類比思維在元素化合物學習中的價值和實現

王新文

摘 要：針對高一學生元素化合物學習中方法僵硬且記不住記不準的實際困難，結合高一學生化合物知識的學習起點，運用類比思維，引導學生自主建構學習內容，可使元素化合物學習中的核心問題得到有效解決，學生的解題能力獲得有效提升，也有助于學習方式的改變。

關鍵詞：類比思維；元素化合物；教材；實踐

元素與化合物知識是整個中學化學知識體系的基礎，是建立與應用化學理論知識的重要載體。高中階段元素化合物知識集中在人教版《化學》必修①，由于高一新生儲存的物質信息不僅零散還相當有限，僅具備初步應用初中所學常見物質的能力，所以必修①第三、四章的元素化合物知識的教學一方面要促成學生完成知識積累，為概念形成建立例證（依據），為原理知識建立支撐；另一方面要幫助學生掌握認知物質性質的思維推理的基本方法，培養建構物質性質等的初步能力。類比思維恰是學生知識積累及學習新知的有效方法，即學生通過自主思考、推理并建構新物質性質等的類比過程，進而達到記住、記準化合物間轉化知識并習得持續學習的方法。

一、類比思維的含義

類比思維，是指根據兩個或兩類對象之間在某些方面的相同或相似，從而推出它們在其他方面也可能相同或相似的邏輯思維方法。作為一種思維或邏輯推理的方式，類比是在兩個或兩類特殊事物之間進行的，它既不同于從特殊到一般的歸納方法，也不同于從特殊到特殊的一種獨特的方法。歸納必須在分析研究大量特殊事物的基礎上才能進行。演繹又依賴于歸納，也必須在從大量特殊事物中抽象出來的普遍原理上才能進行。如果事例太少，就難以進行歸納和推理。而類比則是在兩個特殊事物之間進行分析和比較，因此它可以在科學資料積累水平較低，還不具備進行歸納和演繹的條件下進行，是一種頗有用處的方法[1]。

二、類比思維是同化物質性質的有效方法

（一）類比能有效獲取物質性質

如你認為Na2O的化學性質和Fe2O3、CuO、Al2O3、CaO中“誰”的性質最為相近，陳述你的理由，并概括出Na2O的化學性質。引導學生基于對金屬還原性順序更精確地把握氧化物的性質，即鉀、鈣、鈉是“非?；顫姟钡慕饘?，那么把CaO的化學性質遷移至Na2O更合理。學生既得到了Na2O的性質，還從方法上獲得了知識合理“擴容”的途徑。有了這種推理思維意識就不會對探究Al2O3、Al（OH）3和強堿溶液的反應感到突兀，因為鋁就能和強堿溶液反應（元素與物質），也不會盲目對Fe2O3和NaOH溶液是否反應產生“質疑”。這樣的類比切近學生認知物質性質的能力，又能有效避開枝蔓知識，提高了“記住”“記準”的精確度。

對金屬活潑性形成精細分類正是教材內隱的知識，體現為Na、Al、Fe性質的橫向對比學習，所以類比學習也是貼近教材意圖的方式。將物質“細化”認知的主觀思維能力越強，分類思維就越自覺，而且分類的價值就越高。

（二）“以類而比”要注重漸進性

細化分類建立物質性質是將認知從“有限”推向“無限”的有效方法，然而高一新生對物質性質基本是以“個案”存儲的，從“個案”認知到“類”認知要先建立“類”認知基礎，以類而比才有可行性。如圖1中從較熟悉的Zn、CuO、Cu（OH）2的性質以此建立起Al、Al2O3、Al（OH）3的性質，有了“鋁系”（鋁及其化合物，下同）基礎即可類比學習“鐵系”。類比要注重對類比對象的“固定”，實驗是幫助學生固定認知的重要手段。如稀鹽酸“打磨”鋁膜實驗能幫助學生對金屬氧化物能和酸反應形成肯定認識，再去認知FexOy的性質就很果斷。若從CuO推理Al2O3再推理FexOy的性質，不僅學習難度大、枯燥且容易出錯。圖中堿性氧化物意指從和哪些物質間的反應建立對它們性質的規律認知，并非是要拋給學生的概念。

其實教材也非常注重對“以類而比”的方法引導，比如人教版《化學》必修①P70習題7就是類比構建“銅系”的例子。學生將物質性質“張冠李戴”的實質是認知不固定的“拋錨”現象，基本認知不牢靠，越學越多必然導致越多越亂。

三、類比思維是掌握物質制備的有效策略

物質制備是元素化合物學習的重要內容，高一新生對物質制備的系統知識相當匱乏，如何引導學生觸類旁通，需對Al（OH）3制備進行精心教學設計。圖2是以開啟學生智慧為目的，以Al（OH）3實驗室制備為主題的教學設計，教學以原理選擇、方案探索為兩個主要過程，先根據學生基礎對物質制備知識做了必要的修齊補足，然后通過實驗演示，以“發現問題→依理再究→獲得結論”為主線，組織學生主動建構物質制備分析方法和相關知識，并為類比思考Fe（OH）2的制備進行了預設。

依理再究是對因Al（OH）3會溶于NaOH就提出用氨水替代NaOH的理性思維不足的再探討。不足主要表現為易使學生形成“物質制備需要反應物100%轉化為生成物”的觀念，沒有解決當n（Al3+）∶n（OH-）=1∶3時為什么不能制備Al（OH）3的困惑。要使圖2中0.9mol/LAl2（SO4）3（近飽和濃度）生成約0.1molAl（OH）3沉淀，雖然只要控制V[NaOH（aq）]=108mL即可，但要規避Al（OH）3和OH-“見面”，就需采取“滴加”“攪拌、振蕩”“沿器壁滴入”等措施，要滴入兩千多滴NaOH溶液（滴管一滴約0.05mL），學生很容易體會到操作的“不便”和“不易”（0.1mol Al（OH）3是實驗室制備的現實問題）。“反滴實驗”（Al2（SO4）3滴入NaOH溶液）既使學生從實驗“看到”反應之快，進一步感悟到“滴加”仍可能造成Al（OH）3溶解（因NaOH溶液濃度較大）。至此，經過用氨水替代NaOH溶液的實驗實踐，深刻理解選擇通入氨氣既方便快捷還確保了鋁元素的轉化率。

物質制備的類比重在思維方法的類比，具體在原理選擇、問題與改進、操作分析等環節。圍繞氫氧化鋁制備中“問題”的理性思考，抓住關鍵原理，改進操作、試劑、儀器等具體問題，無疑引導了學生的思維方向和思維方法，也提升了物質制備的設計、分析能力。

四、類比思維是培養問題解決能力的有效途徑

（一）類比思維構建怎么學

FeCl2和FeCl3展現了多價態鐵元素的“實體”，二者間的轉化途徑是掌握同種元素不同價之間轉化規律原理的“具體知識”，即Fe2+和Fe3+間轉化思維是構建不同價非金屬元素（第四章）化合物間轉化途徑的基礎。單質、氧化物、堿、鹽是金屬及其化合物學習的主要內容，類比可知非金屬及其化合物應以單質、氫化物、氧化物、酸、鹽為主要學習內容，再從鐵的化合物比鋁的化合物多了一組氧化物、堿和鹽是因鐵的變價，便知只要抓住非金屬“價多”特點就很容易厘清非金屬及其化合物的學習脈絡。再從學習方法看，圖3所示的鐵及其化合物在轉化中體現出的“橫向酸堿縱氧還”的規律，不也是非金屬及其化合物轉化的“范例”嗎，可以說硫、氮、氯及它們的化合物均可仿照鐵及其化合物的圖“擺放”，并從“橫”“縱”研究物質間轉化方式及性質、應用。從Fe（OH）2制備中的“問題”很自然就轉向了Fe2+和Fe3+間轉化規律及實現途徑的探究，學生所獲思維方式和能力又得以在非金屬部分得到應用、鞏固和深化，如從酸雨轉向正四價硫和正六價硫，進而引導學生學習方式的改變和學習能力的提升。

比較、類比是獲得新知的重要舉措，隨著學習的深入，對物質間轉化若輔以圖4進行再梳理，那么學生記憶復雜轉化關系的精度又會再上一個臺階。類比思維的應用能有效開啟、激發學生自己的智慧。

物質間轉換隱含著形式的、宏觀的、微觀的、原理的諸多規律，適時引導學生進行整理歸納能啟迪學生琢磨記憶的“竅門”，如圖4中隱藏的轉換中的數量關系（所加物質間存在n（H+）=n（OH-）、n（e-）得= n（e-）失的內在聯系），這些思考更有利于學生將非金屬知識學得更快、更好、更輕松。

（二）類比思維構建解題策略

圖4中NaOH和CO2、AlCl3和NaOH間的反應關系為學生提供了理解“少量”“過量”及掌握典型計算題型的典型載體。圖5展示了此類計算題的基本計算思路及建立教學的主要環節。

基于Al3+和OH-反應計算問題的解決策略，可以更換載體，通過學生模仿解決OH-和CO2的計算問題，促使學生習得應有解題技能。從原理、規律、方法等方面審視“型似”知識并獲取相關結論對學生自主建構也有積極的意義。OH-和CO2的圖像從建立坐標系到畫圖顯然是要復雜些，具體見圖6。

圖像是通過對反應過程中兩種變量之間數量對應關系的描述，形成的反映物質變化趨勢、關系及幅度等特點的線段及其組合，它以“數”和“型”相結合的形式揭示了反應所遵循的原理規律。故既可以根據反應的原理作出相應的圖像，也可以根據圖像推理得出物質反應的原理。識圖能力反映了學生思維敏捷性、思維品質、信息獲取與加工等學科素養，而作圖無疑有助于掌握識圖的關鍵，圖5、圖6的繪制過程對學生深度理解并體會“少量”“過量”的含義，“數量”與“物質”間的對應關系，微粒此消彼長的本質等作用巨大。圖像正日益成為深度學習的重要途徑和內容，和圖6類似的圖像近年在各級試題中屢屢出現。本章還有很多解題技能可以通過類比思維實現，鑒于篇幅不再贅述。

運用類比思維學習元素化合物是教材使用的深度感悟。從類比的視角看教材可以發現，鈉的化合物間主要是和酸堿的轉化，而鐵多了氧化還原思維；從鐵到非金屬化合物，看似還是“橫向酸堿縱氧還”的內容，但元素的化合價更豐富，物質具體形態更多，轉化關系也更多，氧化還原性的強弱隨溫度、濃度等因素影響（如鈍化、銅和濃、稀硝酸反應）又增加了氧化還原思維應用的深度等?？梢?，類比思維不是思維的簡單復制粘貼，它隱含著思維的比對和比對中的深化。這是類比思維教學引導中需要啟迪學生關注的，也是需要學生感悟并掌握的。

參考文獻：

[1]王祖浩.化學中的類比思維 [EB/OL]. [2016-11-25].http：//www.cqvip.com/read/read.aspx？id=25421079.