核心素養視域下促進學生化學基本觀念建構與發展的探索與實踐

沈潔

摘要：在核心素養導向的新課改理念指引下，以金屬鐵、鋁及其化合物專題復習為例，倡導立足學情，依據課標，創設真實問題情境。以分類觀、物質觀、結構觀、變化觀為觀念統攝，通過引導學生建構及應用價—類二維模型圖，發展化學基本觀念，培育高階思維，提高問題解決能力，有效落實學科核心素養目標。

關鍵詞：核心素養;化學基本觀念;價—類二維圖

文章編號：1008-0546（2022）08-0002-05?? 中圖分類號：G632.41?? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.001

一、問題的提出

元素化合物知識不僅是中學化學教學的重要內容，也是學習化學原理和化學實驗的載體，更是發展化學基本觀念、培育化學核心素養的支柱。但這部分知識“散、繁、多”，學生易學難記，或記住了也不善用，尤其在碰到陌生情境的問題時無從下手。這是由于新授課時，教師往往就事論事，主要從知識點層面研究具體物質的結構、性質、用途;學生往往被動觀察描述實驗現象、機械記憶方程式。復習課時，教師通常采取復習化學方程式、刷題訓練的簡單模式，重難點不夠突出;學生通常盲目做題、沒有形成系統結構化的知識網絡。要想解決這種現狀，迫切需要找到一種適合學生學及教師教的更有效的策略。

通過檢閱文獻發現，自上世紀80年代初，就有學者對元素化合物教學進行系列研究。筆者在中國知網共可檢索到1722篇以“元素化合物教學”為主題的文獻。關于其教學策略，姜言霞[1]等人提出基于物質和基于轉化兩種策略;黃劼[2]依托化學基本觀念，結合實際教學案例，分析闡述了元素觀、分類觀、轉化觀等在復習課中的指導作用;黃海云[3]等人開展了以價-類二維圖為工具的教學初探。這些教學理念及實踐，都為后續研究提供了有益參考。但也存在如下亟待優化之處：一是大部分情境選自實驗流程圖，雖有利于學生提高解題能力，但以習題形式未免降低學生的學習興趣，造成復習課的單一枯燥，無法聚焦核心素養的培育和充分展現元素化合物的轉化關系和觀念建構;二是課堂未能充分發揮學生的主體作用;三是比較純粹地從教授層面梳理呈現元素化合物的價—類二維圖，對中上學力水平學生而言偏簡單，或是設置完全陌生的情境，事先未做好鋪墊，對中下水平學生而言偏復雜。

鑒于此，如何在元素化合物復習課中減少學生對事實性知識的機械記憶以實現觀念統攝、能力發展，就要求廣大教師在核心素養導向的新課程背景下，積極轉變教學觀念，改進教學策略，培養學生從化學基本觀念統攝建構的角度認識物質及其轉化關系，并學以致用解決陌生情境下的復雜問題，進而實現知識結構化、學習深度化、能力發展化。筆者以“金屬鐵、鋁及其化合物專題”復習課為例，說明如何優化教學達成前述目標的。

二、教學設計思想與授課思路

1.教學設計思想

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》倡導創設真實問題情境，建議教師結合真實情境中的應用實例或通過實驗探究，了解金屬及其重要化合物的主要性質及其在生活生產中的應用[4]。基于此，筆者一直在探尋適合的情境素材。新課標在本主題給出“補鐵劑”“實驗室中 FeSO4的保存與使用”“菠菜中鐵元素的檢驗”[4]等素材，經審思，選擇“菠菜中鐵元素的檢驗”。菠菜可補鐵，鐵鍋炒菜亦能補鐵，故不提倡使用鋁鍋，極其自然地將本節課的主要研究內容：鐵、鋁及其化合物聯系在一起。菠菜中的 FeC2O4作為陌生物質能很好激發學生的探究興趣，探究環節進行的結論預測、方案設計、實驗驗證、現象分析、交流評價等活動也能有效落實化學核心素養目標，故用它來創設一系列真實情境非常合適。經研究，決定采用“建構模型、應用模型、遷移模型”的教學思路來引導學生完成金屬鐵、鋁及其化合物的深度復習。“價—類”圖作為元素化合物的重要學習工具，有其認識化學物質的特有視角：元素價態和物質類別，既符合新課標對常見無機物及其應用“能從物質類別、元素價態的角度，依據復分解反應和氧化還原反應原理，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、解釋有關實驗現象”[4]的學業要求，促進學生發展元素觀、分類觀、轉化觀等化學基本觀念，又能很好地落實“證據推理與模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養目標。

2.教學活動流程

本節專題復習課圍繞含鋁、含鐵物質的核心知識，以學科核心素養的落實為目標創設真實問題情境，突顯化學基本觀念，促進學生實現知識結構化、學習深度化、能力發展化。設計流程如圖1所示。

3.教學目標

（1）通過探究過程，從物質類別及價態角度認識鋁、鐵及其化合物的重要性質及轉化關系，初步建立價—類二維圖模型。

（2）會應用價—類二維圖分析生產生活和深度學習中遇到的有關化學問題，體會用模型解決問題的一般方法。

（3）通過探究菠菜可補鐵、鐵鍋炒菜亦能補鐵，故不提倡使用鋁鍋等生活情境，感受化學對生活、生產的價值，增強社會責任感。

三、教學過程

環節1：模型建構——探尋鋁及其化合物之間的轉化關系

【教師引入】金屬及其材料在人類文明進步和社會發展中起著至關重要的作用。學習時，因知識點繁雜，易學難記，如何按照一定方法進行結構化處理呢？這堂課通過討論，將從不同視角探究元素化合物的復習方法，幫助同學們更好地建構知識結構體系。

【學生活動1】回顧鋁及其化合物的重要性質，用分類法進行歸納并填入表1。

設計意圖：開門見山，明晰學習主題和目標。通過表格分類法對鋁及其化合物進行簡單回顧與梳理，加深印象，為學生后續繪制轉化關系圖做好鋪墊。【任務驅動1】結合上述表格信息，嘗試完成各物質間的轉化關系圖，完成后小組討論。

【學生活動2】自主建構轉化關系圖，通過希沃投屏呈現結果并交流完善，得到圖2、圖3。

設計意圖：通過學生繪制并點評鋁及其化合物的轉化關系圖，增強課堂開放性，充分體現學生的主體性，建立物質轉化觀，使其逐漸形成結構化的知識體系，為后續建構價—類二維圖模型作鋪墊。

【問題驅動1】說明建構上述轉化關系圖的依據和方法。

【學生回答】物質性質、類別等。

【教師評價】同一元素可以組成不同類別的物質，同種類別的物質性質相似，不同類別的物質在一定條件下能夠發生相互轉化，這是同學們的轉化關系圖表達出的信息。通過高中的學習，我們知道元素化合價的改變可通過氧化還原反應來實現。能否用一張圖，既能從物質類別，又能從元素價態的角度表達元素化合物的轉化關系？答案是肯定的。

【教師講解】價—類二維圖的概念及繪制方法：橫坐標表示元素形成的物質類別，通常以單質、氧化物、氫氧化物、鹽等順序依次排列，縱坐標為核心元素的價態，通常按照由低到高的順序依次排列，以物質的化學式為點，將各物質間的轉化以箭頭形式連接表達出。

【任務驅動2】在上述兩張轉化關系圖的基礎上，嘗試繪制鋁的價—類二維圖，小組討論完成。

【學生活動3】自主建構鋁的價—類二維圖，通過希沃投屏呈現結果并交流完善，得到圖4。

設計意圖：教師基于對學生的轉化圖的評析，讓學生體會分析物質性質的兩個認知維度：物質類別和價態，進而建構價—類二維圖模型。整個環節層層遞進，認識思路富有邏輯，不僅利于學生對含鋁物質形成系統性、結構化的認識，通過建模，還促進學生分類觀、元素觀、轉化觀等化學基本觀念的形成，使知識更具素養價值。此環節旨在培育學生“微觀探析”“模型認知”“變化觀念與平衡思想”等素養。

環節2：模型應用——解決真實情境下鋁元素的相關問題

【問題驅動2】日常生活中，高壓鍋（鋁制）省時節能，廣泛用來燉煮食物，但有嚴格保養要求：不能用鋼絲球等磨損物擦洗，避免接觸酸性或堿性物質，請同學們結合價—類二維圖予以解釋。

【學生回答】高壓鍋主要由鋁制成，在空氣中易氧化，表面形成一層致密氧化膜（Al2O3），但如果用鋼絲球等磨損物擦洗，會破壞氧化膜，造成內部腐蝕。若接觸酸性或堿性物質，氧化膜會和其發生化學反應，導致內部的鋁也發生腐蝕。

【資料卡片1】因醫學發展，逐漸認識到鋁的危害性。1989年，世衛組織將其確立為食品污染物。人體含太多鋁元素時，會影響腸道吸收鈣、鐵、磷等元素。近年來，還發現鋁攝入過多會加速衰老，也更易患老年癡呆癥。

【問題驅動3】這里被人體吸入體內的鋁，以什么形式存在？

【學生回答】Al 或Al2O3與酸溶液反應產生的Al3+或與堿溶液反應產生的AlO2（-）。

【教師評價】生活處處有化學，我們要學會將所學知識與日常生活聯系起來，使生活更美好。

設計意圖：引導學生運用鋁的價—類二維圖模型分析解釋生活中的一些現象，提升基于模型解決問題的能力，培養“模型認知”“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養。同時，將真實情境轉化為化學問題，使學生體會到化學與生活緊密相聯，形成科學的生活態度和生活觀念，發展“科學態度與社會責任”的化學素養。

環節3：遷移創新——鐵及其化合物價—類二維圖的創建及應用

【任務驅動3】攝入鋁有一定危害，世衛組織現推廣人們使用鐵鍋，還可補充人體所需鐵元素。鐵及其化合物廣泛應用于生產生活，它們有怎樣的轉化關系？請同學們畫出含鐵物質的價—類二維圖。

【學生活動4】繪制鐵的價—類圖，通過希沃投屏呈現結果并交流完善，得到圖5。

【問題驅動4】鐵鍋炒菜能補鐵，多吃菠菜也能補鐵，這是真的嗎？請運用建構好的價—類二維圖設計實驗證明菠菜中是否含鐵，并判斷其價態。

【學生回答】菠菜中的鐵元素可能為+2價或+3價，若為+2價，則能使酸性高錳酸鉀褪色;若為+3價鐵，則能使硫氰化鉀溶液變血紅。

【任務驅動4】檢測菠菜中是否含有鐵元素？

【學生活動5】動手檢測菠菜中是否含鐵。學生運用預設實驗方案在菠菜中沒有檢測出鐵元素，教師引導分析原因：菠菜中不含鐵元素;由于菠菜的顏色干擾，無法觀察現象;鐵元素含量微弱無法檢測;鐵元素不是以Fe2+或Fe3+形式存在。

【資料卡片2】菠菜中鐵元素以有機鐵化合物草酸亞鐵FeC2O4的形式存在，這是一種淡黃色難溶于水的晶體。

【問題驅動5】將FeC2O4在模型中定位并思考如何證明菠菜中的鐵是+2價鐵？

【學生回答】由鐵的價—類圖（見圖6）知，酸溶后加高錳酸鉀，褪色則證明菠菜中的鐵是+2價鐵。

【資料卡片3】實驗表明草酸鈉、草酸也能使高錳酸鉀溶液褪色。

【問題驅動6】由資料知，草酸根有還原性。有什么方式能使菠菜中的有機鐵變成無機鐵？

【學生回答】可以通過灼燒使菠菜中的有機鐵變成無機鐵。

【資料卡片4】草酸亞鐵隔絕空氣灼燒后，會生成FeO、CO和CO2。

【問題驅動7】將FeC2O4在模型中再次定位并思考如何證明菠菜中的鐵是+2價鐵？

【學生回答】由鐵的價—類圖（見圖7）知，將菠菜灼燒后加硫酸浸泡，過濾后，在濾液中加酸性高錳酸鉀，若褪色，則為+2價鐵;在濾液中加硫氰化鉀，若變血紅，則為+3價鐵。

【教師評價】實驗表明，在濾液中加酸性高錳酸鉀會褪色，所以菠菜含有+2價鐵，可以起到補鐵作用。為了排除菠菜本身的顏色干擾，通常在加硫酸浸泡過濾后，要加足量活性炭吸附顏色，過濾掉過量活性炭后再檢驗Fe2+。

【教師總結】今天，我們對含鋁物質、含鐵物質進行了復習，知道可以從物質類別和價態角度對元素化合物進行歸納整理，據此建構出價—類二維圖模型，并運用模型分析解釋一系列生活中常見問題。世界是物質的，物質是由元素組成的，在以后元素化合物的學習中，希望同學們也能學會建構并運用價—類二維圖，將所學知識靈活地與生產生活相聯系，做到學以致用，更好地生活，更好地成長！

設計意圖：使用鋁鍋有諸多不便，更提倡使用鐵鍋，自然過渡到鐵及其化合物知識的復習。這里有前面含鋁物質價—類二維圖建模的鋪墊，教師可以引導學生自行繪制鐵的價—類圖。在運用模型解決問題時，依然創設真實問題情境“多吃菠菜能否補鐵？”，提出驅動性問題“設計實驗證明菠菜中是否含鐵？并判斷其價態”，充分調動學生運用模型來分析解決問題。在與原有認知產生沖突時，教師適當提供資料卡，引導學生運用模型研究陌生物質，以內化模型。遇到障礙點時，采用追問的方法激發學生思考，鼓勵學生將FeC2O4在模型中再次定位以突破難點，進而使其形成運用模型解決不同類型問題的思路。此環節能促進不同水平的學生均獲得發展和提升，旨在發展“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”的化學素養。最后總結升華，落實“科學態度與社會責任”的素養目標。

四、教學反思

1.設計驅動性任務和問題，促進學生自主建構模型

元素化合物的復習教學，若要使不同水平的學生均得到有效提升，需要以學生為主線精心設計驅動性任務和問題。如在建構鋁及其化合物的價—類二維圖時，教師先幫助學生簡單梳理含鋁物質的重要性質，后給出驅動性任務“結合表格信息完成各物質間的轉化關系圖”，并提出驅動性問題來說明建構轉化關系圖的依據和方法，進而適當點評，讓學生體會分析物質性質的兩個認知維度并自主建構價—類圖模型，真正實現學習方式的轉變。

2.突顯價—類圖模型的應用，發展學生化學基本觀念

在本節課的教學中，筆者一直圍繞“分類觀”“元素觀”“轉化觀”的建構和發展設計教學活動。通過表格分類法、轉化關系圖，再到引導學生建構并應用價—類二維圖，逐層遞進地幫助學生建立基于知識關聯的結構化、基于認知思路的結構化和基于化學觀念的結構化。價—類二維圖是元素化合物相關知識與生活情境的橋梁與紐帶，在解釋相關問題時，鼓勵學生調用二維圖模型分析并解決問題，以提高復習效率，落實學業要求。

3.重視生活化情境的創設，關注學生核心素養培育

將知識轉化為素養的最有效策略之一便是創設真實且具體的情境。菠菜可以補鐵，鐵鍋炒菜亦能補鐵，故不提倡使用鋁鍋，一系列生活情境的創設，巧妙地將本節課的主要研究內容：鐵、鋁及其化合物聯系起來，使課堂環環相扣、一氣呵成。由真實情境引發的問題，可以引起學生共鳴、思考與探究，并在學習過程中感悟化學學科的社會價值，促進“科學態度與社會責任”核心素養的完善和發展。

核心觀念及思維方式的形成不可能一蹴而就，基于核心素養培育的新課程改革尚需廣大教育工作者長期探索與實踐。

參考文獻

[1]姜言霞，王磊，支瑤.元素化合物知識的教學價值分析及教學策略研究[J].課程·教材·教法，2012（9）：106-112.

[2]黃劫.探討化學基本觀念在元素化合物復習課中的呈現——以“金屬及其化合物”復習課為例[J].中學化學教學參考，2015（22）：35-37.

[3]黃海云，吳慶生.用“元素價—類二維圖”復習元素化合物策略探索[J].化學教學，2014（5）：34-37.

[4]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.