以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的分層建構(gòu)元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究

陳志剛 李毅 常曉燕

摘 要：化學(xué)是在原子、分子層次上研究物質(zhì)。元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。從認(rèn)識(shí)規(guī)律出發(fā)，分層建構(gòu)元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系有利于學(xué)生的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的發(fā)展。實(shí)驗(yàn)在分層建構(gòu)元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系過程中發(fā)揮重要作用。本研究以鈉元素化合物為例，開展以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的分層建構(gòu)元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系研究。

關(guān)鍵詞：元素化合物;實(shí)驗(yàn);轉(zhuǎn)化關(guān)系;分層建構(gòu)

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)是認(rèn)識(shí)元素化合物轉(zhuǎn)化的極為重要的方法。實(shí)踐中，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不理想主要表現(xiàn)為：其一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)完成率低。很多學(xué)生實(shí)驗(yàn)變成演示實(shí)驗(yàn)，演示實(shí)驗(yàn)變成講實(shí)驗(yàn)或者放視頻;實(shí)驗(yàn)教學(xué)相對(duì)較復(fù)雜，拓展實(shí)驗(yàn)少。其二，實(shí)驗(yàn)教學(xué)學(xué)生參與度低。學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)少;能實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，照方抓藥的情況多。實(shí)驗(yàn)未能激發(fā)學(xué)生深度參與。其三，實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新度低，實(shí)驗(yàn)間缺乏聯(lián)系，碎片化的實(shí)驗(yàn)沒能有效指向?qū)W生知識(shí)的整體建構(gòu)。

經(jīng)過大量的研究并結(jié)合實(shí)踐，我們將實(shí)驗(yàn)融會(huì)貫穿到整體化學(xué)教學(xué)，形成了“實(shí)驗(yàn)——理論——實(shí)驗(yàn)”范式，并形成一系列實(shí)驗(yàn)策略，使化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)價(jià)值較好顯現(xiàn)出來，得到了區(qū)域同行的認(rèn)可。本研究以高中鈉元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系建構(gòu)為例進(jìn)行說明。

一、 初中元素化合物轉(zhuǎn)化關(guān)系認(rèn)知基礎(chǔ)分析

進(jìn)入高中前，學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)來自生活和初中化學(xué)學(xué)習(xí)。具體來看，學(xué)生對(duì)元素化合物的認(rèn)知是依托個(gè)別案例進(jìn)行關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)中的鈉元素化合物主要是氯化鈉。氯化鈉是生活必需品食鹽的主要成分。氯化鈉在生活中應(yīng)用廣泛，氯化鈉是學(xué)生認(rèn)知鈉元素化合物的天然錨點(diǎn)。

初中含鈉元素物質(zhì)主要有氫氧化鈉和氯化鈉。（1）氫氧化鈉是實(shí)驗(yàn)室常用強(qiáng)堿。學(xué)生通常使用氫氧化鈉溶液。這與生活中使用氯化鈉固體不同。固體氯化鈉可分類為純凈物，而常使用的氫氧化鈉溶液則是混合物。研究認(rèn)為：展示氫氧化鈉固體，配制和展示氫氧化鈉溶液十分必要。這有利于學(xué)生結(jié)合情境理解“NaOH”表示的物質(zhì)是什么。常用實(shí)驗(yàn)情境下，教師學(xué)生使用的是氫氧化鈉溶液，因此學(xué)生對(duì)于“NaOH”符號(hào)通常理解為氫氧化鈉溶液;而脫離情境，“NaOH”通常表示的是純凈物固體。（2）粗鹽提純是初中的重要實(shí)驗(yàn)。將粗鹽固相混合物溶于水形成液相粗鹽水混合物，再通過過濾、蒸發(fā)的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單提純。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以更好地將學(xué)習(xí)和生活關(guān)聯(lián)。

從轉(zhuǎn)化關(guān)系看，需要掌握氫氧化鈉這種最常見的堿與鹽酸中和生成氯化鈉和水，這個(gè)轉(zhuǎn)化可以通過不同的實(shí)驗(yàn)形式進(jìn)行。氫氧化鈉與二元弱酸碳酸（或二氧化碳）反應(yīng)生成碳酸鈉的酸堿反應(yīng)要求層次高一些。碳酸鈉與氫氧化鈣生成氫氧化鈉的沉淀反應(yīng)相對(duì)更難一些。從一元到二元，從酸堿反應(yīng)到沉淀反應(yīng)再到復(fù)分解反應(yīng)歸類，學(xué)生認(rèn)知的范圍在拓展，認(rèn)知的方法在增多，認(rèn)知的能力在提升，學(xué)生從簡(jiǎn)單中和實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)歸納認(rèn)知了酸堿中和反應(yīng)并進(jìn)行了遷移?？偨Y(jié)來看，初中鈉元素化合物雖然量少，但其學(xué)習(xí)方式較全面地體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

二、 高中元素化合物認(rèn)知建構(gòu)分析

高中認(rèn)知元素化合物除了生活外，要依托實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、部分工業(yè)生產(chǎn)以及思維工具進(jìn)行，其中實(shí)驗(yàn)極為重要。總體來看，學(xué)生對(duì)元素化合物的認(rèn)知具有指向系統(tǒng)區(qū)域建構(gòu)、深度關(guān)聯(lián)思維拓展、整體輸出指向應(yīng)用等特點(diǎn)。

（一）指向系統(tǒng)，區(qū)域建構(gòu)

高中化學(xué)學(xué)習(xí)具有明顯的系統(tǒng)指向。從分類出發(fā)，通過典型代表物進(jìn)行區(qū)域建構(gòu)，最終具備一定程度系統(tǒng)性。在必修階段，學(xué)生常見的含鈉元素物質(zhì)并不多，包括鈉、氧化鈉、過氧化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉等。但所涉及的分類全面：?jiǎn)钨|(zhì)、氧化物、過氧化物、堿、鹽。

指向系統(tǒng)，通過區(qū)域教學(xué)建構(gòu)，符合認(rèn)識(shí)規(guī)律。根據(jù)學(xué)生的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)，高中教材（人民教育出版社2019年版，下同）結(jié)構(gòu)排布是先單質(zhì)，再氧化物、過氧化物、最后是鹽，堿類物質(zhì)氫氧化鈉作為已學(xué)內(nèi)容直接應(yīng)用。

（二）依托實(shí)驗(yàn)，區(qū)域建構(gòu)

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。依托實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物質(zhì)關(guān)聯(lián)，能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，符合認(rèn)識(shí)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)教學(xué)能較好促進(jìn)宏觀辨識(shí)和微觀探析化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)養(yǎng)成?；诤c元素物質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)建構(gòu)物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系簡(jiǎn)要分析如下。

1. 鈉單質(zhì)實(shí)驗(yàn)建構(gòu)轉(zhuǎn)化關(guān)系

鈉的切割實(shí)驗(yàn)通過光澤由亮變暗，建構(gòu)鈉與氧化鈉的轉(zhuǎn)化關(guān)系。鈉的加熱燃燒生成過氧化鈉。鈉與水反應(yīng)生成氫氧化鈉。從實(shí)驗(yàn)策略看，以上實(shí)驗(yàn)成組設(shè)計(jì)，連續(xù)開展效果較好。鈉的實(shí)驗(yàn)存在風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)踐中，教師先將鈉預(yù)先切成安全小塊，再由學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)取用進(jìn)行分切，并完成鈉的燃燒及鈉與水的實(shí)驗(yàn)。此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)策略不僅確保了安全，而且效率高，效果好。鈉與氯氣加熱燃燒生成氯化鈉，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在氯氣以及離子鍵形成部分按需要逐層開展的，可以作內(nèi)容模塊系統(tǒng)關(guān)聯(lián)使用。

2. 過氧化鈉實(shí)驗(yàn)建構(gòu)轉(zhuǎn)化關(guān)系

過氧化鈉與水反應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富，從宏觀現(xiàn)象上容易辨識(shí)生成氫氧化鈉和氧氣。通過機(jī)理分析可以建立與過氧化氫的關(guān)聯(lián)。過氧化鈉與二氧化反應(yīng)，和過氧化鈉與水反應(yīng)相似，機(jī)理較為復(fù)雜，同樣可以開展探究分析，關(guān)聯(lián)生成碳酸鈉。從實(shí)驗(yàn)策略看，過氧化鈉的供氧實(shí)驗(yàn)可通過滴水燃燒和吹氣燃燒的強(qiáng)表現(xiàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行隨堂演示開展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)踐證明了此策略的有效性。

3. 碳酸鹽實(shí)驗(yàn)建構(gòu)轉(zhuǎn)化關(guān)系

從物質(zhì)轉(zhuǎn)化看，水溶液呈堿性的正鹽碳酸鈉到水溶液呈堿性的酸式鹽碳酸氫鈉到碳酸（二氧化碳）的相互轉(zhuǎn)化具有酸堿反應(yīng)的模型特征。碳酸氫鈉遇酸或受熱生成二氧化碳用于滅火、發(fā)泡、膨松劑等，策略上可以依托開展小的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。碳酸鹽實(shí)驗(yàn)承載了離子反應(yīng)本質(zhì)、酸堿反應(yīng)本質(zhì)、反應(yīng)速率、反應(yīng)溫度條件、反應(yīng)量控制等多個(gè)化學(xué)關(guān)鍵知識(shí)教學(xué)。

（三）依托工業(yè)生產(chǎn)和思維拓展建構(gòu)

1. 氯化鈉工業(yè)生建構(gòu)轉(zhuǎn)化關(guān)系

電解熔融氯化鈉可以制取單質(zhì)鈉。電解飽和氯化鈉溶液制取氫氧化鈉。純堿工業(yè)用飽和氯化鈉制取碳酸氫鈉，再受熱分解制取碳酸鈉。必修教材中通過研究與實(shí)踐和課后練習(xí)體現(xiàn)。策略上，電解氯化鈉可以嘗試提前演示開展，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還可以強(qiáng)化電解質(zhì)概念學(xué)習(xí)。