谈化学元素观的进阶学习

张发新

(南京市江宁高级中学，江苏 南京 211100)



谈化学元素观的进阶学习

张发新

(南京市江宁高级中学，江苏 南京 211100)

化学元素观是化学观念中的核心观念，学习进阶对促进认知发展、学科内容连贯一致设计、教育测评及教学决策的发展有重要实践价值。构建化学元素观的学习进阶框架，以及通过 “对话”引发进阶学习，创建学习共同体等教学策略，有利于帮助教师了解学生如何理解化学元素观，进而促进学生建构化学元素观。

化学元素观；学习进阶；教学策略

一、问题的提出

学习化学不仅是记忆化学事实和知识，还要通过具体事实知识的学习，掌握从化学的视角认识世界、解释世界的思想方法，获得“处理与化学相关的事物的能力”，“成为具有科学思想的反思性公民”。英国科学教育专家温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》报告中指出：“科学教育的目标不是去获得一堆由具体事实和学科理论杂乱无章地堆砌起来的知识，而应该是实现一个向核心概念逐步趋向的进展过程，这样做有助于学生理解与他们生活相关的事件和现象。”[1]化学元素观是从元素视角来认识物质及其转化所形成的相关认识的总体性、概括性观念。化学元素观回答“物质是由什么组成的”这个化学最基本的问题，其核心概念是“元素”，[2]主要包含三方面内涵：一是元素是组成物质的基本单元，元素的有限性决定了无限、多样性物质的有序性；二是元素以分子、原子、离子等微粒构成物质，微粒种类和构成方式的差异决定了物质性质的差异；三是物质发生化学变化是元素原子间的重新组合，物质转化过程遵循化学变化基本规律。[3]

学习进阶是对学生在各时期学习同一主题的概念时，所遵循连贯的、典型的学习路径的描述，一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列。[4]它是一个描述学生在知识学习和实践活动过程中连续的、更加熟练的发展的框架，这个框架的构建需要了解学习者是如何理解知识以及以何种方式理解这些知识的，它解决的是学生认知发展过程中用以“踏脚”的具体的“脚踏点”。

学习进阶指导教师关注学生在学习某一科学基本观念时不同的思考方式，注意学生对内容的理解方式方面可能存在的差异，提醒教师注意在更高层级“阶”上的学生并不是比更低层级“阶”上的学生“知道得更多”；学习进阶引导教师关注学生怎样思考，并且通常会关注学生的“错误思考”；学习进阶启发教师在多种进阶路径出现的可能中寻找最佳的教学序列并精心设计教学，以促进这种进阶的发生。

化学教学中接触的物质及其变化的知识通常是固化的，是一堆缺乏“人气”的事实知识和符号知识，若不致力基于化学基本观念的教学，就会既割断化学元素观与物质性质及其变化之间的联系，也隔断了化学元素观与学生发现问题、解决问题、形成知识过程之间的联系。其结果是既导致学生化学基本观念的匮乏，也造成化学教学科学素养教育价值的贫乏。解决这一矛盾的有效方式之一就是应用“学习进阶”有关理论引导学生有效建构化学元素观，在化学教学中形成物质性质及其变化的知识与化学元素观等化学基本观念之间的相互融合，促进学生科学素养的提高。

二、化学元素观的学习进阶

科学的形成源于人类对自然界的探索活动，而自然界又是一个普遍联系、相互作用的统一整体。因此，在科学领域不同的具体学科之间就必定会存在一些“共通”概念。它们跨越学科界限，具有普适性，使得学科与学科、知识与内容、概念形成与发展、研究手段与方法之间相互关联、相互交叉。从这些“共通”概念中，可以提炼出科学中普遍存在着三种核心观念：物质、变化和能量,形成了科学学科的总体思想，它超越了学科界限，反映了不同科学学科的内在统一性。元素是化学科学的第一个基本概念，也是化学科学最基本的概念之一，被称为“化学理论大厦的基石”。[2]从化学元素观出发理解三个共通概念：物质是由元素原子以各种排列方式组成的，化学研究物质的组成、结构、性质及其变化规律；物质发生变化是元素原子的重排，它是人们从动态的角度对化学物质变化本质的总的看法；能量伴随着化学变化产生，它引导人们运用“能量”的观点分析、处理化学问题,并用“ 能量”的观点把化学问题联系起来。美国科学教育界普遍认为，学习进阶包括进阶终点、进阶维度、成就水平、各水平的学业表现以及测评工具五个要素，[5]据此可以建立一个描述学生化学元素观的学习进阶框架。(见表1)

表1　化学元素观学习进阶

(续表)

三、以学习进阶方式建构学生化学元素观的教学策略

1.通过“对话”深化对知识的理解， 实现化学元素观的认识进阶

教学对话就是“通过教师的提问、激励与引导，学生的自由思考、自由表达而获得知识技能、发展能力的教学方法”[6]，对话的重点是教师能有效地利用提问设定化学元素观的学习序列，引导学生通过递进式的学习而逐渐进阶，它重视的不是知识而是思考过程或思考体验，是以过程为中心的教学。教师不断询问学生对物质性质及其变化微观本质的解释，使学生处于思维的应急状态并迅速地搜寻问题解决的策略。

“金属的性质”是学生第一次应用“物质分类”“离子反应”“氧化还原反应”等基本概念系统分析、研究的无机物。“从铝土矿中提取铝”的教学，应用真实的材料，创设真实的情境，在“对话”过程中，在学生理解铝的制备与应用的价值和方法的基础上，围绕“物质、能量、变化”等“大概念”重组教学内容，呈现出化学元素观理解水平由低到高的发展历程，实现教学内容的进阶整合。

情境1：铝在地壳中的含量为7.73%。19世纪中期，拿破仑三世使用铝制酒杯，而大臣们用的则是金杯和银杯；1889年伦敦化学会把铝制的花瓶和杯子作为贵重的礼物送给门捷列夫，表彰他发现了元素周期律为人类做出的巨大贡献。

问题1：针对两则材料中的铝的用途，你想到了什么？

情境2：铝的化合物熔点(见表2)

表2　铝的化合物熔点

问题2：思考电解氧化铝最需要解决的问题是什么？你还知道哪些提取金属铝的方法？为什么要提取铝？为什么要从铝土矿中提取铝？如何从铝土矿中提取铝？

情境3：探究氧化铝的性质。实验试剂与用品：氧化铝、氢氧化钠溶液、盐酸、试管、胶头滴管、药匙、废液缸等。实验要求：先设计好实验再做实验，每一小组做两个实验。写出实验方案、实验现象和实验结论。

问题3：如何找到一种能够溶解氧化铝使其熔融温度降低的材料？

情境4：铝的再生: “新世纪材料的亮点”再生铝又称二次铝，是目前废物界最有价值的材料。现在世界上每年从废铝回收的铝量约为400万吨，相当于每年铝产量的25%左右，与以铝土矿为起点相比，生产1吨再生铝合金能量消耗仅为新铝的2.6%，并节省10.5吨水，少用固体材料11吨，比电解铝时少排放91%的二氧化碳，少处理废液、废渣1.9吨。

问题4：未来，可以从哪些方面减少生产铝过程中的能耗和成本？调查金属铝在生活、生产、科技方面的应用，并研究这些应用体现了单质铝的什么性质？把你的调查报告和同伴交流。

上述真实情境中的师生对话过程，促进学生对元素及其化合物的结构、性质、用途、制法等概念的理解逐级进阶向深处发展，形成“宏观-微观-符号”三重表征相互融合的思维方式，引导学生的认识进阶至“基于元素性质认识物质世界”的认识水平。

2.创建学习共同体，以多样的学习活动促进化学元素观的进阶整合

“把过去的个体学习转换为共同体的学习，保障每一位学生的以多样性为出发点的活动性学习，以实现多样的学习交流与合作，培养学生成为自立的、活动的、合作的学习者。”[7]在共同体活动过程中，学生承担着几个不同的活动任务，如有的学生需要做好活动过程中各种变化的数值的记录，有的需要观察并记录化学现象和化学反应变化，有的学生则需要动手操作进行实验。他们共同合作、相互配合、协调分工，积极发挥个人能力的优势，科学高效地完成整个实验的过程，有利于有效促进逐渐进阶，形成完整、系统的化学元素观。

“必修2—乙醇”的教学主要具有两个方面的教育功能：一方面，为满足培养公民基本科学素养的要求，提供有机化学中最基本的核心知识；另一方面，尽力渗透化学元素观的内容，引导学生将人、社会和自然三者有机联系在一起，激发其进一步学习有机化学的欲望。教师创设学习共同体，围绕 “有机化合物碳架和官能团结构”等核心概念重组教学内容，实现教学内容的进阶整合，构建基于“物质存在、结构、性质与用途相互关系的探究”化学元素Gauntlet知识的学习进阶。

活动1： ①实验：CH3CH2OH燃烧实验； ②实验：CH3CH2OH滴入高锰酸钾溶液中；③查阅资料：人喝酒以后CH3CH2OH进入人体内后的变化过程； ④实验：乙醇的催化氧化； ⑤实验：检验酒后驾车；⑥实验：定量测定46.gCH3CH2OH与Na反应生成H2的体积。

活动2：用橡皮泥和牙签组装CH3CH2OH空间构型：①黑球表示碳原子，白球表示氢原子，蓝球表示氧原子；②一根牙签表示一对共用电子对，引导学生初步体会“构建模型是将复杂问题简单化”的科学方法，以及从宏观、微观、符号表达三个层面认知CH3CH2OH的结构特点；用绿球表示氯原子，自己组装氯乙烷分子模型，体验CH3CH2OH和HCl发生的取代反应；再讨论可能有几种方式在CH3CH2OH分子中去掉两个H，多次模拟逐步让学生将实物模型转换为学生头脑中的思维模型，帮助学生从化学键的层面进一步认识CH3CH2OH的结构。

活动3：人类已经利用甲醇、乙醇代替部分汽油，乙醇汽油的使用是科学技术上的一项成果。讨论：为什么说甲醇、乙醇是高效的清洁能源? 生产甲醇、乙醇有哪些途径？

活动4：碳元素在地壳中的含量仅为0.027%，而且其中99.7%以煤、天然气和碳酸盐的形式存在，0.2%在大气中以二氧化碳和甲烷形式存在，剩下的不到0.1%的碳构成了地球上全部生命物种的主要物质基础，即有机化合物，碳以很少的数量构成种类达数千万种的有机物，关键在于碳原子之间能形成丰富多彩的化学键。[8]讨论：从碳原子的结构特点解释碳原子为什么能形成丰富多彩的化学键。

在学习共同体中，通过多样教学活动过程生成的“问题”，经过交流与合作学习加以解决，能使学生迅速进入深层的思维活动，把学习进阶变量聚焦在“物质、能量、变化”等大概念与科学实践上，并且把它们有效地整合起来，在认识的较高进阶上建构“由元素组成的物质是客观存在、丰富多彩的，人们通过分类的方法高效地认识物质，利用实验技术识别物质，用‘宏-微-符’融合的方法表征物质，为了人与自然的发展科学合理利用物质”等较高认识水平的化学元素观。创建学习共同体不仅能促进学生逐渐进阶，形成完整、系统的化学元素观，还有利于引导学生树立正确的科学价值观,将自然科学融入整个人类文化的背景中思考和分析，培养学生对未来的人文关怀，达成培养具有科学理性的公民的科学教育目标。

[1]温·哈伦.科学教育的原则和大概念[M].韦钰,译.北京:科学普及出版社，2011: 2.

[2]吴俊明，吴敏. 元素概念的演变与化学元素观的教学——关于科学观念和科学观念教育的思考之三[J].化学教学，2014,(6)：3-7.

[3]张发新. 谈高中化学元素观的教学功能及教学方法[J].化学教学，2014,(6):22-25.

[4]刘晟,刘恩山. 学习进阶：关注学生认知发展和生活经验[J].教育学报,2012,(2):81-87.

[5]皇甫倩,常珊珊,王后雄.美国学习进阶的研究进展及启示[J].外国中小学教育,2015,(8):53-60.

[6]张华.课程与教学论[M].上海：上海教育出版社，2000：221.

[7]佐藤学.学习的快乐——走向对话[M].钟启泉,译.北京：教育科学出版社,2004:38，103.

[8]周公度. 化学是什么[M] 北京：北京大学出版社,2013:13.

Learning Progressions of the View of Chemical Elements

ZHANG Faxin

(Jiangning High School, Nanjing Jiangsu 211100)

The view of chemical elements is core idea of chemistry basic concept. Learning progressions has important practical value for cognitive development, subject content coherence, education evaluation and teaching decision making. Learning progressions of the view of chemical elements can help teachers understanding the students’ view of chemical elements, and also can promote the construction of students’ the view of chemical elements.

view of elements, learning progressions, instructional strategies

张发新，江苏南京人，江苏省南京市江宁高级中学正高级教师，江苏省特级教师，主要从事化学课程与教学研究。