基于建構認知模型的元素化學教學策略與實踐

蔣小鋼

摘要： 元素化學是中學化學最基本的知識構成，承載著培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的重要作用。人對事物的認知，常常是根據(jù)模型來進行的。有了認知模型，就能減少對新事物認知的時間和構建新模型的時間。建構有效的認知模型，可以極大地提高學習效率、學習質量和學習能力。對元素化學教學中建構認知模型的策略問題做了一些探討和實踐。

關鍵詞： 元素化學教學; 化學核心素養(yǎng); 建構認知模型; 知識結構化

文章編號： 1005-6629（2020）11-0027-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題的提出

元素化學對培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)承載著不可或缺的重要功能與價值。其中，如何挖掘和落實“模型建構”的思想方法，是元素化學教學中容易被忽視的問題，導致實踐中存在一些認知偏差。

目前，在元素化學的教學中，無論是常態(tài)課還是觀摩課、示范課，不論是采用傳統(tǒng)教學方法，還是采用形式新穎的“項目式學習法”和“單元教學法”，教學中心和重點基本上都是圍繞如何幫助學生建構和講解元素的“價-類”二維圖展開。實踐證明，“價-類”二維圖是學習元素化學的一種有效模型。但是，應該清醒地認識到，“價-類”二維圖畢竟只是學習物質化學性質的一種有效模型，元素化學無論是其知識內容，還是所蘊含的學科思想方法都是非常豐富的，教學中若僅限于建構元素的“價-類”二維圖，顯然不能完全體現(xiàn)元素化學的教育功能和價值。那么，在元素化學的教學中，有哪些常用的認知模型對提高學生的學習效益、學習質量和學習能力具有重要的教育價值呢？如何才能有效地幫助學生建構這些重要的認知模型呢？下面，就這兩個問題做一些探討。

2? 模型建構在元素化學學習中的功能與價值

元素化合物知識是指元素的單質及其常見化合物的組成、結構、主要物理及化學性質、制備、用途和存在的描述性知識，是高中化學的基本知識構成，為學生建構化學核心素養(yǎng)奠定厚實的基礎。認知模型的建構，在元素化學的學習中具有重要的學習功能與應用價值，這是由元素化學的知識特點、學習要求和模型建構的功能共同決定的。

2.1? 高中元素化學的教學要求與功能

高中化學課程標準（2017年版）對元素化學的學習提出了明確的要求。其中，課程標強調[1]： （1）能正確認識元素與物質的關系。通過學習認識到元素可以組成不同種類的物質，根據(jù)物質的組成和性質能夠對物質進行分類，建立“元素觀”和物質的“分類觀”。通過學習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，深刻認識到一定條件下各類物質可以相互轉化，從而建立起物質的“變化觀”。元素觀、分類觀和變化觀都是化學科學的基本觀念[2]。通過學習能夠認識到物質中的元素都具有一定的化合價，且同種元素在不同的物質中可以具有不同的價態(tài)。能依據(jù)物質類別和元素價態(tài)列舉某種元素的典型代表物。（2）能正確認識元素化合價變化與化學反應的關系。通過學習認識到，反應前后有化合價變化的反應是氧化還原反應。通過氧化還原反應，可以實現(xiàn)同種元素不同價態(tài)的物質之間的相互轉化，轉化過程中的元素質量守恒、電子得失守恒，進而形成從元素化合價的視角觀察物質組成和變化的習慣。（3）認識一些常見的物質。能夠例舉、描述、辨識典型物質重要的物理和化學性質及實驗現(xiàn)象，了解這些物質在生產、生活中的應用，進而正確認識物質性質及物質轉化的價值。能利用典型代表物的性質和反應，設計常見物質制備、分離、提純、檢驗等簡單任務的方案。能根據(jù)物質的性質說明妥善保存、合理使用化學品的常見方法。（4）深刻認識研究物質的方法與程序。能從物質類別、元素價態(tài)的角度，預測物質的化學性質和變化，設計實驗進行初步驗證，并能分析、解釋有關實驗現(xiàn)象。

元素化學同時也是中學化學其他所有板塊知識的載體。元素化學可以為化學其他板塊的學習提供豐富的感性素材，可以與化學所有板塊的知識融合起來考查學生的化學學科素養(yǎng)，這是元素化學學習的另一個難點。近幾年高考中，基于真實工業(yè)生產、生活或科研情境的元素化學的綜合考查，在學科思想、學科方法和學科思維上都較大程度地超越了傳統(tǒng)考查力度，涉及的化學反應情形更復雜。此外，高中元素化學知識具有“繁”“亂”“難”“雜”的特點，學習中容易產生知識零散、雜亂無章、不易整理和記憶的困難，是高中化學學習的重要分化點之一。因此，只有不斷改進教與學的模式才能適應高考的這種變化。

2.2? 元素化學教學中模型建構的意義

培養(yǎng)學生化學模型的認知能力，是高中化學核心素養(yǎng)的重要組成部分，在高中化學各板塊知識的學習中都有重要的應用價值。例如，“化學反應與能量轉化”專題中，建構起蓋斯定律模型，能有效幫助學生深刻認識化學反應中物質能量守恒問題;建構起原電池的構造與工作原理模型，能有效幫助學生應對新型復雜電池的構造和工作原理的問題。建構起可逆反應體系的化學平衡模型，就能將所有可逆的化學過程問題（電離平衡、水解平衡、沉淀溶解平衡、氧化還原平衡和絡合平衡等）納入其中進行研究，從定性和定量兩個視角，建立起統(tǒng)一的化學平衡的思維模型。

建構認知模型，在元素化學的學習中同樣具有重要的意義。例如，建構元素與物質之間聯(lián)系的模型，能夠幫助學生把有限的元素與眾多的物質關聯(lián)起來，加深對元素與物質內在聯(lián)系的認識;建構研究物質內涵的模型，能夠幫助學生形成有序的思維線索和結構化的知識體系，快速明確物質研究的方向;建構物質研究方法與程序的模型，能夠幫助學生明確物質研究的具體方法和形成物質研究的思維程序，提升科學探究的能力和素養(yǎng);建構研究物質轉化的模型，能夠有效幫助學生形成觀察物質化學反應的維度和視角，快速預測物質可能具有的化學性質，減少實驗探究的盲目性。此外，還有建構研究物質制備的模型、元素化學的價值模型等。總之，建構有效的元素化學的認知模型，能夠幫助學生形成結構化的知識體系、條理化的思維線索、熟練化的基本技能、顯性化的抽象概念和可視化的學科方法;能夠幫助學生減少對新物質認知的時間和構建新模型的時間，可以極大地提高學習效率、學習質量和學習能力，對于化學基本觀念和學科素養(yǎng)的形成很有意義。

3? 核心素養(yǎng)視域下元素化學認知模型的建構

元素化學蘊含著豐富的知識、技能和學科思想方法，以及化學基本觀念等教育價值[3]。通過建構認知模型，可以有效地幫助學生解決學習中的實際困難，更好地達成學習目標，助力培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)。根據(jù)元素化學中不同知識的特點，可以建構起不同的認知模型。

3.1? 幫助學生建立從元素的視角認識物質世界

原子和分子都是構成物質的微觀粒子。在神奇的化學世界里，學生對物質的認識是從原子、分子開始的。隨著認識的深入，學生又知道了物質是由元素組成的，元素是形形色色物質的基本組成成分。但是，對于豐富多彩的物質世界，這些物質是如何組成的？如何對數(shù)量巨大、種類繁多的物質進行分類？以及各類物質之間具有怎樣的關系？學生對這些問題都存在很多疑惑。

物質與元素是元素化學知識體系中最基本的兩個要素，是元素化學所有知識的出發(fā)點和歸宿，兩者密不可分。高中必修1學習的元素種類多，而每種元素涉及的單質和化合物的種類更是數(shù)量巨大。面對如此繁多的物質，如何有效地幫助學生建立起一種元素及其常見物質之間的關聯(lián)，是學好元素化學、落實“元素觀”和“分類觀”等化學基本觀念的起始點和關鍵點。要讓學生深刻認識到任何物質都是由一種或幾種元素組成的，元素是組成物質的最基本單元，一種或幾種元素可以組成一種物質或多種物質。進而讓學生了解什么是單質和化合物;知道元素的存在形態(tài)有游離態(tài)和化合態(tài);認識化合物中元素都有一定的化合價，同種元素在不同化合物中可能呈現(xiàn)不同的化合價。在此基礎上，幫助學生建構起元素與組成物質之間的關系模型，如圖1所示。

教學中，在學習某種元素時，必須有意識逐步培養(yǎng)學生從物質分類或化合價變化的思維視角，有序、熟練地列舉出該元素常見單質和化合物的化學式，幫助學生建立起元素與具體物質之間的有效映射關系，形成另一類元素與物質關聯(lián)的模型。如，以元素的類別為線索，建構元素與物質的關系模型，如圖2所示。

也可以用元素的化合價為線索，進行建構元素與物質的另一種關聯(lián)模型，如圖3的示例元素所示。

這些模型的建構，可以使學生進一步認識元素與物質的關系，豐富學生對物質世界的認知。同時，也為學習物質化學性質的“價—類”二維模型奠定基礎。

3.2? 幫助學生明確化學研究物質的具體方向

對自然界中物質的研究不是化學學科獨有的。不同的學科對物質研究的內涵不同，視角和層次也不同。化學是在原子、分子的水平上認識物質、創(chuàng)造物質的一門自然科學[4]。那么，化學認識物質、研究物質時，究竟要探究它哪些方面的奧秘？這也是學生在學習元素常見單質及其化合物時首先必須面對的問題。在學習中幫助學生建立起化學研究物質的具體內容和方向的知識模型，可以大大地縮短探索學習新物質的時間，形成結構化的知識體系，便于記憶和應用，從而極大地提

高學習效率和學習能力。化學對物質研究的方向如圖4所示。

通過學習，使學生對化學研究物質的認識得到不斷鞏固和加深，最終形成熟練的、自動化的思維模型，并能自如遷移應用于陌生物質的研究中。需要強調的是，這種對物質的研究模型不但適合無機物的學習，同樣也適合于典型有機物的學習，如甲烷、乙烯、苯、乙醇、乙醛、乙酸等。

3.3? 幫助學生建立研究物質性質和轉化的視角

元素化學研究的核心問題是物質的性質、制備和應用。因物質種類繁多、反應條件復雜，有些物質還因發(fā)生化學反應的條件、數(shù)量或濃度的不同，發(fā)生反應的情形也會不同。因此，研究和歸納物質發(fā)生化學反應的規(guī)律也是學生學習的難點所在。

元素化學的“價—類”二維模型，可以培養(yǎng)學生形成觀察和分析物質化學性質的兩個視角，即從元素的化合價和物質的類屬通性兩個維度，對物質的化學性質進行分類、比較和遷移學習。通過一些常見單質及其化合物性質的學習，歸納、積累起各類物質化學通性的感性認識和經驗，進而可以遷移應用到陌生物質的學習中，解決真實情景中的元素化學問題[5]。

從另一個視角看，中學階段學生涉及的絕大多數(shù)化學反應，都是有電解質參與的、在水溶液中進行的，即為離子反應。因此，研究物質的化學性質除了“價-類”二維模型外，還應從離子反應的視角，掌握離子反應的相關規(guī)律。綜上所述，分析物質的性質及其轉化的視角如圖5所示。

值得注意的是，在具體物質的學習中，常常還會遇到一些物質，如硫酸、硝酸、二氧化硫、二氧化硅、鋁、鐵等，它們在一定條件下發(fā)生的化學反應比較特殊，不能用物質類屬通性和氧化還原反應原理進行分析說明，屬于這些物質的特性。因此，在推測分析物質化學性質時，應適當加以關注。

3.4? 幫助學生搭建化學制備物質的思維模型

物質的制備是元素化學的重要知識構成之一。其中，氣體的制備是學習中最常遇到的知識要點。比如，實驗室制備氫氣、氧氣、氯氣、二氧化碳、氨氣、二氧化硫等。通過學習典型氣體物質的制備方法，逐步幫助學生有效建構起實驗室制備物質的研究模型，讓學生熟知物質制備會涉及哪些方面的問題？應從哪些方面進行分析思考？應掌握哪些相關的知識、技能和方法？氣體制備涉及的知識結構如圖6所示。

學生建立起物質的制備模型后，就有了制備物質的思維框架。對于不同的具體物質，可以根據(jù)其不同的性質，采用具體不同的方法進行制備。對于制備框架中每一個環(huán)節(jié)涉及的具體問題，可以根據(jù)具體情況和要求做進一步深入細致的分析。

3.5? 幫助學生形成定性與定量相結合分析化學反應的思維方法

研究物質的化學性質，是元素化學的核心任務。對于某一化學反應，反應物的物質的量之間的關系，是研究一個化學反應的重要變量。否則，盲目地去討論一個化學反應的結果則顯得毫無意義。當反應條件一定時，反應物的物質的量之比不同，反應產物也可能不同。例如二氧化碳與氫氧化鈉溶液的反應、氯氣與溴化亞鐵溶液的反應等。因此，對于一些重要、復雜的化學反應，培養(yǎng)學生養(yǎng)成從定性和定量的視角，多個層次去分析反應情形的思維習慣[6]，對于突破學習難點，以及應用所學知識去解決真實情境下的化學問題、提升化學學科素養(yǎng)都是非常有益的。這樣的反應情形，在紛繁復雜的物質世界里非常常見的。這里僅以鐵與硝酸反應為例加以說明，如圖7所示。

4? 結語

元素化學是中學化學的重要學習內容，蘊含著豐富的化學學科思想和思維方法，是培養(yǎng)化學核心素養(yǎng)的重要載體。實踐表明，元素化學的學習存在諸多困難，尤其是高中起始年級的學生。教學中應針對元素化學不同的知識結構和特點，從多個層次、多個視角及時幫助學生建構起豐富多樣、具體有效的認知模型。如圖8所示。

有了這些模型，所學的元素可以不同、物質可以不同、物質的性質也可以不同，但學習元素化學的思維方法卻相同，還可以幫助學生形成元素化學結構化的知識系統(tǒng)，并以此作為學習支架去解決元素化學的其他未知的實際問題。這對于突破學習困難、增強學習信心和提升思維品質無疑都是非常重要的。

參考文獻：

[1][4]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]畢華林， 盧巍. 化學基本觀念的內涵及其教學價值[J]. 中學化學教學參考， 2011， （6）： 3～6.

[3]宋心琦. 課程標準高中化學（必修）元素化學教學之我見[J]. 化學教學， 2012， （3）： 3～7.

[5]何彩霞. 引導學生從元素視角認識物質及其轉化——以“金屬及其化合物”教學為例[J]. 化學教學， 2013， （9）： 27～29.

[6]吳星. 高中化學核心素養(yǎng)的建構視角[J]. 化學教學， 2017， （2）： 3～7.