利用“元素化合物認識模型”進行初三化學一輪復習的教學研究
——以“碳和碳的氧化物”為例

盛 穎

（人大附中朝陽分校東壩校區(qū) 北京 122000）

一、問題的提出

義務教育階段的化學課程旨在提高學生的科學素養(yǎng)，科學素養(yǎng)的提高關鍵在于將核心知識和概念通過應用內(nèi)化為一定的認識角度和基本觀念。作為化學的啟蒙教育，元素化合物知識歸屬于《義務教育化學課程標準（2022年版）》學習主題中“物質(zhì)的性質(zhì)與應用”以及“物質(zhì)的化學變化”內(nèi)容，［1］是初中化學教學的重要內(nèi)容，約占初中化學教學內(nèi)容的二分之一。從主題特點來看，元素化合物知識具有基礎性，是研究物質(zhì)化學變化的基本對象，是其他主題內(nèi)容學習的生長點，更是發(fā)展學生科學探究的知識源泉。從知識發(fā)展層面，元素化合物知識內(nèi)容貼近學生生活，有利于學生從已有經(jīng)驗出發(fā)理解物質(zhì)的性質(zhì)和變化，建立組成、性質(zhì)、用途之間的聯(lián)系。

由于元素化合物知識內(nèi)容多，跨度大，教師新授課后進行一輪復習時，不注重對元素化合物知識進行整合和有意義連接，通過知識回顧，學生練習、教師講解這種碎片化和切斷式的復習模式，難以幫助學生建立元素化合物知識體系，更無法形成穩(wěn)定的元素化合物認識角度和認識思路。尤其在面對綜合實驗探究問題時，學生難以將抽象的實際問題通過分析推理轉化成具體的化學問題，更不會利用物質(zhì)的類別通性和轉化關系去尋找突破口。要解決以上問題，筆者認為教師需要改變一輪復習中過度關注知識本體的單一復習方式，還應當進一步思考知識本體對發(fā)展學生元素化合物認識的功能和價值，實現(xiàn)從具體知識抽象成核心概念，再發(fā)展為基本觀念的思維能力的發(fā)展。

北師大王磊教授提出了由研究對象、研究問題、認識方式、能力任務四個維度組成的元素化合物認識模型（見圖1）。［2］［3］基于該認識模型，在進行元素化合物一輪復習時，以物質(zhì)或元素為研究對象，從物質(zhì)類別的角度，設置有梯度的問題和能力任務，促使學生掌握物質(zhì)的通性和轉化關系，從而構建系統(tǒng)的知識框架和穩(wěn)定的認識方式。

圖1 元素化合物認識模型

二、教學素材的選取與利用

從化學課程標準可以看出“碳和碳的氧化物”是一個全面研究元素化合物知識的單元體系，從碳單質(zhì)、碳的氧化物，到碳酸和碳酸鹽均有描述。由于本單元物質(zhì)之間的聯(lián)系較為復雜，知識涉及面廣，這就需要學生不僅能從宏觀現(xiàn)象認識物質(zhì)的性質(zhì)，還要深入微觀結構分析性質(zhì)的差異；不僅建立性質(zhì)決定用途的聯(lián)系，還需要初步建立結構決定性質(zhì)的化學認識思路；不僅能從物質(zhì)的性質(zhì)分析制備物質(zhì)的方法，還能應用物質(zhì)的性質(zhì)鑒別和提純物質(zhì)。真正從化學的視角分析物質(zhì)的組成、性質(zhì)及轉化，初步形成物質(zhì)類別通性的認識角度。

基于上述考慮，選取九年級人教版“碳和碳的氧化物”單元作為教學素材，構建以核心物質(zhì)組——碳及其化合物為研究對象的物質(zhì)性質(zhì)和轉化關系。應用物質(zhì)分類思想有序且全面地列出含碳元素的物質(zhì)，體驗物質(zhì)分類對研究物質(zhì)的性質(zhì)和轉化的意義。通過物質(zhì)鑒別、檢驗、除雜和制備等問題任務，深化對碳和碳的化合物性質(zhì)及轉化關系的應用和理解。

三、復習教學活動的設計

1.復習教學的整體思路

針對初三化學一輪復習教學中的問題和學生學習的障礙點，設計了基于“元素化合物認識模型”的碳和碳的氧化物單元復習教學。本單元復習分兩課時進行，第一課時旨在利用認識模型設置學習理解和應用實踐型能力任務，復習含碳物質(zhì)的性質(zhì)與轉化，構建系統(tǒng)的知識框架。教學思路如下：（任務1）列舉學過的碳及其化合物→（任務2）用多種方法鑒別CO和CO2及氣體除雜→（任務3）用多種方法獲取CO2→（任務4）構建碳及其化合物相互轉化的知識框架。任務1屬于概括關聯(lián)型能力任務，引導學生從物質(zhì)分類的視角全面地列舉碳及其化合物，任務2和任務3屬于簡單設計型能力任務，引導學生從物質(zhì)性質(zhì)和轉化的角度形成鑒別、除雜、制備物質(zhì)的一般思路。

第二課時通過設置遷移創(chuàng)新型能力任務，使學生靈活利用物質(zhì)的性質(zhì)和轉化綜合解決實際問題。教學思路如下：（任務1）探究草酸受熱的分解產(chǎn)物→（任務2）測定氧化銅樣品中氧化銅的純度。任務1屬于系統(tǒng)探究型能力任務，學生需要以物質(zhì)性質(zhì)和轉化為核心對問題進行綜合分析，認識方式從第一課時的孤立水平提升到了系統(tǒng)水平。任務2屬于創(chuàng)新思維型能力任務，學生需要將實際問題創(chuàng)造性地轉化為化學問題，認識方式從任務1的定性研究提升到了定量研究。

2.第一課時主要復習活動舉例

環(huán)節(jié)1 利用認識模型建立物質(zhì)分類的視角

【問題1】說說初中階段學過的含碳元素的物質(zhì)有哪些？

【學生活動1】從物質(zhì)分類角度羅列以碳元素為核心的物質(zhì)。（如圖2）

圖2 含碳物質(zhì)分類圖

本環(huán)節(jié)教學意圖：明確研究對象是碳及其化合物，回憶寫出含碳物質(zhì)時凸顯物質(zhì)類別的認識角度，從掌握單一物質(zhì)提升到以某元素為核心的物質(zhì)組的全方位理解。

環(huán)節(jié)2 利用認識模型復習物質(zhì)的性質(zhì)

醒來時，表姐發(fā)現(xiàn)自己好像是在衛(wèi)生院，不像閻王殿。兩個妮兒哭著喊娘，李石磨眼睛也紅著。瞿醫(yī)生哄兩個妮兒出去，病人不能情緒激動。

【問題2.1】實驗室有兩瓶無色氣體，分別是二氧化碳和一氧化碳，你能否將它們鑒別開來？

【學生活動2.1】交流完成學案（見表1），學生匯報實驗方案，全面復習碳和碳的氧化物的性質(zhì)。

表1 探究鑒別CO和CO2的實驗方案

【問題2.2】若CO中混有少量CO2應如何除去CO2？若CO2中混有少量CO又應如何除去CO？

【學生活動2.2】思考并交流除雜試劑和除雜方法。

【方法提升】在互動交流中師生共同總結得出——抓住物質(zhì)性質(zhì)的差異是解決鑒別、除雜等問題的關鍵。

本環(huán)節(jié)教學意圖：基于認識模型，選取鑒別、除雜等研究問題，設計應用實踐型能力任務，引導學生利用物質(zhì)性質(zhì)的差異設計實驗方案，在任務驅動下調(diào)動已有知識解決簡單的實際問題，在討論與競爭中使學生的靜態(tài)知識動態(tài)化，讓復習課不再是知識的簡單羅列，而是通過不同梯度的能力任務激活知識，形成解決問題的一般思路。

環(huán)節(jié)3 利用認識模型復習物質(zhì)的轉化

【學生活動3.1】交流完成學案（見表2），通過概括關聯(lián)含碳物質(zhì)簡單設計實驗方案，借助物質(zhì)類別通性和轉化途徑復習物質(zhì)的制備問題，通過解釋說明方案的優(yōu)缺點掌握物質(zhì)制備的基本原則。

表2 探究制備CO2的實驗方案

【問題3.2】碳及其化合物之間能建立哪些聯(lián)系？如何建立聯(lián)系？

【學生活動3.2】總結復習的內(nèi)容，學生自主完善碳及其化合物轉化關系圖（見圖3）。

本環(huán)節(jié)教學意圖：選取認識模型中物質(zhì)制備的研究問題，設計應用實踐型能力任務，學生的思維不僅停留在實驗室制備CO2的識記層面，還需要依托物質(zhì)類別與守恒思想發(fā)散思維，將碳單質(zhì)、碳的氧化物、碳酸、碳酸鹽、碳酸氫鹽、有機物串聯(lián)起來，建立以碳元素為核心元素的物質(zhì)組的相互轉化。有效的研究問題打破了單元之間的界限，在問題解決中促進學生形成穩(wěn)定的物質(zhì)類別認識視角和完整的知識框架。

3.第二課時主要復習活動舉例

環(huán)節(jié)1 利用認識模型解決實際問題——定性探究混合氣體成分

【問題1】菠菜中含有一種有機物——草酸（H2C2O4），受熱時易發(fā)生分解。為了探究草酸分解的產(chǎn)物，請同學們作出猜想：草酸分解的產(chǎn)物可能有哪些？

【學生活動1.1】學生通過質(zhì)量守恒定律對產(chǎn)物作出猜想

猜想1：CO、CO2、H2O 猜想2：CO2、H2

【追問】如何設計實驗驗證猜想？（可供選擇的裝置見圖4，資料：①白色無水硫酸銅遇水變成藍色硫酸銅晶體；②實驗室常用氫氧化鈉溶液除去二氧化碳。）

圖4 探究草酸受熱分解的產(chǎn)物可供選擇裝置

【學生活動1.2】將任務進行分解，提煉生成幾個程序性問題：①要檢驗的氣體有哪些？②這些氣體用什么來檢驗？③檢驗的順序是什么？④要排除哪些干擾？通過小組討論完成學案（見表3）進行分享交流，再通過評價和診斷優(yōu)化方案，最終達成一致的實驗方案。

表3 探究草酸受熱分解的產(chǎn)物的實驗方案

本環(huán)節(jié)教學意圖：在利用認識模型全面復習了含碳物質(zhì)的性質(zhì)和轉化基礎之上，研究問題不單是聚焦在某一維度，活動任務提升到了遷移創(chuàng)新水平，學生需要從綜合復雜問題中抽離出物質(zhì)的檢驗、除雜、使用等連續(xù)性問題，逐一突破才能最終解決，并形成探究混合氣體成分的一般思路和方法。

環(huán)節(jié)2 利用認識模型解決實際問題——定量測定固體樣品的成分含量

【問題2】如果要測定氧化銅（含雜質(zhì)）樣品中氧化銅的純度，你能利用草酸分解所得的混合氣體和以上裝置設計實驗測定氧化銅的純度嗎？

【學生活動2】首先交流討論出可以通過測定CO和氧化銅反應的產(chǎn)物CO2的質(zhì)量間接得到氧化銅的質(zhì)量。然后利用已有裝置設計實驗，確定合適的實驗方案，完成學案（見表4）。

表4 探究氧化銅樣品中氧化銅純度的實驗方案

本環(huán)節(jié)教學意圖：從定性過渡到定量，從成分分析過渡到計算成分含量，活動1對混合氣體的成分分析要求學生將物質(zhì)的性質(zhì)進行近遷移來解決檢驗、除雜等問題，而樣品純度的測定則要求學生將實際問題與物質(zhì)的性質(zhì)和轉化建立遠聯(lián)系，想到利用CO還原氧化銅所得產(chǎn)物CO2的質(zhì)量間接測定氧化銅的質(zhì)量，讓學生感受到利用物質(zhì)的性質(zhì)和轉化能創(chuàng)造性地解決復雜問題，復習課如新課一樣變得生動活潑，富有挑戰(zhàn)。

四、利用“元素化合物認識模型”進行初三化學一輪復習的有效性

1.有利于教師落實“過程與方法”教學目標

“過程與方法”教學維度的提出，啟示我們教學不僅要關注學生學習什么，還要關注學習經(jīng)歷什么樣的過程，在過程體驗中要形成一定的學習方法和化學學科思想方法。［4］在該課例中，筆者以認識模型中的研究問題為導向，設計了以物質(zhì)的使用、鑒別、檢驗、除雜為核心的活動任務，這些核心問題具有開放性、層次性，讓復習課不再停留于舊知識的鞏固和練習，而是讓學生體驗應用知識解決問題或發(fā)現(xiàn)新知識的過程，有效推動學生思維的發(fā)展，有利于“過程與方法”目標的達成。

2.有利于教師對教學過程進行監(jiān)控和評價

學科知識需要經(jīng)過學習和理解、應用和實踐、遷移和創(chuàng)新等關鍵能力活動，才能完成從具體知識到認識方式的外部定向、獨立操作和自覺內(nèi)化。［5］認識模型中的學科能力活動促使教師關注課堂活動的進階性，并以學科能力表現(xiàn)為標尺對學生問題解決時的表現(xiàn)進行監(jiān)控和評價。在復習課中，筆者根據(jù)認識模型的能力任務維度設計了從學習理解型任務過渡到應用實踐型和遷移創(chuàng)新型任務，教師可以通過分析學生的具體表現(xiàn)及學科能力表現(xiàn)各要素內(nèi)涵之間的差距，評估學生的認識是否得到發(fā)展，還有哪些方面的不足，如何進一步改進等等，讓教學更加注重對學生能力進階的過程性評價。

3.促進了學生的認識發(fā)展，增強了化學學習興趣

復習課之前，學生對物質(zhì)性質(zhì)的認識是零散的，不成體系的。利用元素化合物認識模型，設計了多角度多層次的課堂活動激活學生思維。課堂以實驗探究為載體，以關鍵性問題為驅動力，學生在物質(zhì)的檢驗、鑒別、分離等任務中形成了物質(zhì)類別通性的認識角度，經(jīng)歷了由孤立到系統(tǒng)，由靜態(tài)到動態(tài)，由定性到定量認識方式的變化。情境活動的設計讓學生覺得復習課不再枯燥乏味，能夠應用已有知識解決生活中的問題，體驗了化學學習的價值。課堂上的團隊競爭活動激勵了學生不斷挖掘腦海中的靜態(tài)知識，收獲了勝利的喜悅。

4.促進了學生初高中元素化合物知識的銜接

從初中到高中，學生學習的具體知識不同，學生認識發(fā)展的內(nèi)涵豐富程度也就不同，［6］說明學生對元素化合物知識的認識發(fā)展并不是一蹴而就的，而是具有階段性和漸進性的。初中階段元素化合物知識的學習不僅停留于具體物質(zhì)的學習，還應當以知識為載體，教給學生思考問題的角度和解決問題的思路，促使學生形成穩(wěn)定的、自覺的、可遷移的認識角度和認識思路。

復習課以碳元素為線索建構了不同類別物質(zhì)的性質(zhì)和轉化關系，這種方法可以遷移到高中階段以其他金屬或非金屬元素為核心的不同類別物質(zhì)的性質(zhì)學習上。完成鑒別、除雜和制備等任務時，能主動調(diào)用物質(zhì)的性質(zhì)和轉化關系解決實際問題，這種思路可以遷移到高中階段完成類似的活動任務中去。利用元素化合物認識模型進行初三化學復習，學生認識角度和認識方式得到了相應的發(fā)展，也為高中元素化合物知識的學習奠定了基礎。