基于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的元素化合物教學(xué)實(shí)踐

洪娟

摘要：鑒于學(xué)生困惑的元素化合物知識雜亂繁多的現(xiàn)狀，筆者提出基于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的元素化合物教學(xué)結(jié)構(gòu)，指出從類別、價(jià)態(tài)角度，從元素周期律、價(jià)鍵結(jié)構(gòu)角度，從化學(xué)平衡移動角度構(gòu)建認(rèn)識模型，從而形成多角度認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的認(rèn)識系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)核心素養(yǎng)的培育和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：證據(jù)推理;模型認(rèn)知;元素化合物教學(xué)

中圖分類號：G633.8 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1992-7711（2019）02-0003

一、問題提出

現(xiàn)實(shí)教學(xué)中不難發(fā)現(xiàn)，高中學(xué)生常常被元素化合物知識的雜亂繁多所困擾：學(xué)生在新課學(xué)習(xí)中糾結(jié)于物質(zhì)性質(zhì)的多樣性和轉(zhuǎn)化關(guān)系的復(fù)雜性。學(xué)生眼中的元素化合物知識需要記背的內(nèi)容太多，即使花了很多時(shí)間記背方程式，到了考試還是用不上，因?yàn)榭荚囶}常常試題情境新穎，而他們從試題情境中提取有用信息，對信息進(jìn)行加工、處理能力不夠，無法將試題與書本知識進(jìn)行有效銜接。

要解決以上問題，筆者認(rèn)為在元素化合物知識教學(xué)中，教師要著重指導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)元素化合物知識的學(xué)習(xí)框架，充分發(fā)揮“證據(jù)推理”在學(xué)習(xí)中的作用，形成物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的系統(tǒng)“認(rèn)知模型”。

二、元素化合物教學(xué)中的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”

作為化學(xué)學(xué)科研究的思維與本質(zhì)的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”包括以下五個方面的內(nèi)涵[1]：具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè);通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系;知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立模型;能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

在元素化合物教學(xué)中，“證據(jù)推理”素養(yǎng)的落實(shí)有“實(shí)驗(yàn)論證”和“理論論證”?！皩?shí)驗(yàn)論證”是以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為證據(jù)，對物質(zhì)性質(zhì)的論證，可以分為定性證據(jù)和定量證據(jù)、直接證據(jù)和間接證據(jù)等;“理論論證”是利用概念原理知識從理論層面論證物質(zhì)性質(zhì)或反應(yīng)規(guī)律的合理性，此類論證強(qiáng)調(diào)從微觀角度建立物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的聯(lián)系。

元素化合物教學(xué)中的“模型認(rèn)知”是指基于認(rèn)識模型，形成對特定化學(xué)問題系統(tǒng)分析的思維過程。學(xué)生面對大量元素化合物事實(shí)性知識的時(shí)候，不應(yīng)“散點(diǎn)”式地記憶，而應(yīng)該基于特定認(rèn)識模型，將大量事實(shí)性知識轉(zhuǎn)化為對某認(rèn)識對象的認(rèn)識系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括重要的事實(shí)性知識、對該認(rèn)識對象可能的認(rèn)識角度和認(rèn)識思路。

三、基于“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”的元素化合物教學(xué)實(shí)例

在課堂教學(xué)中，教師要不斷引導(dǎo)學(xué)生收集證據(jù)進(jìn)行邏輯推理，形成并發(fā)展對元素化合物知識的認(rèn)識模型，從而形成系統(tǒng)分析問題的方法。具體從以下幾方面入手。

1. 建構(gòu)類別、價(jià)態(tài)角度的認(rèn)識模型

蘇教版《鈉的性質(zhì)和應(yīng)用》，是高中學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)中第一次系統(tǒng)學(xué)習(xí)活潑金屬元素。通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)能從活潑性順序、原子結(jié)構(gòu)、類別、價(jià)態(tài)等角度預(yù)測和解釋鈉的化學(xué)性質(zhì)，也能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，教學(xué)可以從類別、價(jià)態(tài)角度，促進(jìn)學(xué)生構(gòu)建認(rèn)識金屬元素性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的認(rèn)識模型。

以下是“鈉的性質(zhì)”教學(xué)片段。

導(dǎo)入：以“曾青得鐵，則化為銅”，從鐵與硫酸銅溶液這個學(xué)生熟悉的反應(yīng)導(dǎo)入。預(yù)測Na和CuSO4溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

素養(yǎng)發(fā)展：利用金屬在溶液中的相互置換，類比推理，合理預(yù)測。

實(shí)驗(yàn)探究一：（演示實(shí)驗(yàn)）Na和CuSO4溶液。觀察、討論實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，判斷產(chǎn)物和發(fā)生的反應(yīng)。

素養(yǎng)發(fā)展：利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生認(rèn)知形成強(qiáng)烈沖突，通過現(xiàn)象分析推理可能反應(yīng)，發(fā)展證據(jù)意識;根據(jù)實(shí)驗(yàn)證據(jù)對物質(zhì)變化提出可能假設(shè)，通過分析推理加以證實(shí)。

實(shí)驗(yàn)探究二：（學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)）Na+H2O。學(xué)生親自切取鈉塊，觀察、討論、歸納鈉的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

素養(yǎng)發(fā)展：預(yù)測Na和H2O反應(yīng)產(chǎn)物——說出理論依據(jù)——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案驗(yàn)證，樹立電子守恒觀念。

實(shí)驗(yàn)探究三：若要用Na置換出CuSO4中的銅單質(zhì)，需要如何控制實(shí)驗(yàn)條件？看實(shí)驗(yàn)視頻。

歸納小結(jié)：鈉參與以上反應(yīng)的反應(yīng)類型？顯示出鈉的什么性質(zhì)？怎樣解釋？能從微觀角度解釋物質(zhì)性質(zhì)，形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念。能從宏微結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問題。

本節(jié)課從氧化還原反應(yīng)角度（價(jià)態(tài)）、類別角度構(gòu)建鈉的性質(zhì)和轉(zhuǎn)化，從原子結(jié)構(gòu)微觀角度解釋鈉的性質(zhì)。通過歸納，學(xué)生得出鈉的還原性強(qiáng)。只有樹立了鈉具有強(qiáng)還原性的牢固認(rèn)識，學(xué)生在遇到以下問題時(shí)，才不會受干擾信息影響：“單質(zhì)（Na）在高溫隔絕空氣的條件下與不溶物紅棕色粉末（Fe2O3）反應(yīng)生成化合物丙和另一種單質(zhì)。化合物丙與空氣接觸可轉(zhuǎn)化為可溶性鹽?！苯獯鸫祟}的關(guān)鍵有兩點(diǎn)：一是辨識該反應(yīng)是金屬的相互置換反應(yīng)（書本認(rèn)識模型是鋁熱反應(yīng)），二是判斷反應(yīng)產(chǎn)物是Na2O和Fe，并非Na2O2和Fe。若產(chǎn)物判斷為Na2O2和Fe，不符合氧化還原反應(yīng)基本原理。

2. 建構(gòu)周期律、價(jià)鍵結(jié)構(gòu)角度的認(rèn)識模型

《化學(xué)1》關(guān)注從類別、價(jià)態(tài)角度認(rèn)識物質(zhì)，但是缺乏對物質(zhì)性質(zhì)規(guī)律性研究，同類物質(zhì)遵循怎樣的遞變規(guī)律，如何由已學(xué)物質(zhì)預(yù)測未知物質(zhì)的性質(zhì)？導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)產(chǎn)生遞變規(guī)律的原因是什么？要求我們在教學(xué)中，充分發(fā)揮元素周期律、價(jià)鍵理論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)對元素化合物學(xué)習(xí)的解釋、指導(dǎo)作用。

以下是“探究第三周期元素性質(zhì)遞變規(guī)律”的教學(xué)片段。

學(xué)生活動一：結(jié)合之前所學(xué)金屬性強(qiáng)弱的判斷方法，盡可能多地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案探究同周期元素鈉、鎂、鋁金屬性強(qiáng)弱順序。

學(xué)生小組討論后找到了證據(jù)①金屬單質(zhì)之間的置換反應(yīng)來確定活潑性（比如Fe置換Cu）;證據(jù)②金屬單質(zhì)在空氣中燃燒的劇烈程度來確定強(qiáng)弱;證據(jù)③金屬單質(zhì)與水或等濃度稀鹽酸反應(yīng)的劇烈程度來確定（如Na、Mg、Al分別和水反應(yīng)）;證據(jù)④組裝成原電池裝置。根據(jù)“信息提示”，學(xué)生還找到證據(jù)⑤堿性強(qiáng)弱：氫氧化鈉>氫氧化鎂>氫氧化鋁。

師生總結(jié)：比較金屬性強(qiáng)弱的方法。

學(xué)生活動二：復(fù)習(xí)回顧氯溴碘元素非金屬性強(qiáng)弱的判斷方法，根據(jù)教材P6表格所提供的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，總結(jié)同周期元素硅、磷、硫、氯的非金屬性強(qiáng)弱順序。

學(xué)生小組討論后找到了實(shí)驗(yàn)證據(jù)：與氫氣化合的難易程度、氣態(tài)氫化物的穩(wěn)定性、最高價(jià)含氧酸的酸性、非金屬單質(zhì)之間的相互置換、單質(zhì)與變價(jià)金屬化合時(shí)的產(chǎn)物不同。

師生總結(jié)：第三周期元素金屬性、非金屬性強(qiáng)弱規(guī)律。試從原子結(jié)構(gòu)的角度加以解釋。

本環(huán)節(jié)把學(xué)生從過去被動接受轉(zhuǎn)化為主動探索的過程，并通過資料分析、概括總結(jié)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、觀察辨析來推理、判斷，建立嚴(yán)密的理性思維模式。

當(dāng)我們有了以上反應(yīng)機(jī)理模型，我們就能更有序地破解多機(jī)理的反應(yīng)關(guān)系。抽象的機(jī)理具體化，解決問題更有針對性。

四、反思與結(jié)論

在元素化合物教學(xué)中，要充分展現(xiàn)“證據(jù)推理”的思維過程，指導(dǎo)學(xué)生從類別、價(jià)態(tài)角度，從元素周期律、價(jià)鍵結(jié)構(gòu)角度，從化學(xué)平衡移動角度建構(gòu)“認(rèn)識模型”，從而形成多角度認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的認(rèn)識系統(tǒng)，這是一個認(rèn)識螺旋上升的過程。

培育化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)更注重反映學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，特別是在其認(rèn)識活動中發(fā)展起來的認(rèn)識角度和認(rèn)識方式，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生脫離書本后面對陌生情境運(yùn)用化學(xué)知識和化學(xué)思維解決問題的能力。這就要求我們一線教師用智慧從“證據(jù)推理”出發(fā)，構(gòu)建“模型認(rèn)知”的教學(xué)結(jié)構(gòu)，注重從證據(jù)推理到模型認(rèn)知的引導(dǎo)，完整體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的價(jià)值魅力。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 王磊.基于學(xué)生核心素養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科能力研究[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

（作者單位：浙江省杭州市余杭高級中學(xué) ? 311100）