基于核心素養背景下元素化合物轉化模型的建構與認知

◇ 浙江 吳錫植

1 研究背景

無機元素化合物性質及應用(簡稱元素化合物,下同)是中學化學學習的重要內容,它構成了中學化學知識的基礎和骨架,與化學基本理論、實驗、計算等有著緊密聯系．但元素化合物知識內容繁雜、零碎、分散,學生在一輪復習時效果較差,難以系統地掌握和應用．如何系統、高效地幫助學生完成元素化合物知識的整合，是中學化學教師一直關注和思考的問題．2016年9月教育部頒發了《普通高中化學課程標準(征求意見稿)》(簡稱“化學課標(意見稿)”,下同)，將化學學科核心素養劃分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”共五個維度．旨在讓學生通過自主探究、互相合作等多樣化的學習方式,形成并發展化學學科觀念、思維方式、科學探究能力,樹立和發展科學精神和價值觀．鑒于化學課標(意見稿)的要求,結合中學化學教學實際,筆者認為,基于化學學科核心素養背景下的元素化合物知識的復習有利于建構化學物質的認知模式．本文擬就核心素養中“證據推理與模型認知”維度結合模型建構的理論基礎,探尋中學化學元素化合物學習中常見的認知模型及建構路徑,幫助學生完成元素化合物知識的整合,促進學生化學核心素養的提高．

2 “證據推理與模型認知”的含義及聯系

化學課標(意見稿)對“證據推理與模型認知”的闡釋是:“具有證據意識,能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設,并通過分析推理加以證實或證偽;建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系;知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系,建立模型．能運用模型解釋化學現象,揭示現象的本質和規律”．

根據釋義,并結合文獻研究,對“證據推理與模型認知”可理解為:“基于證據的推理”和“基于模型的認知”,可將其拆分成證據、推理、模型、認知四個部分．中學化學學科的證據主要通過觀察和化學實驗獲得,基于證據進行分析推理,得到結論,并能合理解釋兩者間的關系;依據不同物質的性質,進行類比、歸納,并建構模型,用模型認知物質及其變化的一般規律,因此，證據、推理、模型、認知是相對獨立但又相輔相成的．

比如,在金屬鈉的性質學習中,通過觀察鈉與水、氧氣、氯氣、硫酸銅溶液等反應的實驗現象,對鈉的顏色、密度、熔點等物理性質以及化學性質推理分析,獲得相關知識．再通過實驗探究金屬鎂、鋁的理化性質．依據鈉、鎂、鋁三種活潑金屬的物理、化學性質,建構活潑金屬性質的一般模型(如圖1),并用模型思想分析其他活潑金屬(如鐵、鋅)的相關性質．一輪復習階段的學生已有元素化合物的知識儲備,通過實驗推斷元素化合物性質的過程本文不予贅述．

本文筆者將重點介紹如何引導學生建構元素化合物的認知模型,以及基于模型認知物質之間的轉化規律．

圖1

3 遷移學習——廣義知識加工理論指導下建構模型

3.1 廣義知識加工理論

認知心理學的廣義知識加工理論將知識劃分為陳述性知識、程序性知識．陳述性知識是指“是什么的知識”,即是了解學習內容和掌握其意義的知識,具體包括概念、規律、原則等;程序性知識是指“怎么用的知識”,即在遇到問題時有選擇地運用概念、規律、原則的知識．程序性知識的加工以掌握陳述性知識為必要條件,學習者通過遷移實現陳述性知識到程序性知識的轉化,進一步解決新情境中的問題．

3.2 三角轉化模型的建構過程

筆者在教學過程中,首先引導學生對已有的陳述性知識(即元素化合物知識)進行回顧,從氧化物、酸、堿、鹽四個維度概括了包含中學階段常見12種元素的不同類別物質(如表1)，再圍繞三角轉化主題對元素化合物知識進行深層次的加工．

表1 代表性元素的不同類別物質

1)以物質類別為主線

圖2

除含鋁化合物間的三角轉化外,常見的還有堿、酸式鹽、正鹽間的三角轉化(如圖3),其中,NaOH可用KOH、Ba(OH)2等可溶性強堿替代,CO2可用SO2、H2S等多元弱酸或溶于水能生成多元弱酸的化合物替代．其反應方程式基本一致,但實驗現象略有不同．

圖3

2)以氧化還原反應為主線

不同價態的鐵單質及化合物[Fe2+、Fe3+表示相應的亞鐵鹽、鐵鹽或對應的氧化物(如FeO、Fe2O3)、硫化物(FeS),下同]之間通過氧化還原反應規律建構起如圖4所示的三角轉化模型．

圖4

通過圖示可以發現,通過與較弱的氧化劑反應可實現Fe到Fe2+的轉化,而強氧化劑可將Fe、Fe2+氧化成Fe3+;溶液中Fe3+本身具較強的氧化性,可與還原性物質(如Fe、Cu、碘化物、可溶性硫化物)反應生成Fe2+;而Fe2+、Fe3+到Fe的轉化,除了用更活潑的金屬(如鋅、鋁)置換外,還可利用常見的熱還原劑(如H2、C、CO等)在高溫條件下還原金屬氧化物,冶煉得到Fe單質．利用氧化還原反應規律建構的鐵三角轉化圖示,在內容上基本涵蓋了鐵及其化合物之間的相互轉化;在認知上,三角轉化模型相較零碎的知識點更形象、易記憶．

通過兩條主線建構的典型三角轉化模型,學生腦海中搭建起物質轉化的框架,即接受、吸收和整合新知識并轉化為自身認知結構的一部分．再主動對其他元素化合物知識進行精細加工和知識重構,從而實現元素化合物知識的融會貫通．在教學過程中,學生在熟練掌握復分解反應和氧化還原反應規律的基礎上,經過教師的指導，自主建構了如圖5所示的其他常見元素及其化合物的三角轉化模型,實現了知識的遷移學習．

圖5

3.3 連續轉化模型的建構

學生在建構三角轉化模型的過程中,發現有一類物質較為特殊,它們能連續與相同的單質或化合物反應,如物質A能與E反應生成B,B能繼續與E反應生成C．通過思考、討論和遷移,歸納了若干常見的連續轉化模型．

1) 連續轉化型

a)化合價不變型

多元弱酸或其酸酐與堿反應,產物與反應物的量有關,堿過量時生成正鹽,堿不足時生成酸式鹽,酸式鹽又能繼續和堿反應生成正鹽．符合規律的可以是H2CO3、H2SO3、H2S與堿的反應.

b)化合價變化型

氧化還原反應中,低價態的單質或化合物能被氧化成高價態化合物,而連續氧化則要求變價元素應多于兩種化合價．符合多價態且能被氧氣連續氧化的,可以是含C、S、N元素的單質或化合物之間的轉化．

2)其他轉化型

鐵元素是中學階段重要的變價元素,連續轉化規律在鐵三角模型中已體現,不予贅述．常見的連續轉化包含兩種:

實際上,除以上幾種轉化模型外,還可建構其他特征模型來認知元素化合物,如氧化還原型離子方程式的書寫模型(利用化學模型提升學生解決問題的能力)、金屬冶煉模型等．引導學生對陳述性知識進行二次加工,建構合理的化學模型,并以模型為基礎記憶元素化合物、理解轉化規律,形成程序性知識,可以達到事半功倍的效果,有利于學生發散思維的形成,舉一反三,真正做到“活學活用”．

4 主動學習——人本主義理論對教學的啟示

馬斯洛和羅杰斯提出的人本主義學習理論認為:學習是一個情感與認知相結合的整個精神世界的活動,是學習者精神世界中不可分割的部分,在學習過程中的高峰體驗(嘗試成功的感覺)可以給學習者帶來更美好的體驗．該理論強調學習是學習者探究知識、發展智力并獲得技能,學會與周圍成員交流,闡明觀點和態度,激發自身潛能的過程．

從情感上來說,學生在建構元素化合物模型過程中,發現并沒有想象的那么難,通過努力能達到預期目標,獲得了極大的成就感,因而激發了學生的學習興趣,從內心深處對學習產生了主動需要,心理上實現從“要我學”到“我要學”甚至“我愛學”的轉變．

從教學上來說,教師教學的重點不只是在教學內容和教學過程的準備上,更重要的是為學生提供學習的方法和手段,讓學生積極搜索信息,在閱讀、理解、思考、討論、小結的過程中提高各種能力,教師的教學行為應重引導、輕填充．在元素化合物知識的復習中,教師不應簡單重復舊知,而要引導學生用分析、推理等方法認識研究元素化合物轉化的本質特征、構成要素及相互關系,建立認知模型,高效地完成學習目標．