基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物教學(xué)探究

福建省福州格致中學(xué)（350001）陳敏琛

一、問題的提出

元素化合物知識(shí)是高中化學(xué)必修課程的主要內(nèi)容之一，在教材中占有較大的比重。元素化合物教學(xué)中存在的主要問題有：（1）以去情境化的教學(xué)代替真實(shí)的學(xué)習(xí)情境；（2）以碎片化學(xué)習(xí)代替整體性學(xué)習(xí)；（3）以單一代表物的性質(zhì)學(xué)習(xí)代替基于元素觀的物質(zhì)性質(zhì)學(xué)習(xí)［1］。這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解過于狹隘和對(duì)反應(yīng)方程式的記憶過于機(jī)械，在解決化學(xué)實(shí)際問題過程中表現(xiàn)為知識(shí)遷移能力欠缺，學(xué)科核心素養(yǎng)水平低下。造成以上教學(xué)偏差的一個(gè)主要原因是教師對(duì)元素化合物的學(xué)科理解片面或存在一定的局限性。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 修訂）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）提出“要求教師進(jìn)一步增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解。化學(xué)學(xué)科理解是指教師對(duì)化學(xué)學(xué)科知識(shí)及其思維方式和方法的一種本原性、結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，它不僅僅只是對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，還包括對(duì)具有化學(xué)學(xué)科特質(zhì)的思維方式和方法的理解”［2］。本原性的認(rèn)識(shí)離不開在真實(shí)情境中產(chǎn)生的真實(shí)問題，學(xué)科知識(shí)及學(xué)科思維方式和方法的結(jié)構(gòu)化是解決真實(shí)問題的“金鑰匙”。本文以2019 年蘇教版化學(xué)必修第一冊(cè)（以下簡(jiǎn)稱新教材）“從海水中提取溴”的教學(xué)為例，從化學(xué)學(xué)科理解層面，分析元素化合物教學(xué)內(nèi)容的本原性問題和功能價(jià)值，構(gòu)建元素化合物的認(rèn)識(shí)模型，基于教學(xué)實(shí)踐提煉教學(xué)策略，探尋元素化合物教學(xué)新樣態(tài)。

二、基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物教學(xué)內(nèi)容分析

要厘清元素化合物知識(shí)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用的脈絡(luò)，可從“化學(xué)知識(shí)本質(zhì)”“化學(xué)知識(shí)獲取”“化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)”三個(gè)維度獲得關(guān)于元素化合物的接近本原性問題的理解；要挖掘元素化合物的學(xué)科價(jià)值、社會(huì)價(jià)值和育人價(jià)值，可從“化學(xué)學(xué)科方法”“化學(xué)學(xué)科價(jià)值”兩個(gè)方面進(jìn)行凝練。因此，有必要從化學(xué)學(xué)科理解的五個(gè)維度——“化學(xué)知識(shí)本質(zhì)”“化學(xué)知識(shí)獲取”“化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)”“化學(xué)學(xué)科方法”“化學(xué)學(xué)科價(jià)值”［3］，對(duì)元素化合物教學(xué)內(nèi)容的本原性問題和功能價(jià)值進(jìn)行全面了解。具體的元素化合物教學(xué)內(nèi)容分析見表1。

表1 基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物教學(xué)內(nèi)容分析

三、基于化學(xué)學(xué)科理解建構(gòu)元素化合物認(rèn)識(shí)模型

基于化學(xué)學(xué)科理解的化學(xué)教學(xué)，要求教師重視學(xué)科本原性問題的凝練、化學(xué)認(rèn)識(shí)視角的抽提以及化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的建構(gòu)［5］。

（一）凝練學(xué)科本原性問題

在元素化合物的教學(xué)中，教師可基于“化學(xué)知識(shí)本質(zhì)”，凝練3 個(gè)學(xué)科本原性問題：它是什么物質(zhì)？它發(fā)生了什么變化？它為什么會(huì)發(fā)生變化？如“從海水中提取溴”一課要解決的3 個(gè)學(xué)科問題是：溴元素的存在形式是什么？不同價(jià)態(tài)含溴物質(zhì)之間如何轉(zhuǎn)化？物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、分類和變化與認(rèn)識(shí)視角有何關(guān)聯(lián)［6］？

（二）抽提化學(xué)認(rèn)識(shí)視角

化學(xué)認(rèn)識(shí)視角是“從哪兒想”的切入點(diǎn)。宏觀和微觀相結(jié)合是建構(gòu)認(rèn)識(shí)對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)性的重要化學(xué)學(xué)科視角。在元素化合物教學(xué)中，教師一方面要基于物質(zhì)類別和元素價(jià)態(tài)、原子結(jié)構(gòu)的視角預(yù)測(cè)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，初步建構(gòu)價(jià)類二維認(rèn)識(shí)模型；另一方面要從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的視角對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象做出合理解釋，并用化學(xué)符號(hào)進(jìn)行恰當(dāng)表征，發(fā)展學(xué)生“宏—微—符”三重表征這一化學(xué)學(xué)科特有的思維方式。

（三）建構(gòu)化學(xué)認(rèn)識(shí)思路

化學(xué)認(rèn)識(shí)思路實(shí)質(zhì)是形成“怎么想”的邏輯框架，它的價(jià)值在于知識(shí)的運(yùn)用。如本節(jié)課先通過建構(gòu)預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)性質(zhì)的思維模型，再創(chuàng)設(shè)“模擬工業(yè)上熱空氣吹溴”的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用模型嘗試解決實(shí)際問題，并在此過程中完善模型，形成化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化，旨在提高學(xué)生基于化學(xué)認(rèn)識(shí)思路的遷移能力。

基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物教學(xué)著力點(diǎn)不再是知識(shí)的機(jī)械傳遞和簡(jiǎn)單應(yīng)用，而是強(qiáng)調(diào)形成知識(shí)關(guān)聯(lián)和學(xué)科思維方式和方法的結(jié)構(gòu)化。就學(xué)科知識(shí)來講，就是將化學(xué)知識(shí)關(guān)聯(lián)起來形成有機(jī)整體，從橫向維度體現(xiàn)知識(shí)關(guān)聯(lián)和認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化，即建構(gòu)價(jià)類二維認(rèn)識(shí)模型，預(yù)測(cè)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽，使物質(zhì)轉(zhuǎn)化的路徑顯性化，使知識(shí)從碎片化走向結(jié)構(gòu)化。就學(xué)科思維方式和方法來講，就是抽提學(xué)科思想方法、觀念，從縱向維度形成核心觀念的結(jié)構(gòu)化，即將“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的學(xué)科思想方法貫穿教學(xué)始終，用元素觀、微粒觀等學(xué)科觀念統(tǒng)領(lǐng)學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)。

綜上，基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物的認(rèn)識(shí)模型如圖1 所示。元素化合物教學(xué)宜從化學(xué)史實(shí)、實(shí)驗(yàn)探究、生產(chǎn)實(shí)際等方面有序鋪陳，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境和相關(guān)聯(lián)的學(xué)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用學(xué)科知識(shí)和核心觀念解決真實(shí)情境下的化學(xué)實(shí)際問題，形成認(rèn)識(shí)思路的固化和遷移，提升學(xué)生元素化合物的認(rèn)知進(jìn)階水平，發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

圖1 基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物認(rèn)識(shí)模型

四、基于化學(xué)學(xué)科理解提煉元素化合物的教學(xué)策略

基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物教學(xué)主要體現(xiàn)在教師運(yùn)用適切的情境素材，在情境、任務(wù)、活動(dòng)“三位一體”下，以實(shí)驗(yàn)為主的多樣化活動(dòng)為載體，從宏微結(jié)合、定性定量、變化守恒等多重視角，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比推理、抽象概括的思維方式，建構(gòu)結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識(shí)圖譜，形成由知識(shí)向真實(shí)情境遷移的關(guān)鍵能力。

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，搭建素養(yǎng)形成和發(fā)展的平臺(tái)

“真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的重要平臺(tái)，為學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。”［2］因此，創(chuàng)設(shè)真實(shí)且體現(xiàn)學(xué)科知識(shí)功能與價(jià)值的問題情境是“素養(yǎng)為本”課堂教學(xué)的重要取向。從“化學(xué)知識(shí)獲取”“化學(xué)學(xué)科價(jià)值”維度的學(xué)科理解來看，選擇生產(chǎn)生活、科研以及化學(xué)史實(shí)中有意義的化學(xué)問題，將其改造成適合學(xué)生探究的學(xué)習(xí)情境，并貫穿課堂始終，不但能激發(fā)學(xué)生探究問題的欲望，還能驅(qū)動(dòng)學(xué)生持續(xù)深度學(xué)習(xí)，避免情境流于形式成為“花架子”。例如在“從海水中提取溴”的教學(xué)中，若只是讓學(xué)生羅列生活中使用的含溴藥物、高效低毒的含溴農(nóng)藥、含溴消毒劑等，而沒有挖掘這些物質(zhì)的來源、合成、用途等體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科思想方法的內(nèi)容，顯然對(duì)學(xué)生學(xué)科思維方式的培養(yǎng)和結(jié)構(gòu)化知識(shí)的構(gòu)建沒有太大的價(jià)值。為此，教師應(yīng)著重以“溴的發(fā)現(xiàn)史”創(chuàng)設(shè)情境，介紹巴拉爾發(fā)現(xiàn)溴的經(jīng)過和李比希與溴元素失之交臂的故事，提出“鹽湖里的溴是以什么形式存在的？”“如何將新物質(zhì)從母液中提取出來？”等問題，促使學(xué)生了解溴的轉(zhuǎn)化過程，為后續(xù)概括從海水中提取溴的思路做好鋪墊。同時(shí)，讓學(xué)生體會(huì)到批判精神和直覺思維對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的積極作用，發(fā)展學(xué)生的“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”核心素養(yǎng)，使情境的功能價(jià)值——激趣、激思、激疑得到真正發(fā)揮。

（二）建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型，形成知識(shí)關(guān)聯(lián)和認(rèn)識(shí)思路的結(jié)構(gòu)化

從“化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)”維度的學(xué)科理解來看，在元素化合物教學(xué)中，教師應(yīng)充分利用物質(zhì)分類、氧化還原反應(yīng)、離子反應(yīng)等基礎(chǔ)理論指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物，使其實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的跨越。“化學(xué)學(xué)科方法”維度的學(xué)科理解注重從宏微結(jié)合的角度預(yù)測(cè)物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，并通過實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、概括解釋等深層次的探究活動(dòng)，進(jìn)而形成對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)。如在“實(shí)驗(yàn)室提取溴”的教學(xué)環(huán)節(jié)中，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比氯原子的結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)Br2有氧化性，再通過繪制含溴物質(zhì)的價(jià)類二維圖（如圖2），外顯Br-與Br2之間的轉(zhuǎn)化路徑，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，建構(gòu)關(guān)于物質(zhì)轉(zhuǎn)化的一般認(rèn)識(shí)思路；設(shè)置“如何檢驗(yàn)Br-”這一關(guān)聯(lián)性學(xué)習(xí)任務(wù)，旨在診斷學(xué)生能否運(yùn)用氧化還原反應(yīng)原理選擇合適的氧化劑將Br-氧化成Br2，再用四氯化碳將Br2從水中萃取出來。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師應(yīng)改變學(xué)生照搬教科書做實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，鼓勵(lì)學(xué)生做出有依據(jù)的假設(shè)，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行比較、分析、解釋、概括，在一系列活動(dòng)中經(jīng)歷想象、批判性思考等創(chuàng)新思維活動(dòng)，形成“氯、溴的性質(zhì)既有相似性又有差異性”的結(jié)構(gòu)化知識(shí)關(guān)聯(lián)。

圖2 含溴物質(zhì)的價(jià)類二維圖

（三）解決實(shí)際問題，提升認(rèn)識(shí)思路的遷移水平

元素化合物知識(shí)認(rèn)識(shí)功能的落腳點(diǎn)是提升認(rèn)識(shí)思路和核心觀念的結(jié)構(gòu)化水平。認(rèn)識(shí)思路結(jié)構(gòu)化的形成有賴于在陌生情境中運(yùn)用認(rèn)知模型，預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)性質(zhì)并通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽，進(jìn)而鞏固、提升認(rèn)識(shí)思路的遷移水平，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”核心素養(yǎng)。在本節(jié)課中，教師進(jìn)一步提出“工業(yè)上制溴與實(shí)驗(yàn)室制溴有何不同？”的問題，讓學(xué)生從反應(yīng)原理、原料成本、設(shè)備要求、環(huán)境保護(hù)等多角度發(fā)表自己對(duì)問題的見解，提出模擬工業(yè)空氣吹出法制溴的實(shí)驗(yàn)設(shè)想。在教師提供化學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)儀器的支持下，由學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并最終選擇一個(gè)較優(yōu)方案：如圖3，加熱三頸燒瓶至蒸餾水沸騰，不斷擠壓鼓氣囊將水蒸氣趕至第一個(gè)裝有稀硫酸酸化的NaBr 和新制氯水混合溶液的洗氣瓶中，生成的溴單質(zhì)在水蒸氣帶動(dòng)下被吹到第二個(gè)裝有NaOH 溶液的洗氣瓶中。由于溴單質(zhì)易揮發(fā)，因此暫時(shí)以化合物的形式存在。怎樣將化合態(tài)的溴轉(zhuǎn)化成游離態(tài)的溴？學(xué)生對(duì)此展開探討。有的學(xué)生從含溴物質(zhì)的價(jià)類二維圖入手，猜想在堿性介質(zhì)中Br2轉(zhuǎn)化為Br-、BrO-，那么反過來，在酸性介質(zhì)中Br-、BrO-則應(yīng)轉(zhuǎn)化為Br2；有的學(xué)生從氧化還原的角度推測(cè)可用其他氧化劑實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化，就此再次通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想，并用離子方程式表示相應(yīng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。當(dāng)教材上一句空洞的描述變?yōu)閷?shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)，學(xué)生的內(nèi)心充滿了愉悅，不僅真切地感受到了工業(yè)提溴的過程，而且知識(shí)遷移能力也得到了提升，宏微結(jié)合、變化守恒等核心觀念得到了鞏固，同時(shí)還體會(huì)到了化學(xué)對(duì)社會(huì)發(fā)展的重要價(jià)值。

圖3 模擬工業(yè)空氣吹出法制溴的實(shí)驗(yàn)裝置

總之，基于化學(xué)學(xué)科理解的元素化合物教學(xué)不應(yīng)拘泥于細(xì)碎的知識(shí)點(diǎn)和方程式的機(jī)械記憶，應(yīng)讓學(xué)生置身于真實(shí)情境，親臨科學(xué)實(shí)踐的現(xiàn)場(chǎng)，通過比較、推理、預(yù)測(cè)、解釋等思維活動(dòng)和實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，親身經(jīng)歷知識(shí)產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用的過程，形成運(yùn)用結(jié)構(gòu)化的化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的關(guān)鍵能力，同時(shí)涵養(yǎng)自身對(duì)化學(xué)學(xué)科價(jià)值的欣賞，體悟化學(xué)學(xué)習(xí)的有趣、有味、有用。