如稀鹽酸“打磨”鋁膜實驗?zāi)軒椭鷮W(xué)生對金屬氧化物能和酸反應(yīng)形成肯定認(rèn)識，再去認(rèn)知FexOy的性質(zhì)就很果斷。若從CuO推理Al2O3再推理FexOy的性質(zhì)，不僅學(xué)習(xí)難度大、枯燥且容易出錯。圖中堿性氧化物意指從和哪些物質(zhì)間的反應(yīng)建立對它們性質(zhì)的規(guī)律認(rèn)知，并非是要拋給學(xué)生的概念。

其實教材也非常注重對“以類而比”的方法引導(dǎo)，比如人教版《化學(xué)》必修①P70習(xí)題7就是類比構(gòu)建“銅系”的例子。學(xué)生將物質(zhì)性質(zhì)“張冠李戴”的實質(zhì)是認(rèn)知不固定的“拋錨”現(xiàn)象，基本認(rèn)知不牢靠，越學(xué)越多必然導(dǎo)致越多越亂。

三、類比思維是掌握物質(zhì)制備的有效策略

物質(zhì)制備是元素化合物學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，高一新生對物質(zhì)制備的系統(tǒng)知識相當(dāng)匱乏，如何引導(dǎo)學(xué)生觸類旁通，需對Al（OH）3制備進(jìn)行精心教學(xué)設(shè)計。圖2是以開啟學(xué)生智慧為目的，以Al（OH）3實驗室制備為主題的教學(xué)設(shè)計，教學(xué)以原理選擇、方案探索為兩個主要過程，先根據(jù)學(xué)生基礎(chǔ)對物質(zhì)制備知識做了必要的修齊補足，然后通過實驗演示，以“發(fā)現(xiàn)問題→依理再究→獲得結(jié)論”為主線，組織學(xué)生主動建構(gòu)物質(zhì)制備分析方法和相關(guān)知識，并為類比思考Fe（OH）2的制備進(jìn)行了預(yù)設(shè)。

依理再究是對因Al（OH）3會溶于NaOH就提出用氨水替代NaOH的理性思維不足的再探討。不足主要表現(xiàn)為易使學(xué)生形成“物質(zhì)制備需要反應(yīng)物100%轉(zhuǎn)化為生成物”的觀念，沒有解決當(dāng)n（Al3+）∶n（OH-）=1∶3時為什么不能制備Al（OH）3的困惑。要使圖2中0.9mol/LAl2（SO4）3（近飽和濃度）生成約0.1molAl（OH）3沉淀，雖然只要控制V[NaOH（aq）]=108mL即可，但要規(guī)避Al（OH）3和OH-“見面”，就需采取“滴加”“攪拌、振蕩”“沿器壁滴入”等措施，要滴入兩千多滴NaOH溶液（滴管一滴約0.05mL），學(xué)生很容易體會到操作的“不便”和“不易”（0.1mol Al（OH）3是實驗室制備的現(xiàn)實問題）。“反滴實驗”（Al2（SO4）3滴入NaOH溶液）既使學(xué)生從實驗“看到”反應(yīng)之快，進(jìn)一步感悟到“滴加”仍可能造成Al（OH）3溶解（因NaOH溶液濃度較大）。至此，經(jīng)過用氨水替代NaOH溶液的實驗實踐，深刻理解選擇通入氨氣既方便快捷還確保了鋁元素的轉(zhuǎn)化率。

物質(zhì)制備的類比重在思維方法的類比，具體在原理選擇、問題與改進(jìn)、操作分析等環(huán)節(jié)。圍繞氫氧化鋁制備中“問題”的理性思考，抓住關(guān)鍵原理，改進(jìn)操作、試劑、儀器等具體問題，無疑引導(dǎo)了學(xué)生的思維方向和思維方法，也提升了物質(zhì)制備的設(shè)計、分析能力。

四、類比思維是培養(yǎng)問題解決能力的有效途徑

（一）類比思維構(gòu)建怎么學(xué)

FeCl2和FeCl3展現(xiàn)了多價態(tài)鐵元素的“實體”，二者間的轉(zhuǎn)化途徑是掌握同種元素不同價之間轉(zhuǎn)化規(guī)律原理的“具體知識”，即Fe2+和Fe3+間轉(zhuǎn)化思維是構(gòu)建不同價非金屬元素（第四章）化合物間轉(zhuǎn)化途徑的基礎(chǔ)。單質(zhì)、氧化物、堿、鹽是金屬及其化合物學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，類比可知非金屬及其化合物應(yīng)以單質(zhì)、氫化物、氧化物、酸、鹽為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，再從鐵的化合物比鋁的化合物多了一組氧化物、堿和鹽是因鐵的變價，便知只要抓住非金屬“價多”特點就很容易厘清非金屬及其化合物的學(xué)習(xí)脈絡(luò)。再從學(xué)習(xí)方法看，圖3所示的鐵及其化合物在轉(zhuǎn)化中體現(xiàn)出的“橫向酸堿縱氧還”的規(guī)律，不也是非金屬及其化合物轉(zhuǎn)化的“范例”嗎，可以說硫、氮、氯及它們的化合物均可仿照鐵及其化合物的圖“擺放”，并從“橫”“縱”研究物質(zhì)間轉(zhuǎn)化方式及性質(zhì)、應(yīng)用。從Fe（OH）2制備中的“問題”很自然就轉(zhuǎn)向了Fe2+和Fe3+間轉(zhuǎn)化規(guī)律及實現(xiàn)途徑的探究，學(xué)生所獲思維方式和能力又得以在非金屬部分得到應(yīng)用、鞏固和深化，如從酸雨轉(zhuǎn)向正四價硫和正六價硫，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變和學(xué)習(xí)能力的提升。

比較、類比是獲得新知的重要舉措，隨著學(xué)習(xí)的深入，對物質(zhì)間轉(zhuǎn)化若輔以圖4進(jìn)行再梳理，那么學(xué)生記憶復(fù)雜轉(zhuǎn)化關(guān)系的精度又會再上一個臺階。類比思維的應(yīng)用能有效開啟、激發(fā)學(xué)生自己的智慧。

物質(zhì)間轉(zhuǎn)換隱含著形式的、宏觀的、微觀的、原理的諸多規(guī)律，適時引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行整理歸納能啟迪學(xué)生琢磨記憶的“竅門”，如圖4中隱藏的轉(zhuǎn)換中的數(shù)量關(guān)系（所加物質(zhì)間存在n（H+）=n（OH-）、n（e-）得= n（e-）失的內(nèi)在聯(lián)系），這些思考更有利于學(xué)生將非金屬知識學(xué)得更快、更好、更輕松。

（二）類比思維構(gòu)建解題策略

圖4中NaOH和CO2、AlCl3和NaOH間的反應(yīng)關(guān)系為學(xué)生提供了理解“少量”“過量”及掌握典型計算題型的典型載體。圖5展示了此類計算題的基本計算思路及建立教學(xué)的主要環(huán)節(jié)。

基于Al3+和OH-反應(yīng)計算問題的解決策略，可以更換載體，通過學(xué)生模仿解決OH-和CO2的計算問題，促使學(xué)生習(xí)得應(yīng)有解題技能。從原理、規(guī)律、方法等方面審視“型似”知識并獲取相關(guān)結(jié)論對學(xué)生自主建構(gòu)也有積極的意義。OH-和CO2的圖像從建立坐標(biāo)系到畫圖顯然是要復(fù)雜些，具體見圖6。

圖像是通過對反應(yīng)過程中兩種變量之間數(shù)量對應(yīng)關(guān)系的描述，形成的反映物質(zhì)變化趨勢、關(guān)系及幅度等特點的線段及其組合，它以“數(shù)”和“型”相結(jié)合的形式揭示了反應(yīng)所遵循的原理規(guī)律。故既可以根據(jù)反應(yīng)的原理作出相應(yīng)的圖像，也可以根據(jù)圖像推理得出物質(zhì)反應(yīng)的原理。識圖能力反映了學(xué)生思維敏捷性、思維品質(zhì)、信息獲取與加工等學(xué)科素養(yǎng)，而作圖無疑有助于掌握識圖的關(guān)鍵，圖5、圖6的繪制過程對學(xué)生深度理解并體會“少量”“過量”的含義，“數(shù)量”與“物質(zhì)”間的對應(yīng)關(guān)系，微粒此消彼長的本質(zhì)等作用巨大。圖像正日益成為深度學(xué)習(xí)的重要途徑和內(nèi)容，和圖6類似的圖像近年在各級試題中屢屢出現(xiàn)。本章還有很多解題技能可以通過類比思維實現(xiàn)，鑒于篇幅不再贅述。

運用類比思維學(xué)習(xí)元素化合物是教材使用的深度感悟。從類比的視角看教材可以發(fā)現(xiàn)，鈉的化合物間主要是和酸堿的轉(zhuǎn)化，而鐵多了氧化還原思維；從鐵到非金屬化合物，看似還是“橫向酸堿縱氧還”的內(nèi)容，但元素的化合價更豐富，物質(zhì)具體形態(tài)更多，轉(zhuǎn)化關(guān)系也更多，氧化還原性的強弱隨溫度、濃度等因素影響（如鈍化、銅和濃、稀硝酸反應(yīng)）又增加了氧化還原思維應(yīng)用的深度等?？梢姡惐人季S不是思維的簡單復(fù)制粘貼，它隱含著思維的比對和比對中的深化。這是類比思維教學(xué)引導(dǎo)中需要啟迪學(xué)生關(guān)注的，也是需要學(xué)生感悟并掌握的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王祖浩.化學(xué)中的類比思維 [EB/OL]. [2016-11-25].http：//www.cqvip.com/read/read.aspx？id=25421079.