指向“變化觀念與平衡思想”的元素化合物復習策略研究

韋新平

摘要：?“變化觀念與平衡思想”為元素化合物復習提供了新的思維導向。通過對新課標的文本分析，提出指向“變化觀念與平衡思想”的問題解決策略：?拓寬對元素化合物性質的多重認識視角;建立“反應條件方向”三元式問題解決思維模型;在問題情境中形成“三段式”分析思路。并從創(chuàng)設問題鏈和結構化認識思路兩個方面探討了素養(yǎng)為本的教學策略。

關鍵詞：?變化觀念與平衡思想;?元素化合物;?素養(yǎng)為本教學;?教學策略

文章編號：?10056629（2021）07003905

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?“變化觀念與平衡思想”及其對復習的導向

“變化觀念與平衡思想”是化學學科核心素養(yǎng)的重要組成要素，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）指出：“認識物質是運動和變化的，知道化學變化需要一定的條件，并遵循一定的規(guī)律……認識化學變化有一定的限度、速率，是可以調控的。能多角度、動態(tài)地分析化學變化，運用化學反應原理解決簡單的實際問題。[1]”為了便于在教學和評價中具體實施，“新課標”將其劃分為4級水平。其中水平2強調“運用動態(tài)平衡的觀點看待和分析化學變化”;水平3強調“形成化學變化是有條件的觀念，認識反應條件對化學反應速率和化學平衡的影響”;水平4強調“能從不同視角認識化學變化的多樣性，能運用對立統(tǒng)一思想和定性定量結合的方式揭示化學變化的本質特征”[2]。

通過以上分析能夠發(fā)現(xiàn)，“變化觀念與平衡思想”中的“與”并非簡單相加，而是兩者的有機融合。其中，有兩個方面特別值得關注：?一是多角度分析化學變化，即建立化學反應的多維度認識視角;二是形成“條件控制”觀念，從平衡視角動態(tài)分析化學變化。這里的“條件”可理解為促進物質變化的一切影響因素。以上兩個方面相輔相成，前者側重于認識的廣度，后者側重于認識的深度。針對后者，如何形成化學變化的“條件控制”觀念？如何運用“動態(tài)平衡”的觀點分析化學變化？在實際問題解決過程中兩者如何結合？這是需要我們在教學實踐中努力探索的問題，也是能否有效落實“變化觀念與平衡思想”的關鍵。

化學研究的基本問題是物質及其變化，“變化觀念與平衡思想”則為化學物質的研究提供了很好的思維導向。在高三化學眾多的復習專題中，元素及其化合物（以下簡稱元素化合物）是高中化學知識體系的基礎，蘊含了豐富的物質及其變化規(guī)律，是化學基本概念、基礎理論與核心素養(yǎng)的知識生長點[3]。然而，元素化合物專題復習同樣存在著物質多樣、知識零散、性質孤立、易學難記等困擾。在復習階段，以“變化觀念與平衡思想”為導向，融合專題知識間的關聯(lián)，有助于幫助學生建立化學變化的多維認識視角，從“條件控制”與“動態(tài)平衡”的視角分析元素化合物的性質，能夠為問題解決打開新的思路，為知識建構提供新的框架，為思維與素養(yǎng)的提升注入新的活力。

2?指向“變化觀念與平衡思想”的元素化合物問題解決策略

2.1?從靜態(tài)到動態(tài)，拓寬對物質性質的多重認識視角

對于物質的性質往往存在多個認識視角?！敖Y構決定性質”“用途反映性質”“類別決定通性”以及“價態(tài)體現(xiàn)氧化性、還原性”等均為教師在教學中引導學生分析元素化合物性質的核心視角。其中，在復習中借助價類二維圖建立同一元素不同物質間的價態(tài)、類別二維關系，是梳理元素化合物性質及其轉化的重要途徑，成為一個研究熱點。然而，無論從結構、用途還是類別、價態(tài)，通常將其作為預測元素化合物性質的靜態(tài)分析視角。從反應原理層面變換視角，基于“條件控制”動態(tài)層面認識元素化合物的性質，能為問題解決提供新的思路。

問題情境1?（1）生活當中潔廁靈（含鹽酸）和84消毒液不能混合使用，原因是什么？（2）為什么Al（OH）3既能溶于酸又能溶于堿？（3）以上兩個問題認識元素化合物性質的角度是什么？能否嘗試從化學平衡變化的角度進行解釋。

對于問題（1），可以結合元素價態(tài)根據(jù)氯元素的歸中反應進行解釋;也可以從氯水平衡：?Cl2+H2OHCl+HClO動態(tài)變化的角度去認識：?溶液混合后，條件發(fā)生了改變，增大了c（HClO）和c（HCl），觸發(fā)平衡逆向移動，從而產生大量氯氣。對于問題（2），可根據(jù)物質類別通性作解釋：?氫氧化鋁是兩性氫氧化物，既能與酸反應，也能與堿反應生成鹽和水;也可以拓展到電離平衡動態(tài)變化的層面，即氫氧化鋁既能發(fā)生酸式電離，也能發(fā)生堿式電離，更能揭示問題的本質：?Al3++3OH-Al（OH）3H2O+AlO-2+H+，加酸降低c（OH-）觸發(fā)氫氧化鋁堿式電離，加堿降低c（H+）促進酸式電離。

問題情境2?向溶有SO2的BaCl2溶液中通入某氣體，產生白色沉淀。則氣體與白色沉淀的成分是什么？試描述反應的原理。

可以從SO2的價類二維視角進行解釋：?SO2是酸性氧化物，能夠跟堿性氣體NH3在水中生成亞硫酸銨，再與BaCl2生成白色沉淀BaSO3。?SO2又具有還原性，能被Cl2、O2等氧化性氣體在水中氧化成H2SO4，隨后生成BaSO4;該問題也可以通過構建SO2+H2O+BaCl2BaSO3+2HCl平衡路徑進行動態(tài)分析：?由于不能“以弱制強”，所以反應正向程度微乎其微，但是，通入氨氣中和HCl或加入氧化劑氧化BaSO3，能促使平衡正向移動產生白色沉淀BaSO3或BaSO4。

無論元素化合物的靜態(tài)還是動態(tài)認識視角，其內在都是對立統(tǒng)一的，從不同角度揭示了化學變化的本質。從元素化合物價類二維認識視角，拓展到化學變化的“條件控制”與“動態(tài)平衡”視角，既能夠拓寬學生的視野，從多個維度認識元素化合物的性質，也能活化學生的思維，融合元素化合物和反應原理等不同知識模塊間的聯(lián)系，增進對學科知識的深層次理解，從而提高復習的效率。

2.2?依托化學平衡整合物質性質，建立“三元式”問題解決思維模型

作為重要的符號表征方式，化學平衡方程式本身蘊含了豐富的元素化合物信息，能夠聯(lián)結宏觀反應現(xiàn)象與微觀反應原理，動態(tài)地表征出多樣的變化過程。依托化學平衡方程式，能夠以點帶線，將圍繞該元素化合物的多種性質串聯(lián)在一起。例如，可以結合CO2+H2OH2CO3H++HCO-3這一個平衡方程式，從條件和方向動態(tài)變化的角度認識CO2的不同性質（見表1）。

依托化學平衡整合元素化合物的性質，能夠將零散的知識集成在少數(shù)的幾個平衡方程式當中，使碎片化的知識系統(tǒng)化，不失為元素化合物復習的一種有效策略。同理，也可以將NH3的制備、噴泉實驗的原理、NH+4的檢驗等原理的解釋整合在化學平衡方程式NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-中，結合條件變化與平衡的走向，動態(tài)認識NH3的性質。

通過以上分析可以看出，化學反應（平衡方程式）、條件變化和變化方向是從反應原理層面解決元素化合物性質相關問題的三個重要“思維節(jié)點”，在問題解決的過程中相互關聯(lián)、互相轉化、三位一體形成思維模型（見圖1）。其中，反應是基礎，條件是手段，方向是結果。在具體問題情境中，找出化學物質的平衡關系，控制條件動態(tài)調節(jié)化學反應方向，構建思維路徑，能夠有效解決問題。

2.3?梳理問題關鍵要素，建立問題解決的“三段式”思維路徑

元素化合物作為高中化學知識體系的核心，在高考試題中占據(jù)著較大的內容比重。其中，無機工藝流程題是考查元素化合物內容的良好載體，能考查學生在真實的工業(yè)生產情境中，運用化學反應原理分析流程框圖、解決實際問題的能力。通過對近幾年高考全國卷的分析，凸顯“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的試題呈上升趨勢，且問題解決線索具有一定的隱蔽性，需要學生獲取信息，梳理“反應條件方向”三個關鍵要素，找出化學平衡，分析條件變化，判斷反應方向，從而構建問題解決路徑（見圖2）。

問題情境3?[2019全國Ⅰ卷，T26（3）]一種以硼鎂礦（含Mg2B2O5·H2O、?SiO2及少量Fe2O3、?Al2O3）為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如下：

在“過濾2”前，將溶液pH調節(jié)至3.5，目的是：?????。

可按以下思路分析解題路徑（見圖3）。

（1）?找出平衡：?H3BO3+H2OB（OH）-4+H+;

（2）?分析條件：?調節(jié)pH≈3.5，增大氫離子濃度;

（3）?判斷方向：?促進平衡逆向移動，生成硼酸。

圖3?硼酸分離問題解決“三段式”思維路徑

除以上問題外，還可針對其他生產環(huán)節(jié)補充設問，如用同種類型的問題強化訓練學生的思維能力：“溶浸”過程中適當升溫除了能加快反應速率還能達到什么目的？氣體“吸收”時適當加壓能起到什么作用？“沉鎂”時若溶液pH調得過高對產品帶來什么影響？

問題情境4?[2019全國Ⅲ卷，T26（5）]工業(yè)上可由天然二氧化錳粉與硫化錳礦（還含F(xiàn)e、?Al、?Mg、?Zn、?Ni、?Si等元素）制備高純硫酸錳，工藝流程如下：

已知“除雜2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。若溶液酸度過高，Mg2+沉淀不完全，原因是：?????。

可按以下思路分析解題路徑（見圖4）。

（1）?找出平衡：?MgF2（s）Mg2+（aq）+2F-（aq）;

（2）?分析條件：?酸度過高，F(xiàn)-與H+結合形成弱電解質HF，F(xiàn)-濃度降低;

（3）?判斷方向：?平衡正向移動，Mg2+沉淀不完全。

圖4?鎂離子沉淀問題解決“三段式”思維路徑

可針對其他環(huán)節(jié)補充的同類型問題：?加入氨水“調pH”時適當加熱的目的是什么？“沉錳”過程中適當提高溶液pH能提高MnCO3產率的原因是什么？硫酸酸溶MnCO3時溫度不能過高的原因可能是什么？

類似問題及解法在2020全國Ⅰ卷T26（6）、?2019全國Ⅱ卷T26（2）、?2017全國Ⅲ卷T27（3）、?2016全國Ⅲ卷T28（4）等試題中均有出現(xiàn)。“三段式”的分析思路是對“三元式”思維模型的具體應用，梳理“反應條件方向”三個關鍵要素，樹立“條件控制”思想，明確物質變化過程，有利于學生在陌生問題情境中快速構建思維路徑，靈活解決各類問題。

3?指向“變化觀念與平衡思想”的元素化合物教學策略

3.1?創(chuàng)設問題鏈，層層推進認識發(fā)展

發(fā)展核心素養(yǎng)并非一蹴而就，需要歷經知識解析、概念轉變和觀念建構，最終形成認識能力;需要在不同的教學階段逐步培養(yǎng)、分層落實，而問題驅動則為素養(yǎng)的提升搭建了認識階梯。首先，在測試中合理利用高考試題驅動學生思考，是提升素養(yǎng)的有效途徑。而一道完整的高考題考查的核心素養(yǎng)是多方面的，具體到“變化觀念與平衡思想”層面的問題設置則相對較少。因而教師在命題過程中可以基于素養(yǎng)目標對試題進行合理改編，補充設問。例如對于問題情境3和情境4，可以整合信息素材，在工藝流程各環(huán)節(jié)中深入挖掘，以“條件控制”與“動態(tài)平衡”為導向設計問題鏈。此外，教師還可以查閱文獻，搜集化工生產素材原創(chuàng)試題，繪制流程框圖，創(chuàng)設更豐富的問題情境和更多樣的設問方式。

其次，在高三常規(guī)復習課中，也可以打破知識模塊壁壘，融合不同專題內容，創(chuàng)設問題情境，提出驅動性系列問題，循序漸進地引導學生的認識發(fā)展。例如在復習鐵的化合物性質時可以融合鹽類水解的影響因素相關內容，創(chuàng)設以下問題鏈：

（1）?寫出實驗室制備Fe（OH）3膠體的離子方程式;

（2）?制備過程中為何要加熱，為何用蒸餾水而不用NaOH溶液？

（3）?倘若將氯化鐵溶液加熱直至蒸干，能否得到無水氯化鐵固體？

（4）?如何用FeCl3·6H2O晶體制備無水氯化鐵固體？

（5）?設計方案如何將FeCl2、?MgCl2、?AlCl3混合溶液分離（提供相關離子開始沉淀及沉淀安全時的pH數(shù)據(jù)）;

（6）?設計實驗驗證FeCl3的水解過程是可逆反應且是吸熱的過程;

（7）?某同學向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，溶液變成棕黃色;一段時間后溶液中有氣泡出現(xiàn)，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成。用平衡思想解釋生成沉淀的原因。

多角度且富有層次的設問方式，有利于學生全方位地分析問題，找出平衡，從“條件控制”與“動態(tài)平衡”的視角更深入地認識元素化合物的性質。帶有一定開放性的問題如設計實驗、提供方案等，也有利于發(fā)散學生思維，促進思維在“反應—條件—方向”三個方面靈活轉換，鞏固建立的問題解決思維模型，層層推進“變化觀念與平衡思想”認識的發(fā)展。

3.2?結構化認識思路，立體化發(fā)展核心素養(yǎng)

元素化合物專題復習不能只是對新課知識的簡單重復，應體現(xiàn)更高層次的價值追求，幫助學生的認識發(fā)展經歷一個由單一到多元、由靜態(tài)到動態(tài)、由孤立到關聯(lián)、由現(xiàn)象到本質的過程。這就需要學生對知識間的聯(lián)系有更加清晰的認知，既要建立結構化的知識關聯(lián)，也要建立結構化的認識思路。因此，教師需要引導學生在不同的教學階段不斷豐富、變換和拓展對元素化合物的認識視角，并以元素化合物為基礎融合不同專題知識間的關聯(lián)，促進學生認識思路的多樣化和立體化發(fā)展。認識能力并非由學科知識簡單加合而成，需要在教學活動中，通過學生的主動建構、反思內化和實踐應用逐步形成[4]。因此，教師需要設計相應的學習任務，提出有啟發(fā)性的問題，如“以上問題解決過程中你認識元素化合物性質的角度是什么”“問題解決的關鍵信息是什么？請歸納這類問題的共性”“請用流程框圖呈現(xiàn)這幾個關鍵要素間的聯(lián)系”等，讓學生在反思與實踐中將認識思路外顯，實現(xiàn)知識向能力的轉化。

培養(yǎng)學生的模型認知能力對發(fā)展“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)有重要的價值和意義。在實際問題解決過程中，從“條件控制”與“動態(tài)平衡”視角梳理出反應、條件、方向三個關鍵要素，建立“三元式”問題解決思維模型，形成“三段式”分析思路，有助于學生形成條理化的思維線索、可視化的學科方法，從而快速明確物質的研究方向和程序，減少對復雜、陌生問題認知與建模的時間，提高復習的質量與效率[5]。認識事物的角度與思路，不可能僅當作知識講授，而需要教師創(chuàng)設多樣化的問題情境，給學生創(chuàng)造自主調用的機會，引導學生內化于心，外顯于行。值得一提的是，除了元素化合物，在化學平衡圖像分析等專題，“反應條件方向”三元式的分析思路同樣能體現(xiàn)其工具性，為問題解決搭建結構化的思維模板，學生思維過程也不必拘泥于“反應條件方向”的線性轉化，可以結合不同問題進行靈活變換，立體構建問題的解決路徑，最終實現(xiàn)思維、能力與素養(yǎng)的進階式躍升與立體化建構。

參考文獻：

[1][2]中華人民共和國教育部制定.?普通高中化學課程標準（2017年版）[S].?北京：?人民教育出版社，?2018.

[3]胡久華，?張銀屏.?基于化學觀念的化學1模塊元素化合物的教學研究[J].?教育科學研究，?2013，?（10）：?59～62.

[4]姜言霞，?王磊，?支瑤.?元素化合物知識的教學價值分析及教學策略研究[J].?課程·教材·教法，?2012，?32（9）：?106～112.

[5]蔣小鋼.?基于建構認知模型的元素化學教學策略與實踐[J].?化學教學，?2020，?（11）：?27～32.