大概念指引下高三元素化學復習策略
——以“元素與物質認知模型”主題為例

●任德懷

大概念（big ideas）是對學科本質的整體性表現(xiàn)，是學科結構的骨架和主干部分；其能夠反映學科知識結構，能提供對于理解知識和解決問題的思想方法，培育學科基本態(tài)度，運用于新的情境具有持久的可遷移的應用價值?；瘜W學科大概念包括元素觀、微粒觀、變化觀、實驗觀、分類觀、化學價值觀，其中元素觀、微粒觀和變化觀為化學知識類的基本觀念。借助學科大概念理清化學學科的必備知識，尋求學科知識的遷移應用方法與思維，挖掘學科素養(yǎng)的內涵并應用于常規(guī)化學課堂，幫助學生獲得關鍵方法與思維能力，是高中化學教學應該持久關注的問題。

一、“元素與物質認知模型”主題教學中大概念的確立

（一）元素與物質認知模型課標的內容要求

基于新課程對學生模型認知的學科素養(yǎng)要求，我們把《普通高中化學課程標準》“常見無機物及其應用”主題下的2.1～2.3三個二級主題以及“化學反應方向、限度和速率”主題下2.3“化學反應的調控”進行整合，確立了“元素與物質認知模型”的教學內容（表1）。

表1 “元素與物質認知模型”的課標內容要求

（二）“元素與物質認知模型”主題的學科價值與認知功能

1.化學物質及其變化

該主題是化學科學的重要研究方法。對于多達千萬種的化學物質和為數(shù)更多的化學反應，人們要想認識它們的規(guī)律性，就必須運用分類的方法，分門別類地進行研究。這既反映了化學科學的發(fā)展規(guī)律，也符合學生的認知規(guī)律?；瘜W反應分類的三個標準：(1)反應物和生成物的類別以及反應前后物質種類的多少，按此標準劃分可將化學反應分為化合反應、分解反應、置換反應和復分解反應；(2)反應中是否有離子參加，由此將化學反應分為離子反應和非離子反應；(3)反應中是否有電子轉移，由此將反應分為氧化還原反應和非氧化還原反應。

2.電解質與離子反應

該主題是對溶液中進行的化學反應的本質思考。通過電解質與離子反應的概念認知，分析以復分解反應為主的離子反應發(fā)生的條件；有利于常見物質制備、分離、提純與檢驗，是認識元素性質以及相關化學反應方程式的重要角度。

3.氧化還原反應與非氧化還原反應

該主題可以簡潔概括為基于價類二維的元素觀。四大反應類型中，某些元素的化合價在反應前后發(fā)生了變化，其本質是化學反應中發(fā)生了電子的轉移(得失或偏移)，要求學生正確、辯證地認識氧化還原反應中各有關物質的相互關系，知道氧化劑從還原劑獲得電子而被還原，還原劑則將電子轉移給氧化劑而被氧化，氧化劑與還原劑在反應中是相互依存的。明確氧化還原反應在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學技術和日常生活中有廣泛應用，同時也辯證地了解氧化還原反應會給人類帶來危害，這是不以人的意志為轉移的。人類只有掌握了化學變化的規(guī)律之后，才能更好地利用化學變化造福人類。

4.化學反應的方向、限度和速率

該主題是化學動力學與化學熱力學的原理知識。要求學生進一步解釋所有化學反應均具有可逆性，主動運用化學平衡常數(shù)以及化學平衡移動（熱力學）知識分析解釋元素化學中，化學反應進行的方向的變化；進一步解釋有關實驗室、自然界和生活生產(chǎn)中的實際現(xiàn)象和問題;有助于加深理解以前所學的元素化合物知識及化學反應，使學生了解化學理論對生產(chǎn)實際的指導作用。

（三）“元素與物質認知模型”主題認知體系的建立

“常見無機物及其應用”主題下的2.1～2.3三個二級主題是對常見化學反應規(guī)律性的分析，相較單純的元素與物質的性質，該主題是對元素與物質性質學習的模型建構，有利于學生運用科學過程和科學方法進行化學學習，代表了研究元素化學具體的常用的方法。“化學反應方向、限度和速率”主題下的2.1二級主題是通過生活中元素化學的實際事例，利用化學反應有可逆性及方向性、化學平衡常數(shù)的物理量和化學平衡移動知識，把元素知識與“變化與平衡觀”充分結合，辯證地解釋日常生活中元素知識不能解釋的某些現(xiàn)象，對化學反應的實質能有更多的領悟，是站在哲學的方法論的高度思考和處理問題。

因此，教師將《化學（必修第一冊）》元素化學與《化學原理（選擇性必修一）》化學平衡及化學平衡移動（化學熱力學）跨模塊教學資源進行整合時，利用離子反應、氧化還原反應和復分解反應知識作為元素知識與化學反應方向性聯(lián)系的主要載體，將離子反應、氧化還原反應與復分解反應歸屬的模塊作為主要視角，以物質的分類、電解質的概念和常見物質的性質為學習基礎，以學科素養(yǎng)“變化與平衡觀”為哲學追求，建立以“變化與平衡觀”為先導的“元素與物質認知模型”認知體系（如圖1）。學生的認知渠道由單一到多元，認知過程由平面轉向為立體。

圖1 “元素與物質認知模型”主題的認知體系

二、高三學生“元素與物質認知模型”主題的學情分析

在中學元素化學的學習中，學生對各種物質間的轉換有了一定的認知，對化學反應規(guī)律已有總結和提煉。高二教學活動中雖然已經(jīng)完成選擇性必修一的《化學原理》第三章“化學反應速率與化學平衡”的教學，但學生往往依舊很難結合化學原理的知識，主動運用熱力學理論從定量的視角理解所有化學反應都具有可逆性并能在一定條件下發(fā)生平衡移動；這種缺少學科跨模塊的綜合分析、遷移和應用，導致學生對化學反應的理解常常簡單地停留在“強酸制弱酸”“易溶制難溶”及“強氧化（還原）劑制弱氧化（還原）劑”的記憶層面，對化學反應的方向性缺少辯證的思考，這種基于課改前的學習方式，導致學生在利用元素知識解決化工和制藥等真實工程情景中的應用問題時，缺失對未知產(chǎn)物及所發(fā)生的化學反應的預見能力；甚至，這種脫離新課標要求的學習狀態(tài)常常導致學生對元素性質的錯誤理解，比如《化學（必修第一冊）》指出，“工業(yè)上對飲用水進行消毒殺菌時所用漂白粉，易與空氣中二氧化碳及水蒸氣發(fā)生反應”，對這一化學反應，學生常常錯誤地認為其規(guī)律是“酸性較強的碳酸制得酸性較弱的次氯酸”，而事實上碳酸的二級電離是弱于次氯酸的電離的，即K碳酸a1＞K次氯酸a2＞K碳酸。

三、編寫“元素與物質認知模型”主題教學的學科理解

新課標（2019版）提出，在學習層面，教師應在引導學生認識事物變化的本質特征、構成要素及相互關系的基礎上，對物質的變化提出可能的假設，建立一種合理的化學模型以解釋相關化學問題[1]，實現(xiàn)對學科知識的深度學習。

（一）“元素與物質認知模型”主題的樹狀思維圖

建立“元素與物質認知模型”的樹狀思維圖（如圖2），同時根據(jù)思維圖可以確定該主題的教學順序，也能幫助學生判斷原有認知結構是完整的還是有缺陷的。

圖2 “元素與物質認知模型”主題的樹狀思維圖

（1）“元素與物質認知模型”主題的樹狀思維圖以物質的分類、物質間的轉換、電解質的概念、離子方程式的書寫為基礎，將化學反應分為氧化還原反應和非氧化還原反應兩條線并列平行分析，最終指向的都是學生的“變化與平衡觀”的形成。

（2）從化學熱力學的角度提出耦合反應與耦合作用，以解釋和論證元素的化學性質，認知化學變化所應遵循的基本原理，有利于學生對元素性質必備知識的強化理解，同時又能從物質類別和元素價態(tài)變化的視角說明物質的轉化路徑，預測物質的化學性質和變化。最終指向對陌生方程的推理分析建模，是學生“變化與平衡觀”形成的關鍵環(huán)節(jié)。

（3）根據(jù)各個部分在大概念形成中的邏輯關系，可以確定“元素與物質認知模型”復習教學順序為：先從基礎知識（樹根）到核心概念（樹干），從核心概念（樹干）到跨模塊分析（樹枝與樹葉），最后從跨模塊分析（樹枝與樹葉）到樹頂（哲學觀）的把握。

（二）耦合反應是“變化與平衡觀”建立的關鍵

選擇性必修一《化學原理》中“以H2S氣體為沉淀劑，將Cu2+轉換為極難溶的沉淀是化學實驗室里進行物質的分離、除雜時常用的方法”是闡釋耦合反應較好的素材。以H2S氣體為沉淀劑，將Cu2+轉換為極難溶的沉淀的反應方程式為：

這是一個典型的“弱酸制備強酸”的反應，H2S在CuSO4溶液中發(fā)生了完全電離，站在熱力學角度，可以先從總反應剝離出反應①和②。

H2S?H++HS-①Ka1=6.0×10-8

HS-?H++S2-②Ka2=6.3×10-14

從Ka1和Ka2可知，H2S是一種極弱的酸，但當與CuSO4溶液混合時便有CuS沉淀析出：

Cu2++S2-?CuS↓③K3=1.67×1035

反應③的平衡常數(shù)K3較大，在很大程度降低了H2S溶液中的C（S2-），從而促進了H2S的電離平衡正向移動，綜上所述：

由于K4＞＞105，即反應④能徹底進行，H2S在CuSO4溶液中發(fā)生了完全電離；化學工業(yè)上把類似這種CuSO4促進H2S的電離平衡正向移動，從而促使H2S得以完全電離的過程稱之為耦合作用；同時，把耦合作用過程中類似這種Cu2+與S2-的反應，稱之為耦合反應（coupling reaction）；耦合作用的實質是借助耦合反應促進化學平衡向右移動。耦合反應[2]（與耦合作用在元素化學學習中具有指導作用，有利于學生認知化學變化所應遵循的基本原理，從而替代反復背記化學方程式的元素化學學習策略[3]。

（三）對純凈物概念的本質理解與應用

物質分為純凈物和混合物，九年級《化學（上）》教材將純凈物定義為“只由一種物質組成”。這種定義雖然規(guī)范科學，但是學生不容易理解透徹。比如我們常見的NaCl是屬于純凈物，但是，該物質中的Na+和Cl-屬于不同的物質，這種含有不同微觀粒子的物質為什么歸于純凈物一類，其本質原因在于各種微觀粒子之間彼此均達到“分子（或離子）級水平的分散”，所以NaCl稱之為純凈物；又如把Cu2（OH）2CO3理解為Cu2+、OH-和CO32-均勻混合彼此均達到“離子級水平的分散”，或者說Cu2（OH）2CO3由Cu（OH）2和CuCO3構成彼此達到分子級水平的分散；正因如此，Cu2（OH）2CO3保留著Cu2+、OH-和CO32-的共有化學性質，或者說Cu2（OH）2CO3保留著Cu（OH）2和CuCO3共有化學性質。這種對純凈物概念的本質理解有利于學生對酸式鹽、堿式鹽和復鹽化學性質的認知。

(四)非氧化還原反應類型的分析重點

從物質的分類及同類物質性質特點看，單質、氧化物、酸、堿和鹽之間可以發(fā)生眾多非氧化還原反應。統(tǒng)計分析高中現(xiàn)行教材中物質間發(fā)生的非氧化還原反應，其中出現(xiàn)頻率較高、學生需要著重理解的六大反應類型有“酸式鹽與堿溶液的反應”“正鹽溶液與相對應酸酐的反應”“酸酐與弱酸鹽溶液的反應”“堿性氧化物與酸酐的反應”“堿性氧化物與水的反應”和“難溶堿的受熱分解”。

四、“元素與物質認知模型”主題遞進式教學設計

（一）課時安排與課時目標設計

教師在完成《化學（必修第一冊）》和選擇性必修一《化學原理》的教學內容后，學生已經(jīng)比較系統(tǒng)地掌握了化學熱力學的相關內容，如果學生能對沉淀溶解平衡常數(shù)、弱電解質電離平衡常數(shù)、鹽類水解平衡常數(shù)等化學平衡常數(shù)進行充分的理解與應用，我們便可適時引入化學熱力學中的耦合反應與耦合作用，幫助學生搭建元素化學與熱力學的橋梁，完成“元素與物質認知模型”主題復習。其課時分配與教學目標見表2。

表2 “元素與物質認知模型”復習課的課時分配與教學目標

在上述教學安排中，越是后面的活動任務對于素養(yǎng)的能力水平要求越高，對于素養(yǎng)的綜合要求也越高。不同的學生能夠順利完成的事情和任務可能是不一樣的，以及在做同樣的事情時可能會表現(xiàn)出不同的素養(yǎng)水平。教師可以根據(jù)學生能做什么事情，以及如何做事，來判斷該課時學習前后知識的學習和應用水平，從而調整課時內容順序與課時長度。

(二)教學實施過程舉例（見表3）

表3 “變化與平衡觀”與陌生方程式推導（最后1課時）教學活動設計

五、教學效果與反思

（一）教學效果[4]

近幾年教學實踐中，筆者先后在云南、四川和貴州等省的三十多所中學，引導學生對元素知識進行整合，收到了較為明顯的教學效果，學生及教師普遍認為，在“變化與平衡觀”的指導下，“將元素知識遷移到化學真實情景的過程中，分析新物質的生成及其發(fā)生的相關化學反應時有了嚴密的推理而不是猜測”。通過大概念指引下對元素知識與化學平衡學習的整合，引導學生主動對學科知識進行深度學習，無疑是發(fā)展學生學科素養(yǎng)的重要方式。

(二)教學反思

1.建模要基于元素的真實應用情景進行

在引導學生對元素知識進行建模的活動中，力求以真實的人類生活、生產(chǎn)活動和科學研究為載體，強化化學學科元素知識在真實情景中的遷移應用，這樣真實情景下的問題解決才能保護和提升學生對元素知識的學習興趣，而這種基于興趣的理性思維能力培養(yǎng)才是實用而高效的學習行為。中學教學中要引導學生將所學元素知識有效遷移到化工和制藥等工程制造中去，主動去發(fā)現(xiàn)真實情景下物質間的新變化，主動去理解真實情景下新物質的創(chuàng)造過程，以發(fā)展學生的模型認知等學科核心素養(yǎng)。

2.對模型的認知要堅持在遷移應用中內化

對元素知識的熱力學建模不是一蹴而就的事情。在多年的教學過程中，筆者發(fā)現(xiàn)學生基本上都能在6～8節(jié)課的時間習得元素化學的熱力學模型，學生課后也基本上都能推導出陌生氧化還原反應和復分解反應的產(chǎn)物或相關化學反應方程式。但是，隨著時間的推移，部分學生很快就遺忘了這種熱力學模型，問題的關鍵不是學生對這種熱力學模型的理解不到位，而是學生缺乏在一定時期內通過及時的遷移應用，將這種熱力學模型內化為自己的元素化學知識的理解，內化為化學學科知識綜合分析應用的能力。所以教師應該合理安排自己后續(xù)的教學內容，及時提供一些元素在化學工業(yè)中遷移應用的素材，給予學生以遷移應用與能力內化學習條件，從而替代反復背記化學方程式的元素化學教學策略[5]。

3.主題式教學流程在大概念下教學設計中的應用

在上述“變化與平衡觀”與陌生方程式推導（最后1課時）的教學活動設計中，教師采用了主題式教學方式（如圖4）。這種教學方式呼應高中新課程標準的要求和新教材的要求，吸收《中國高考評價體系》和《中國高考評價體系說明》的相關精神，為學生設置真實的生活情境，確定出核心問題，讓學生自主、合作、探究地解決問題，并配合評價反饋。如此，才能使基于大概念的教學設計真正發(fā)揮出應有的作用，實現(xiàn)中學教學的學業(yè)水平教學與升學教學的雙重功能。

圖4 主題式教學流程

4.在元素觀指引下元素性質的其他模塊知識的整合

元素觀是學生學科素養(yǎng)形成和發(fā)展的核心認識方式，是宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學精神與社會責任等學科核心素養(yǎng)得到發(fā)展的重要標志。對元素觀指引下的高三復習還應該包含以下幾個內容：（1）元素性質與相關實驗整合以發(fā)展學生的實驗觀。包括教材基礎實驗的喚醒與理解、對實驗技巧的整合與能力提升、有機物的制備實驗常見技巧和元素與化學實驗發(fā)展學生在實驗觀指引下的實驗設計等。（2）元素性質與物質的結構整合以發(fā)展學生的微粒觀。利用選修三“物質結構與性質”知識解釋元素的溶解性、熔沸點等物理性質，解釋物質的酸堿性、熱穩(wěn)定性等化學性質。（3）元素性質與工業(yè)應用相整合以發(fā)展學生的化學價值觀?；瘜W價值觀為化學情意類的基本觀念，包括贊賞化學、關注熱點、培養(yǎng)學生的責任感與使命感。它更能體現(xiàn)概念進階的特點，從教材中常見物質的化工應用到醫(yī)藥、環(huán)境等生產(chǎn)實際的學習，我們都應該貫穿并發(fā)展學生的化學價值觀。