元素化合物結(jié)構(gòu)化認(rèn)知模型的構(gòu)建與實踐

【摘 要】文章闡述如何構(gòu)建元素化合物脈絡(luò)下結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識，通過構(gòu)建元素化合物的認(rèn)知模型，以不同的主題展開復(fù)習(xí)，從多個視角復(fù)習(xí)元素化合物知識，建立元素化合物知識與化學(xué)原理知識之間的聯(lián)系，提高學(xué)生解決以核心素養(yǎng)立意的高考試題的能力。

【關(guān)鍵詞】認(rèn)知模型;主題式教學(xué);結(jié)構(gòu)化

【作者簡介】黃劍鋒，正高級教師，特級教師，全國優(yōu)秀教師，廣西教學(xué)名師，南寧市教壇明星。

【基金項目】廣西教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2017年度A類重點課題“基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學(xué)教學(xué)單元設(shè)計的研究”（2017A003）

在傳統(tǒng)的高三復(fù)習(xí)備考中，很多教師往往只注重知識的歸納整理和題型的訓(xùn)練，學(xué)生的認(rèn)知僅停留在對知識點的梳理和羅列上，學(xué)生解題能力的提升依賴重復(fù)而機械的題海訓(xùn)練。這些做法雖然能提高學(xué)生解題的熟練程度，但基于知識記憶的淺層復(fù)習(xí)會造成知識的碎片化、理解的膚淺化、思維的呆板化。學(xué)生面對基于核心素養(yǎng)立意的高考試題就會困難重重，解答起來力不從心。在高考備考中，筆者探索元素化合物單元復(fù)習(xí)法的復(fù)習(xí)模式，構(gòu)建元素化合物脈絡(luò)下結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識體系，以任務(wù)驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，有效提高復(fù)習(xí)效率，落實學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。本文以“鈉及其化合物”單元復(fù)習(xí)為例，談?wù)劰P者的一些實踐研究。

一、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階原理，構(gòu)建認(rèn)知模型

化學(xué)是在原子、分子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)[1]。化學(xué)研究的對象為物質(zhì)，化學(xué)知識是人類在認(rèn)識物質(zhì)的漫長歷史中產(chǎn)生的。近幾年的高考化學(xué)試題一般都是以元素化合物為知識背景，圍繞元素化合物的核心概念及基礎(chǔ)知識設(shè)問。筆者結(jié)合教學(xué)實踐，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階原理，構(gòu)建元素化合物的認(rèn)知模型（如圖1）。

該認(rèn)知模型的建構(gòu)基于化學(xué)認(rèn)識的視角和化學(xué)認(rèn)識的思路?；瘜W(xué)認(rèn)識視角回答的是“從哪里想”的問題，能讓學(xué)生知道元素化合物知識復(fù)習(xí)的思路和順序;化學(xué)認(rèn)識思路解決“怎么想”的問題，該模型能引導(dǎo)學(xué)生“如何想”“想什么”，形成元素化合物知識復(fù)習(xí)的一般程序[2]。教師要結(jié)合高考真題，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析和解決問題，真正達(dá)到知能同步，幫助學(xué)生在知識掌握中形成能力，在能力培養(yǎng)中掌握知識的效果，從而有效提高復(fù)習(xí)效率。

二、基于認(rèn)知模型，開展主題式教學(xué)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗版）》和《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》均以知識主題組織教學(xué)內(nèi)容。所謂主題就是指能夠統(tǒng)攝一類化學(xué)知識的核心概念或化學(xué)學(xué)科思想與觀念。在建構(gòu)元素化合物認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，教師可以通過主題式教學(xué)構(gòu)建結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識。

主題一：物質(zhì)的分類與性質(zhì)

物質(zhì)的分類與性質(zhì)主題是基于學(xué)生化學(xué)分類觀的培養(yǎng)，即通過對本單元常見元素及其化合物進(jìn)行分類，歸納其性質(zhì)，構(gòu)建物質(zhì)類別與性質(zhì)對應(yīng)的思維模型，并能夠以此判斷陌生物質(zhì)的性質(zhì)，形成應(yīng)用分類思路解決化學(xué)問題的能力，建立化學(xué)分類觀。

（一）以物質(zhì)分類觀構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)

教師首先引導(dǎo)學(xué)生運用分類思想建構(gòu)知識，建構(gòu)鈉及其化合物的認(rèn)識框架。按金屬單質(zhì)—氧化物—堿—鹽的順序，歸納整理常見的鈉及其化合物：Na、Na2O、Na2O2、NaOH、NaCl、Na2CO3、NaHCO3，以思維導(dǎo)圖的形式制作鈉及其化合物為主題的知識網(wǎng)絡(luò)（如圖2）。在構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)過程中，復(fù)習(xí)各類物質(zhì)的通性、典型代表物的性質(zhì)，讓學(xué)生形成物質(zhì)類別與物質(zhì)性質(zhì)的對應(yīng)關(guān)系，從而具備根據(jù)物質(zhì)類別推斷物質(zhì)性質(zhì)的能力。

（二）以氧化還原觀構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)

鈉、過氧化鈉是典型的代表物，其中鈉具有強還原性，過氧化鈉既有氧化性又有還原性。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生從氧化還原反應(yīng)的視角認(rèn)識反應(yīng)的實質(zhì)，形成基于化合價升降的氧化還原反應(yīng)思維，構(gòu)建鈉及其化合物的價類二維圖（如圖3），從化合價升降視角實現(xiàn)鈉及其化合物的相互轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)學(xué)科的深度學(xué)習(xí)，為學(xué)生單元復(fù)習(xí)起到指導(dǎo)作用。

（三）以陌生物質(zhì)性質(zhì)預(yù)測模型建構(gòu)

通過以上基于分類觀和氧化還原反應(yīng)觀構(gòu)建鈉及其化合物的知識網(wǎng)絡(luò)，筆者有意識地讓學(xué)生判斷陌生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。例如判斷NaH的化學(xué)性質(zhì)。在問題解決過程中，學(xué)生體會判斷陌生物質(zhì)性質(zhì)的方法，進(jìn)而構(gòu)建預(yù)測陌生物質(zhì)性質(zhì)的思維模型（如圖4）。

主題二：物質(zhì)的實驗探究

化學(xué)是一門以實驗為研究手段的學(xué)科，很多基本理論來自對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和對數(shù)據(jù)的整理、歸納?？v觀近五年的高考試題發(fā)現(xiàn)，實驗題在高考試題中的權(quán)重很大，因此，提高學(xué)生解決實驗問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)實驗觀很重要。化學(xué)實驗觀的培養(yǎng)不是通過單純的具體知識的學(xué)習(xí)能實現(xiàn)的，而是以具體知識作為載體和工具，讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，通過主動探究、主動發(fā)現(xiàn)等方式，提高解決實驗問題的能力。

鈉及其化合物有著豐富的實驗素材，例如金屬鈉的燃燒實驗，金屬鈉與水、鹽溶液的反應(yīng);過氧化鈉的性質(zhì)實驗;碳酸鈉和碳酸氫鈉的性質(zhì)實驗;碳酸鈉和碳酸氫鈉相互轉(zhuǎn)化實驗;焰色反應(yīng)實驗;酸堿中和滴定實驗等，通過這些素材可以復(fù)習(xí)化學(xué)實驗基本常識及基本操作。教師還可以將其進(jìn)一步拓展為探究實驗，例如探究Na與CuSO4溶液反應(yīng);探究Na2O2與H2O的反應(yīng)機理;探究Na2O2與CO2的反應(yīng)機理;探究Na2CO3和NaHCO3的鑒別方法;等等。探究實驗讓學(xué)生學(xué)會提出問題、提出假設(shè)、設(shè)計實驗、實驗驗證和得出結(jié)論，從而提高學(xué)生科學(xué)探究能力，發(fā)展科學(xué)探究與創(chuàng)新意識素養(yǎng)。

主題三：物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的，基于宏觀辨識與微觀探析的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，要求學(xué)生能運用微粒結(jié)構(gòu)圖式描述物質(zhì)及其變化的過程，能從物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)說明同類物質(zhì)的共性和不同類物質(zhì)差異及其原因，解釋同類的不同物質(zhì)性質(zhì)變化的規(guī)律。

以鈉為代表元素的堿金屬是典型的金屬元素，其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)具有典型的變化規(guī)律，是發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與認(rèn)知模型素養(yǎng)的良好素材。原子結(jié)構(gòu)、元素周期表結(jié)構(gòu)、元素周期律、化學(xué)鍵、電子式、原子結(jié)構(gòu)示意圖、以物質(zhì)的量為中心的計算等是學(xué)生已有的認(rèn)知，讓學(xué)生用已有的知識解決問題是高考復(fù)習(xí)的有效策略。筆者以Na、Na2O、Na2O2、NaOH、NaCl、Na2CO3、NaHCO3等具體物質(zhì)，布置以下學(xué)習(xí)任務(wù)：①說出鈉元素在周期表中的位置，并指出鈉為何如此活潑。②怎樣利用元素周期律比較金屬元素的金屬性強弱？③判斷Na、Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3中的化學(xué)鍵。④寫出Na、Na2O、Na2O2、NaOH的電子式。⑤分別判斷1molNa2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3中陰、陽離子數(shù)目。通過以上任務(wù)，學(xué)生能從原子、分子水平上認(rèn)識物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，形成結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的觀念，構(gòu)建以結(jié)構(gòu)為中心的認(rèn)知模型（如圖5）。

主題四：物質(zhì)的反應(yīng)原理

化學(xué)是變化之學(xué)，化學(xué)變化都有其相應(yīng)的原理，常見的反應(yīng)原理有化學(xué)反應(yīng)與能量，化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率，水溶液中的離子反應(yīng)與平衡。高考化學(xué)原理題對學(xué)生而言是難題，化學(xué)原理知識對學(xué)生來說也比較枯燥、難懂，許多教師還只是停留在從知識立意角度進(jìn)行教學(xué)，只注重學(xué)生知識量的積累和做題熟練程度的提高，而忽視了學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和思維能力的提高。

高考化學(xué)原理題考查學(xué)生的變化觀念與平衡思想的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，是對化學(xué)變化的條件、方向、限度和變化規(guī)律以及相互關(guān)系的基本認(rèn)識。筆者將化學(xué)反應(yīng)原理與元素化合物知識融合在真實的情境中，以社會、生活、科學(xué)、技術(shù)、環(huán)境和最新科技成果等作為知識載體，置知識復(fù)習(xí)于實際的問題解決中，以幫助學(xué)生創(chuàng)造性地解決問題，通過問題解決達(dá)到復(fù)習(xí)知識的目的。在“鈉及其化合物”的單元中，筆者通過以下例子，結(jié)合化學(xué)反應(yīng)原理知識進(jìn)行復(fù)習(xí)。

（一）鈉的化合物在生活中的使用原理

生活中常見的鈉的化合物有氯化鈉（食鹽）、碳酸鈉（蘇打）、碳酸氫鈉（小蘇打）。為了讓學(xué)生更好地了解鈉的化合物在生活中的使用原理，筆者設(shè)計了以下問題鏈：我們?nèi)绾螐暮Ｋ械玫骄}？碳酸鈉俗稱純堿，其水溶液為什么能洗滌油污？為什么加熱碳酸鈉水溶液洗滌效果會更好？你知道泡沫滅火器的原理嗎？等等。這些生產(chǎn)、生活中的問題，涉及化學(xué)工藝流程、鹽類水解反應(yīng)、離子反應(yīng)、弱電解質(zhì)電離和水解程度大小比較等知識，將知識融合在真實問題情境中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生運用知識解決問題。因此，教師引導(dǎo)學(xué)生通過對以上問題的思考、交流和討論，以所學(xué)習(xí)的基本化學(xué)知識解決與化學(xué)有關(guān)的真實問題，學(xué)生既復(fù)習(xí)了知識，又提高了分析問題和解決問題的能力。

（二）常用鋰電池的電化學(xué)原理

鋰電池是人們現(xiàn)代生活中不可或缺的用品，很多學(xué)生對鋰電池都不陌生，但是對鋰電池的原理卻一無所知。教師引導(dǎo)學(xué)生通過對高考真題中鋰電池模型的分析討論，對鋰電池的結(jié)構(gòu)、電極判斷、電極反應(yīng)式書寫、粒子運動方向等基礎(chǔ)知識進(jìn)行講解，讓學(xué)生了解當(dāng)前以新科技、新產(chǎn)品為素材的電化學(xué)問題，落實學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的核心素養(yǎng)。

（三）從定量角度分析過氧化鈉的反應(yīng)

鈉及其化合物能發(fā)生多種類型的化學(xué)反應(yīng)，教師不能只注重對學(xué)生知識的記憶復(fù)習(xí)，還要引導(dǎo)學(xué)生從不同的視角認(rèn)識化學(xué)變化的多樣性，運用對立統(tǒng)一的思想和定性定量結(jié)合的方式揭示化學(xué)變化的本質(zhì)特征。通過運用化學(xué)反應(yīng)原理知識進(jìn)行分析，學(xué)生既能鞏固知識，又能體會到理論知識在分析和解決化學(xué)問題中的應(yīng)用。例如，過氧化鈉參與的反應(yīng)中蘊含著豐富的內(nèi)涵，教師可從不同的視角發(fā)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移的規(guī)律、體積變化的規(guī)律、質(zhì)量變化的規(guī)律等，發(fā)展學(xué)生宏觀辨識與微觀探析，以及證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng)。

主題五：物質(zhì)的工藝流程

化學(xué)是人類認(rèn)識物質(zhì)、創(chuàng)造物質(zhì)的一門學(xué)科，元素化合物知識是人類創(chuàng)造物質(zhì)的基礎(chǔ)知識。物質(zhì)的工藝流程主題教學(xué)的目的是讓學(xué)生了解元素化合物知識的應(yīng)用，讓學(xué)生具有理論聯(lián)系實際的觀念，將化學(xué)成果應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的意識，能依據(jù)實際條件并運用所學(xué)的化學(xué)知識和方法解決生產(chǎn)生活中簡單的化學(xué)問題。筆者以“鈉及其化合物”在工業(yè)上的應(yīng)用為例進(jìn)行說明。

侯德榜制堿法是“鈉及其化合物”在工業(yè)上的典型應(yīng)用，根據(jù)侯德榜制堿法工藝流程（如圖6），筆者設(shè)計了以下問題。

（1）從流程圖可以看出侯氏制堿法是先向飽和食鹽水中通入NH3，然后再通入CO2，從元素守恒角度分析，NaCl→……→Na2CO3，能否直接向飽和食鹽水中通入足量的CO2得到Na2CO3？

（2）NH3在水中溶解度有多大？NH3與CO2反應(yīng)是生成（NH4）2CO3還是NH4HCO3？已知25℃時H2CO3、HCO3-、NH3·H2O的電離常數(shù)分別為4.4×10-7、4.7×10-11、1.8×10-5。

（3）氨的食鹽水吸收了CO2后溶液中有哪些離子？沉淀池中析出的晶體是NaHCO3、NH4Cl、NaCl還是NH4HCO3？已知20℃時幾種物質(zhì)的溶解度如下。

（4）工業(yè)制堿，是由自然界易得到的原料開始，經(jīng)過一系列反應(yīng)連續(xù)生產(chǎn)的，包括哪些反應(yīng)？哪些物質(zhì)可以循環(huán)使用？

（5）NaHCO3是氨堿法和聯(lián)合制堿法制純堿的中間產(chǎn)物，在濾出小蘇打后，母液提取氯化銨有兩種方法：①通入氨，冷卻、加食鹽，過濾;②不通入氨，冷卻、加食鹽，過濾。對兩種方法的評價正確的是（選填字母）。

A.①析出的氯化銨純度更高

B.②析出的氯化銨純度更高

C.①的濾液可直接循環(huán)使用

D.②的濾液可直接循環(huán)使用

（6）侯氏制堿法的優(yōu)點是什么？

高考工藝流程題以元素化合物為基本素材，以物質(zhì)轉(zhuǎn)化中涉及的氧化還原反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)、水解反應(yīng)的應(yīng)用為考查重點，以流程中涉及沉淀溶解平衡分析及計算、電解池原理的應(yīng)用為難點，以常見物質(zhì)的分離方法及實驗操作為探究手段，綜合考査學(xué)生解決化學(xué)問題的能力。

以“元素化合物”為核心的結(jié)構(gòu)化化學(xué)認(rèn)知模型基于學(xué)習(xí)進(jìn)階原理，循序漸進(jìn)地開展各主題復(fù)習(xí)，并通過化學(xué)觀念的形成，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。這樣的復(fù)習(xí)模式既能幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化的化學(xué)認(rèn)識思路和穩(wěn)定的認(rèn)識模型，又發(fā)展學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)，逐步提高解決基于素養(yǎng)立意高考試題的能力，有效提高復(fù)習(xí)效率。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：陸順演）