“價類二維”視域下元素化合物知識的深度學(xué)習(xí)

黃華文 張賢金 吳新建

摘 ? 要?“價類二維”是認(rèn)識和學(xué)習(xí)高中化學(xué)元素化合物知識的重要方式。基于“價類二維”認(rèn)識元素化合物的教學(xué)，可依托單元教學(xué)思想統(tǒng)籌課時，從“類維”“價維”“原理維”三個角度逐層分析物質(zhì)性質(zhì)、解釋物質(zhì)間的反應(yīng)，結(jié)合實(shí)際問題選擇合適主題展開教學(xué)，同時融合反應(yīng)原理從反應(yīng)本質(zhì)認(rèn)識物質(zhì)間的反應(yīng)，讓學(xué)生經(jīng)歷“價類二維”“構(gòu)性二維”“量性關(guān)聯(lián)”三個認(rèn)知階段，促進(jìn)學(xué)生形成“價類二維”認(rèn)知模型。

關(guān)鍵詞?價類二維 ?元素化合物 ?深度學(xué)習(xí) ?認(rèn)知模型

元素化合物知識是高中化學(xué)課程的重要組成部分，是學(xué)習(xí)其他知識的基礎(chǔ)，是學(xué)生獲得感性認(rèn)識的重要素材，是原理遷移應(yīng)用的對象，是為后續(xù)學(xué)習(xí)和研究未知物質(zhì)提供依據(jù)的參照對象[1]。高中化學(xué)課程中元素化合物知識主要集中在《必修1》，通過一定的邏輯關(guān)系將眾多繁雜的元素化合物置身于價類二維的關(guān)系網(wǎng)中，抽離出物質(zhì)之間變化的本質(zhì)，從學(xué)生發(fā)展的深遠(yuǎn)價值挖掘元素化合物模塊的教學(xué)價值，建構(gòu)認(rèn)識元素化合物的認(rèn)知模型和學(xué)習(xí)方法，在學(xué)生遺忘具體知識之后，能通過模型重新學(xué)習(xí)模塊知識，擁有終身學(xué)習(xí)能力。

一、三個維度建構(gòu)“價類二維”認(rèn)知模型

基于“價類二維”視角認(rèn)識元素化合物，其認(rèn)知角度主要有“類維”“價維”“原理維”三個維度?！邦惥S”指面對物質(zhì)或反應(yīng)時，先從物質(zhì)組成—元素種類、物質(zhì)類別、元素化合價、元素所處周期表位置、物質(zhì)反應(yīng)類別等多角度對其分類，再結(jié)合各類物質(zhì)通性聯(lián)想物質(zhì)的性質(zhì)，或結(jié)合元素周期律中同族元素相似性和遞變性進(jìn)行遷移，推測物質(zhì)性質(zhì)?！皟r維”指從氧化還原反應(yīng)的表觀特征—元素化合價角度，依據(jù)氧化還原反應(yīng)規(guī)律分析判斷物質(zhì)的氧化性或還原性，推測物質(zhì)間能否發(fā)生反應(yīng)，選擇制備物質(zhì)所需的試劑?！霸砭S”指從能量和平衡角度分析物質(zhì)間變化的方向及程度，多種反應(yīng)共存時由平衡常數(shù)與濃度商評估反應(yīng)的競爭結(jié)果，學(xué)會控制和改變反應(yīng)體系的條件，讓反應(yīng)朝著人類需要的方向進(jìn)行，讓反應(yīng)為人所用。

“類維”“價維”“原理維”三個維度均要先對對象進(jìn)行身份認(rèn)定，接著依據(jù)認(rèn)定的身份猜測、分析物質(zhì)，之后做出結(jié)論，或?qū)ο蟮谋碛^特征與類別對號入座。這三個維度存在包含關(guān)系，“類維”是大維度，統(tǒng)攝“價維”和“原理維”多種分類視角，“價維”是一條明線，“原理維”是一條暗線，只有抓住“類維”學(xué)會分類，把握明線，融合暗線，才能更全面地認(rèn)識物質(zhì)，更本質(zhì)地認(rèn)識物質(zhì)間反應(yīng)，建構(gòu)“價類二維”的思維模型，從而運(yùn)用認(rèn)知模型科學(xué)地探究物質(zhì)[2]。

二、三個階段進(jìn)階發(fā)展“價類二維”認(rèn)知

魯科版高中教材呈現(xiàn)“類維”“價維”“原理維”三個維度的順序見圖1。借助三維認(rèn)識元素化合物的過程，是從感性到理性，從宏觀到微觀，從物質(zhì)類別的小類到周期律的大類，從物質(zhì)及反應(yīng)的直觀感知到抽象的原理及規(guī)律認(rèn)知，從給予概念到模型建構(gòu)的逐級搭建的過程。搭建過程是學(xué)生思維升華、觀念內(nèi)化的一個逐漸提升過程，須經(jīng)歷三個階段。下面以魯科版高中化學(xué)教材《必修1》《必修2》和《化學(xué)反應(yīng)原理》為例進(jìn)行分析。

第一階段：形成“價類二維”的觀念

《必修1》教材主要是對物質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類認(rèn)識，逐步形成“價類二維”觀念。首先，教材依托學(xué)生在初中已掌握的個別典型物質(zhì)的特征，引導(dǎo)學(xué)生從研究的需要或有利于研究這兩個方向找到物質(zhì)分類的依據(jù)，并對一些核心概念進(jìn)行定義，同時歸納出類別物質(zhì)的通性，實(shí)現(xiàn)個別到一般的概括過程，為后面的學(xué)習(xí)提供“類維”認(rèn)知模型的基礎(chǔ)。其次，從離子反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)本質(zhì)對反應(yīng)進(jìn)行分類，初步形成從微觀視角觀察物質(zhì)間反應(yīng)，同時學(xué)會從“價維”角度認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)。最后，以“價維”和“類維”兩個維度為基準(zhǔn)，認(rèn)識C、N、S、Fe、Al、Si為中心的元素的單質(zhì)及其化合物，通過實(shí)踐逐步將這二維相融合，形成“價類二維”的認(rèn)知模型。

第二階段：形成“構(gòu)性二維”的觀念

《必修2》教材主要是對物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類，逐步形成“構(gòu)性二維”觀念。在學(xué)生已具備一定量物質(zhì)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，教材帶領(lǐng)學(xué)生剖開物質(zhì)，從微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識物質(zhì)，分析元素原子的結(jié)構(gòu)特征對元素進(jìn)行分類，逐步繪出一張簡易的元素周期表，運(yùn)用元素周期律解釋和預(yù)測粒子間的相互作用力和物質(zhì)性質(zhì)，將微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)聯(lián)系起來，建構(gòu)從粒子結(jié)構(gòu)、元素周期律兩個視角認(rèn)識物質(zhì)，養(yǎng)成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)影響用途”的“構(gòu)性二維”觀念，將學(xué)生的物質(zhì)世界從局限的單一元素遷移拓展到同主族元素。

第三階段：形成“量性二維”的觀念

選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》教材主要對化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分類，逐步形成“量性二維”的觀念。在學(xué)生已獲取物質(zhì)間大量反應(yīng)的事實(shí)性知識后，教材站在能量和平衡的理論高度分析物質(zhì)間反應(yīng)，從單一反應(yīng)進(jìn)入多種微粒多種反應(yīng)競爭的復(fù)雜體系，由反應(yīng)規(guī)律定性判斷轉(zhuǎn)入借助數(shù)據(jù)定量分析判斷，形成數(shù)據(jù)定量與宏觀定性相結(jié)合的思維模型，為學(xué)生認(rèn)識復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界打開另一扇門。

三、基于“價類二維”的元素化合物課堂教學(xué)

“價類二維”模型為學(xué)生整理元素化合物知識提供支撐依據(jù)，并為學(xué)生提供模型認(rèn)識物質(zhì)世界的方法，解決元素化合物知識繁多難學(xué)的境遇。下面以魯科版高中化學(xué)《必修1》第三章第三節(jié)“硫的轉(zhuǎn)化”為例介紹在教學(xué)中如何將“價類二維”融入元素化合物的學(xué)習(xí)。

1.認(rèn)識各類元素化合物的教學(xué)功能

高中課程中元素化合物知識牽涉的中心元素主要有Cl、Fe、S等9種，這些元素出現(xiàn)在教材的位置不同，認(rèn)識這些元素側(cè)重角度不同，對形成“價類二維”認(rèn)識模型的貢獻(xiàn)也有差別[3]。只有清晰地知道教材中每一種元素的身份，明確其在構(gòu)建“價類二維”模型中發(fā)揮的作用，才能有效幫助學(xué)生建構(gòu)模型。

教材首先建構(gòu)“類維”“價維”單一概念模型。在研究物質(zhì)的基本模型中，以Na與Cl2為載體，認(rèn)識典型活潑金屬和非金屬一類物質(zhì)的性質(zhì)，依托學(xué)生已儲備的物質(zhì)基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)“類維”中物質(zhì)分類的依據(jù)及各類物質(zhì)通性，拓展學(xué)生“類維”認(rèn)知角度;依托鐵及其化合物性質(zhì)的認(rèn)識過程，嘗試運(yùn)用“價維”中氧化還原反應(yīng)和簡單離子間復(fù)分解反應(yīng)規(guī)律分析物質(zhì)間的反應(yīng)，形成“價維”主線。接著，為了聯(lián)系二維并構(gòu)建二維框架。教材安排C、N、S等元素的學(xué)習(xí)，在框架中填充物質(zhì)，遞進(jìn)式推進(jìn)二維框架建構(gòu)。教材在“碳的多樣性”中基于學(xué)生初中熟悉的含碳物質(zhì)，從物質(zhì)多樣性進(jìn)一步突出“類維”認(rèn)知;在“氮的循環(huán)”中側(cè)重從“價維”角度認(rèn)識氮元素多樣性，同時結(jié)合“類維”學(xué)習(xí)硝酸的性質(zhì)，彌補(bǔ)“類維”中缺少典型氧化性酸類別的不足，為學(xué)習(xí)濃硫酸作鋪墊，首次聯(lián)合兩個維度，讓“價類二維”認(rèn)知模型處于萌芽狀態(tài)，為“硫的轉(zhuǎn)化”中探究各價態(tài)硫元素之間轉(zhuǎn)化提供思路，促成“價類二維”認(rèn)知模型基本框架的形成，為以后研究物質(zhì)提供分析模型。

2.用單元教學(xué)思想組織教學(xué)課時

“價類二維”的思維習(xí)慣和元素觀不是一兩次的教學(xué)就能形成，需有意識培養(yǎng)，最終達(dá)到無意識的思維習(xí)慣狀態(tài)。因而站在結(jié)構(gòu)化單元教學(xué)的高度，整體統(tǒng)籌安排一個模塊學(xué)習(xí)的課時尤為重要，將課堂教學(xué)總體目標(biāo)分解于各個課時目標(biāo)中，有計(jì)劃地制定每個階段和每個課時所需達(dá)成的目標(biāo)，才能有效地、逐步地、循序漸進(jìn)地促進(jìn)學(xué)生模型的形成，提升運(yùn)用模型的能力[4]。

在“硫的轉(zhuǎn)化”教學(xué)中，如何引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建“價類二維”圖是本節(jié)的難點(diǎn)，表1為本節(jié)課時安排。先從“類維”學(xué)習(xí)硫單質(zhì)，再從“價維”構(gòu)建硫的多種價態(tài)之間轉(zhuǎn)化，結(jié)合“酸雨防治”和“物質(zhì)制備”的實(shí)際問題，設(shè)計(jì)“實(shí)驗(yàn)室制備SO2”和“工業(yè)制備硫酸”的兩個主題，將含+4硫元素物質(zhì)歸為一類，從“類維”和“價維”視角得出制備SO2的多種方案，學(xué)會從化合價視角對物質(zhì)進(jìn)行分類，并構(gòu)建二維模型，最后運(yùn)用二維轉(zhuǎn)化圖解決工業(yè)制備硫酸的實(shí)際問題，以突破運(yùn)用上的難點(diǎn)。

3.融合原理，構(gòu)建“價類二維”觀念

物質(zhì)間轉(zhuǎn)化遵循一定的基本原理，將原理融入“價類二維”模型的構(gòu)建過程中，有利于學(xué)生學(xué)會研究物質(zhì)性質(zhì)基本的方法步驟和思維模型，形成運(yùn)用原理分析解決問題的意識。以“SO2制備”為主題構(gòu)建硫元素“價類二維”圖時，設(shè)計(jì)三個階段（見圖2）。第一階段從“類維”由CO2遷移學(xué)習(xí)SO2，運(yùn)用復(fù)分解反應(yīng)“強(qiáng)酸制弱酸”的反應(yīng)規(guī)律，解決實(shí)驗(yàn)室中SO2的制備原理、裝置的選擇、氣體檢驗(yàn)等問題。第二階段建立化合價樓。從“價維”角度選擇試劑，在發(fā)現(xiàn)同一價態(tài)有多種物質(zhì)時，提出“能否運(yùn)用適當(dāng)方式整理這些物質(zhì)，以便我們使用？”讓學(xué)生思考，經(jīng)學(xué)生討論、比較后，擬定最合理的方式是以單質(zhì)、氧化物、酸、堿、鹽分類作為橫坐標(biāo)，繪制出制備SO2的轉(zhuǎn)化線路。第三階段將理論與實(shí)際相聯(lián)系。抓住相關(guān)知識的社會熱點(diǎn)問題—酸雨的危害、產(chǎn)生根源、防治措施，讓學(xué)生在已建構(gòu)的轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)中找到酸雨的來源及變化，按切斷污染源的防治思路解決問題，在這過程中運(yùn)用原理建構(gòu)“價類二維”物質(zhì)轉(zhuǎn)化圖，并運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)圖分析解決實(shí)際問題，體驗(yàn)化學(xué)知識的社會價值，增進(jìn)學(xué)生的社會責(zé)任感。

4.主題整合，凸顯“價類二維”功能

元素“價類二維”的轉(zhuǎn)化圖建立在學(xué)生儲備一定基礎(chǔ)知識之上，但教學(xué)中如果只逐個零散的認(rèn)識物質(zhì)，未構(gòu)成有邏輯關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)，對學(xué)生形成“價類二維”的認(rèn)知模型不利。因此，在學(xué)生通過兩個維度認(rèn)識一定量的物質(zhì)之后，通過主題活動將零散物質(zhì)通過反應(yīng)原理和反應(yīng)規(guī)律串起來，幫助學(xué)生將碎片化的知識整體化，促進(jìn)思維結(jié)構(gòu)化;同時在運(yùn)用“價類二維”的認(rèn)知思維模式解決主題中的實(shí)際問題，凸顯“價類二維”的價值功能。

對于主題的選擇，首先要有“化學(xué)味”，即要緊扣教學(xué)內(nèi)容的核心知識，只有蘊(yùn)含核心知識的主題活動才有教學(xué)價值;其次要有“真實(shí)味”，即要貼近生活、生產(chǎn)，在生產(chǎn)、生活、科技發(fā)展過程中遇到的問題，才能使學(xué)生產(chǎn)生運(yùn)用化學(xué)方法解決問題的動力，才具有實(shí)際意義;最后要有“生成味”，即要在促進(jìn)學(xué)生能力、觀念等方面有所延伸，只有有生成的教學(xué)才具有生命力。如“硫的轉(zhuǎn)化”的核心化學(xué)知識是SO2和H2SO4的性質(zhì)，這兩種物質(zhì)與實(shí)際緊密聯(lián)系的話題是“酸雨防治和物質(zhì)制備問題”，因而設(shè)計(jì)“如何防治酸雨”和“硫酸制備”的主題活動，促進(jìn)“價類二維”的形成。

在教學(xué)中，準(zhǔn)確地把握三個階段是促進(jìn)學(xué)生形成“價類二維”的認(rèn)知模型的關(guān)鍵，合理安排教學(xué)內(nèi)容、統(tǒng)籌課時、精心設(shè)計(jì)課堂教學(xué)過程、選擇合適教學(xué)手段是教師需要不斷研究的內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)

[1] 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.

[2] 房喻.徐端鈞.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2018.

[3] 中華人民共和國教育部制定.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4] 王云生.課堂轉(zhuǎn)型與學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)[M].上海：上海教育出版社，2016.【責(zé)任編輯 ?郭振玲】