促進內容結構化的高三化學復習教學研究*
——以“無機物的性質、轉化和應用”專題教學為例

楊群英 張賢金

（1.福建省明溪縣第一中學 福建 三明 365200；2.福建教育學院化學教育研究所 福建 福州 350025）

一、教學主題內容及教學現狀分析

本節課屬于必修課程主題2常見的無機物及其應用的專題復習，該主題內容包括多種金屬和非金屬元素及其化合物、氧化還原反應、電離與離子反應、物質性質及其轉化的價值等，是化學科學的重要研究領域。［1］同時必修課程主題2也是一個具有非常重要的素養能力培養價值的學習主題，具有培養和發展學生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等眾多學科核心素養的功能。［2］但多、雜、散、亂的元素化合物知識使得學生在面對這塊內容的學習時總是感到困難重重。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出：化學教學內容的組織，應有利于促進學生從化學知識向化學學科核心素養的轉化，而內容的結構化則是實現這種轉化的關鍵。內容的結構化主要有“基于知識關聯的結構化”“基于認識思路的結構化”“基于核心觀念的結構化”三種形式。［3］已有的無機物性質及應用的復習大多是分塊進行的，雖有用到價類二維認知模型，但認識思路還不夠外顯，知識關聯性不夠，學生在答題時仍不能快速檢索與提取已有知識，沒有形成應有的學科關鍵能力，尤其在碰到工業流程、實驗探究等關于元素性質與應用的問題時總是無從下手，得分率較低。為此，高三復習教學中，教師選擇有效的內容結構化策略，引導學生把孤立、零散的化學知識連成網絡，呈現不同形式的結構化，使學生頭腦中的知識系統化、層次化、結構化，對培養和提高學生的化學學習能力至關重要。［4］

二、教學思想與創新

首先，本節復習課選用了幾道典型探究題進行問題組合，包含Na2SO3溶液性質探究、Na2SO3溶液和AgNO3溶液反應探究、Na2SO3到Na2S2O3的轉化路徑探究、Na2SO3在工業上的實際應用探究等。由點及面，除了關注知識對象本身外，更關注認識思路的構建和外顯、思維方法等策略性知識的總結。其次，因為無機化學反應大多數是在水溶液中進行的離子反應，離子反應從反應實質上可分為配合反應、酸堿反應、沉淀溶解反應、氧化還原反應四大類型，［5］若從有無電子轉移的角度則可分為氧化還原反應和非氧化還原反應兩大類。基于此反應分類模型，推演出各物質可能具有的性質與轉化，為解決本節課的探究性問題找到思維的突破口。再次，本節課分別從物質、反應、能量三個層面概括總結了無機物性質、轉化及應用的認識角度（見圖1）。［6］

圖1 無機物性質、轉化及應用的認識角度總結

將無機化合物及其應用主題下的內容與反應原理知識進行了結構化總結（見圖2）。

圖2 反應類型與反應原理結構化總結

三、教學目標

（1）能通過對典型無機化合物性質、轉化及應用的探究，構建出無機物及其性質的認識思路，并使該認識思路顯性化、結構化，形成穩定的認識方式，內化證據推理及模型認知意識。

（2）能通過典型無機物性質的探究，鞏固“物質種類”和“元素價態”兩個無機物性質的重要認識角度，構建穩定的價類二維認知模型，發展元素觀、價類二維觀、轉化平衡觀、條件控制觀、反應分類觀等多種核心觀念，形成認識物質性質的全局意識和系統意識，發展宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想等核心素養。

（3）能通過工業真實問題的解決，體會物質的性質及轉化在自然資源綜合利用和環境保護中的重要價值，促使將知識轉化成問題解決的能力，培養和發展科學態度與社會責任，形成基于無機元素化合物知識和經驗的學科核心素養。

（4）通過實驗探究活動培養科學態度及探究意識。

四、教學主要流程

表1 “無機物的性質、轉化和應用”專題復習教學流程

五、教學過程

【問題引入】物質的性質與轉化在化學學習過程中始終都處于一個核心位置，但無機物種類繁多，性質繁雜，該如何有序地整理記憶？物質的轉化路徑多樣，具體應用時該如何選擇？有什么好的方法可以讓這塊內容變得更有序更結構化嗎？

1.探索物質性質的認識角度

探究1：測定0.1mol/LNa2SO3溶液在t時間段內先升溫再降溫過程的pH隨時間的變化如表2所示。

表2 pH隨時間和溫度的變化

上述溶液中可能發生什么反應？請結合離子方程式解釋t時間段內加熱，造成溶液pH發生上述變化的原因。

【教師】通過題目所給信息，要找到Na2SO3可能發生的反應與pH變化的關系，同學們很容易就想到與H2O發生水解反應，但此反應是吸熱反應還是放熱反應呢？

【學生】吸熱。

【教師】那么溫度升高，該反應平衡正向移動，溶液pH增大，所以發生水解反應沒法解釋表格中所呈現的數據變化，那么，同學們又該往哪個方向尋找答案呢？

【學生】思索。

【教師】Na2SO3除了可以發生水解反應之外還有哪些性質呢？這就需要我們回歸到Na2SO3性質的認識上來了，你是如何認識Na2SO3的呢？我們常見的認識物質性質的兩個角度是什么？

【學生】物質的類別和價態。

【教師】所以此處還可能發生什么反應？

【學生A】Na2SO3具有比較強的還原性，可能被氧氣氧化為Na2SO4了。

【教師】如何證明上述結論呢？

【學生B】設計實驗：取④時刻的溶液先加入稀鹽酸再加入BaCl2溶液，看是否有白色沉淀生成。

【教師】這位同學思路很清晰！又該如何用離子方程式結合文字解釋此過程中的現象呢？

【教師】如果不升溫，溶液的pH會變化嗎？

【學生】疑惑……思考后部分學生得出答案：如果不升溫，溶液的pH也會減小

【教師】證據呢？

【學生A】取時刻①和時刻④的pH數據作對比就知道了。

【學生B】設計實驗證明，取時刻①的溶液放置一段時間后再加入稀鹽酸和BaCl2溶液，看是否也有白色沉淀生成。

【教師】這兩位同學都很會推理啊！兩個辦法都很符合邏輯。

【教師】接下來請同學們回頭再來欣賞一下這道題，反思一下，這道題難嗎？為什么一開始很多同學沒法獨立思考得到合理的答案呢？是不是與我們同學不能主動檢索物質的性質有關？也就是說很多同學還沒有形成穩定的認知模型。什么認知模型呢？

【學生】價類二維。

【教師】很好，那么請同學們按價類二維認知模型再次總結一下Na2SO3的性質吧。

【評價及板書】（見圖3）。

圖3 Na2SO3的性質總結

【教師】在總結性質過程中，為什么同學們只考慮S的價態變化而不考慮Na的價態變化呢？

【學生E】因為+1價的Na價態穩定，而+4價的S價態變化的可能性更大，S是其中的核心變化元素。

【教師】再次強調，認識物質性質的兩個重要角度是物質的類別和核心元素的價態。

【教師】這樣一來，我們是不是也可以單獨對SO32-的性質做一個價類二維的總結？我們試著從該離子可能參與的離子反應類型做總結（見圖4）。

圖4 S可能發生的反應總結

2.鞏固價類二維的認識模型、拓寬新的認識角度

探究二：向飽和AgNO3溶液中滴加0.1mol/L Na2SO3溶液，現象如表3所示。

表3 飽和AgNO3溶液中滴加少量Na2SO3溶液現象

依據認識物質性質的一般模型，分析上述實驗中可能發生了哪些反應？請寫出相應的離子反應方程式。

【教師】首先，同學們是不是應該根據現象來界定在這道題當中是哪些離子參加了反應？

【學生C】因為有沉淀生成，所以應是Ag+與

【教師】Ag+與發生了什么反應呢？前面我們已經總結了的性質，知道其可能發生的反應，那么接下來請同學用同樣的思路檢索一下Ag+的性質以及兩者可能發生的反應，用離子方程式表示。

【學生】思考，討論，畫思維導圖。

【教師評價與總結】Ag+可能發生的反應（見圖5）。

圖5 Ag+可能發生的反應總結

【教師】同學們可以通過將兩種物質可能發生的反應進行對接（見圖6）（很多學生不能順利地找出兩種物質混合可能的反應時教師提供幫助），以此來寫出兩物質可能反應的離子方程式。其中，水解呈堿性，Ag+水解呈酸性，此處的酸堿反應即為雙水解反應。除配合反應外，其他三種可能發生的反應都會產生沉淀（見圖7），與題中現象相符。其中白色沉淀可能為Ag2SO3與Ag2SO4，黑色沉淀可能為Ag與Ag2O，那么題中的白色沉淀與黑色沉淀到底是什么，我們還需要結合文獻用實驗來檢驗。

圖6 四種反應

圖7 產生沉淀

【課堂實驗】取2mL飽和AgNO3溶液加入試管中，再向試管中滴加幾滴0.1mol/LNa2SO3溶液，現象：上清液中產生大量白色沉淀，與幾天前做的實驗對比發現，幾天前的實驗試管中出現了黑色沉淀（見圖8）。此現象與題給I、II實驗現象基本一致。

圖8 實驗I（左）實驗II（右）現象對比

【教師】如何解釋清楚以上現象呢？白色沉淀是什么物質？黑色沉淀呢？白色沉淀轉化為黑色沉淀又是什么原因？

【學生】思考、討論。

【教師】通過以上分析，我們知道題中出現的白色沉淀有可能是Ag2SO3也可能是Ag2SO4，那么到底是哪一種呢？查閱文獻可知：25℃時，KSP（Ag2SO4）=1.4×10-5，KSP（Ag2SO3）=1.5×10-14，那么，我們是不是就有理由得出白色沉淀為Ag2SO3。經實驗進一步驗證，白色沉淀確實為Ag2SO3，棕黑色沉淀是Ag。怎么解釋？

【學生E】先發生沉淀反應：2Ag++SO32-=Ag2SO3↓，再發生氧化還原反應：Ag2SO3+H2O=2Ag↓+H2SO4。

【教師】這位同學分析得很到位！在此，同學們是不是體驗到了競爭的味道？據以上推論我們是否可以這么解釋：Ag+與相遇后，先快速地反應生成了白色的Ag2SO3沉淀，沉淀反應在速率上占了優勢（可能是活化能較低），隨著時間的延長，白色的Ag2SO3沉淀又轉化成了黑色的Ag沉淀，即發生了氧化還原反應，且在時間的加持下氧化還原反應相對沉淀反應在反應程度上占了優勢，這里出現了速率與平衡的競爭。在此層面上，我們對物質性質的認識是不是又多了兩個角度，即速率與平衡，除此外，認識物質的角度還有反應條件、方向、能量變化等等（參考圖1）。

【教師】實驗Ⅲ現象怎么解釋？

【教師】完美！到此為止，對于物質性質的認識，我們都可總結為是“點”的策略，每一種物質都可以按反應分類模型來推演其可能參與的化學反應，兩種物質相遇，即可通過點與點的鏈接對可能發生的反應做合理的推測。

3.探索物質的轉化路徑

探究三：如何利用Na2SO3制備Na2S2O3？

【教師】物質的轉化即物質性質的體現，你會從哪些角度來認識這個轉化呢？

【學生】價態。

【教師】誰的價態？

【學生】S元素。

【教師】也就是說你會先聚焦到S元素上，S也就是這個物質的核心元素，不難發現S價態降低了，我們需要什么樣的反應試劑？

【學生】還原劑。

【教師】還原劑有很多，如果從減少雜質的角度，只選擇含S的物質作還原劑，你會想到用什么物質？

【學生B】S單質。

【教師】是怎么想到的？用到了什么策略？

【學生B】根據氧化還原反應元素化合價變化規律。

【教師】是的，我們可以通過畫圖，把S放到它的價態體系中（見圖9）來觀察反應前后物質中的S元素在價態上的變化，再根據氧化還原反應化合價變化規律（相鄰不反應，相間在中間）來選擇合適的試劑，此叫“線”的分析策略，物質除了在價態上的轉化可用“線”的分析策略外，在類別上的轉化亦可以用此策略，如鋁及其化合物的相互轉化中我們就可以借助“鋁軸”（見圖10）來解決相關問題。

圖9 硫的價態變化軸

圖10 鋁軸

【教師】可否用Na2S與Na2SO3反應制得Na2S2O3呢？（旨在讓學生體會酸堿環境對氧化還原反應的影響）

4.探索解決物質實際化工應用問題的思路

探究四：某軟錳礦樣品的主要成分如表，由該樣品制備硫酸錳，畫出相應的流程圖。

表4 某軟錳礦樣品成分表

已知：MnO2不溶于稀硫酸，稀鹽酸，稀氫氧化鈉。

【教師】從主要物質的轉化來看即MnO2轉化成了MnSO4，你會想到用什么試劑？提醒：此處轉化保留了“Mn”元素，但價態降低了，多出了“S”元素。

【學生】含S元素的還原劑。

【教師】可以是哪些？請注意此處該還原劑被氧化后核心元素“S”為+6價。

【學生A】Na2SO3。

【教師】非常合理！這節課Na2SO3出現得真是太頻繁了，除此之外呢，你還能想到用什么含“S”元素的還原劑？

【學生C】通入SO2氣體？

【教師】答得太棒了！在真實工業生產中，此處就可以改為通硫煙氣（含SO2的工業廢氣），將有害的廢氣進行循環利用，不僅綠色環保還能達成工業生產中“好”與“省”的目的。

【教師】那么Fe2O3，SiO2，Al2O3三種雜質怎么轉化處理呢？再次提醒學生注意信息支持，已知：MnO2不溶于稀硫酸，稀鹽酸，稀氫氧化鈉。

【學生D】Fe2O3、SiO2、Al2O3三種物質可以通過用稀酸和稀堿溶液溶解處理。

【教師】所以，此處出現了幾條轉化路徑？

【學生】四種物質，所以是四條。

【教師總結】如果將這四條物質轉化路徑看成四條“線”的話，那這四條線是不是就成為了一個“面”？這個“面”也就是我們通常面對的真實化學問題，在題型上通常被設置為工業流程題、實驗探究題、反應原理題。反過來看，該“面”是由“點”和“線”組成的，要解決“面”上的問題，就要回歸到“點”和“線”的問題。所以我們可以利用前面習得的思維方法整理出常見的“點”和“線”來（如圖11）。

圖11 “點”“線”總結

5.整理板書

見圖1和圖2。

六、教學反思

（1）精選具有代表性的問題組合，使問題情境由簡到繁層層遞進，引導學生思維從低級到高級逐漸發展，從而構建內容結構化的思維模型。問題組合是由系統性和邏輯性強的問題構成，具有思維發展性、開放性、引導性、整體性和適度性的特點。［7］本節課分別選擇了Na2SO3溶液性質探究（含離子反應中常見的陰離子的代表），Na2SO3溶液和AgNO3溶液反應探究（含離子反應中常見的陽離子代表Ag+）為研究對象，促使學生遷移應用離子反應和氧化還原反應等概念原理建立穩定的價類二維模型和離子反應分類模型，內化了多種核心觀念，實現了知識關聯、認識思路和核心觀念三個維度的結構化。再通過探究Na2SO3轉化為Na2S2O3的思維路徑（線）、Na2SO3在軟錳礦制備MnSO4的工業實際應用（面），總結了點、線、面結構化記憶策略，形成了知識組塊，節省了記憶容量，促使學生形成了認識物質性質的全局意識和系統意識。

（2）注重提煉總結，構建內容結構化的思維模型。元素化合物知識在高中化學課程中的認識發展價值應該有三個方面：一作為認識對象，促進學生遷移應用所學的概念原理知識，二是作為感性認識素材，幫助學生建立和發展概念理論；三是作為認知結構的一部分，為后續的認識活動提供參照依據。［8］每一個探究問題完美解決后，都需要及時總結過程中用到的概念原理知識、認識視角、認識思路和相應的方法策略，使其顯性化，幫助學生構建穩定清晰的思路，固化認識模型，以期學生能在應用時有效檢索和提取。如在探索解決物質實際應用問題的思路環節時這樣總結：實際應用中存在多個物質的性質（多個點），多種物質的轉化路徑（多條線）。多個點，多條線綜合成一個面，在這樣一個“知識面”的基礎上加以實驗驗證和實驗探究就形成了生動活潑的“知識體”。同樣一個面中包含多個點多條線，解決實際問題的辦法就是從該復雜的面中尋找具體的點和線，即回歸到物質的性質與轉化的認識上來。

（3）關注學生思維的障礙點，運用點評、追問、幫助等多樣化的反饋方式促使學生構建內容結構化的思維模型。如在總結性質過程中，教師追問為什么同學們只考慮S的價態變化而不考慮Na的價態變化？以此強調，認識物質性質的兩個重要視角是物質的類別和核心元素的價態。在書面回答與Ag+可能發生哪些反應時，很多學生難以思考全面以獲得更多可能性的答案，教師通過觀察發現問題后，將兩種離子可能發生的反應進行對接（如圖6），使思路外顯，幫助學生克服了思維障礙，為后續類似的問題創生了新的思維模型。MnO2還原為MnSO4時，除了可以用Na2SO3還能想到用什么含“S”元素的還原劑時，有學生立刻想到了同是正四價的SO2，教師立即給予“答得太棒了！”的點評，并在此時對SO2的應用做出及時的評價：因該舉措對有害廢氣進行了循環利用，不僅綠色環保還實現了工業生產中“好”與“省”的目的，以此樹立了綠色化學的理念。