基于科学探究中构建元素化合物的认知模型
2020-04-21饶清祥王美清
饶清祥 王美清
摘 要：铁及其化合物的氧化性及还原性是高中化学知识的重点、难点。氧化还原反应知识点多且易混淆，利用探究铁及其化合物学习能很好地将氧化还原理论化为实践，化抽象为具体，在探究过程中，利用价类二维图帮助学生构建各物质的性质空间网络关系，形成价类认知的思维模型，幫助学生突破元素知识与氧化还原知识的相结合。
关键词：认知模型 实验探究 小组合作
随着新课程的实施，在化学教学中要培养学生的核心素养，学科核心素养的对象是学生，只有通过实际的课堂教学，才能培养学生适应终身发展和社会发展的必备品格和关键能力，笔者以铁及其化合物为例，探讨指向核心素养的教学方法，帮助学生构建元素化合物的认知模型。
一、素养为本的教学设计思路
证据推理与模型认知是高中化学学科的核心素养之一，在探究铁及其化合物的教学中，引导学生利用元素化合价、物质类别的价类二维图构建物质的性质、化合价之间的转化知识建立联系，形成价类认知的思维模型，构建模型，并利用模型突破元素知识与氧化还原知识。在实验探究过程中，通过小组合作，培养学生的发散性思维、创新意识、科学探究精神，从而提升学生的化学核心素养。
根据化学学科核心素养及化学教学要求，确定了本节课具体核心素养的教学目标。
（一）宏观辨识与微观探析——掌握铁、亚铁离子、铁离子的化学性质，了解亚铁离子、铁离子的常用检验方法。
（二）证据推理与模型认知——能依据实验证据推出合理的结论，构建价类二维图的思维模型，运用模型合理预测未知物质的性质。
（三）科学探究与创新意识——通过小组合作，设计实验方案，探究实验得出结论，培养学生解决问题及实验探究的能力。
（四）科学精神与社会责任——了解铁对人类生活的应用。
二、基于化学核心素养的教学实施
教学环节一：身边的化学
当一个人头昏乏力、精神行为异常，如烦躁、易怒、注意力不集中;体力、耐力下降;口腔炎、舌炎;毛发干枯、脱发等，可能患有缺铁性贫血，假设你是医生，你会给什么建议？
设计意图：学生根据生活常识，缺铁可以同时服用乳酸亚铁片和维生素C。通过一个真实的生活情境，让学生知道到在人类多姿多彩的生活中，化学无处不在，激发学生的求知欲，引出本节课的内容。
教学环节二：构建价类二维图
[学生小组讨论]：生活中含铁的物质有哪些？这些物质可以从什么角度将它们进行分类？从什么思路去预测它们的性质并加以验证掌握？
设计意图：元素化合物知识多且杂，如果只是让学生单一地去学习某元素化合物知识，而没有培养学生过程性知识和程序性知识，就无法理清知识的潜在活力与学生内在发展的逻辑关系，学生在学习过程中觉得易学但难记且费时，也不可能将所有已发现的物质一一学完，若能掌握一种较简易实用学习元素化合物知识的认知模型，形成分析理解元素化合物的基本思路和方法，必将达到事半功倍的作用。通过这节课引导学生把所学的知识构建成元素及化合物的认知模型，并把元素及化合物知识与氧化还原的知识相结合。帮助学生建立学习物质的性质认知模型，理清元素及化合物性质的学习规律并把此认知模型迁移运用于碳、氮、硫等变价元素知识的学习中。
“价类二维图”是以物质类别为横坐标，以核心元素化合价为纵坐标的二维平面图像，它直观、形象地体现了以某元素为中心的“分类观”“转化观”“元素观”，容易让学生将元素化合物知识系统化、结构化，有助于学生形成学习元素化合物的基本思路和形成化学的基本概念。通过“价类二维图”可以根据物质类别分析物质的通性，再依据核心元素化合价可以预测、分析物质的氧化性、还原性，最后学习物质“特性”的学习模式。
教学环节三
问题1：写出下列关于铁的物质的化学式
铁、氧化铁、氧化亚铁、四氧化三铁、氢氧化铁、氢氧化亚铁、氯化铁、氯化亚铁
问题2：请将“问题1”关于铁的物质进行分类，分类的标准是什么？
设计意图：分类观指的是在学习和研究化学物质过程中，遵照物质变化的规律对研究对象的特点进行系统、规律性的思维导向。它可以更好地理解化学学科的基本概念，又可以整体把握知识体系，对轻松系统掌握化学各模块知识具有事半功倍的作用。
问题3：请将“问题1”关于铁的物质放入“价类二维图”，各物质之间能否反应？如何反应？
教学环节四：科学探究——设计实验探究铁及其化合物的氧化性或还原性
[阅读]方法引导——预测某物质具有氧化性，寻找具有还原性（或氧化性）的另一物质，通过实验证实两者能发生氧化还原反应。小组讨论如何探究物质的氧化性或还原性？
氧化还原认知模型
设计意图：从探究元素化合价的变化情况探析，分析得出氧化还原的本质和规律，巩固氧化还原的认知模型。建立氧化还原概念，发展宏观微观辨析的素养。
实验探究1：探究氯化铁的氧化性
氧化还原认知模型1：氧化性（氧化剂）+ ？还原性（还原剂）
有现象，则证明
预测某物质具有氧化性，加入具有还原性的物质，才能发生氧化还原反应，且预期要有明显的实验现象，证实两者能发生氧化还原反应，才能证明这个物质具有氧化性。
学生活动：学生小组合作设计实验方案，讨论优化实验方案，动手实验，得出结论。
实验探究2：探究氯化亚铁的还原性
氧化还原认知模型2：还原性（还原剂）+？氧化性（氧化剂）
有现象，则证明
预测某物质具有还原性（做还原剂），加入具有氧化性的物质（做氧化剂），才能发生氧化还原反应，且预期要有明显的实验现象，证实两者能发生氧化还原反应。才能证明这个物质具有还原性。
学生活动：学生小组合作设计实验方案，讨论优化实验方案，动手实验，得出结论。
设计方案应从原料的来源的难易、價格高低、环保、实验操作、实验现象等多种角度思考得出最优方案，最后教师进行引导小结。
设计意图：化学是一门实验的科学，在教学中突出学生为主体，教师为主导，学生通过自行设计实验方案、优化方案、合作探究、分析现象、得出结论。从而增加学生的情感体验，调动学生学习化学的兴趣。
教学环节五：构建体系，提升思维，迁移应用——针对实验结果，引导学生总结价类二维图，利用模型运用后面的教学
迁移应用——氯化铁制作印刷电路板。
先在塑料板上镀一层铜，在设计好的铜线路上涂上一层石蜡，把板浸到氯化铁溶液中，没有被石蜡覆盖住的铜就被反应掉。试着写出有关的化学方程式？
设计意图：引导学生构建完整的知识体系，总结氧化还原的知识与变价元素性质的思路方法，利用价类二维图为分析工具，将物质间的性质与转化巧妙联系，形成系统的认知模型。并能基于认知模型，对探究其他物质性质提出合理可行的借鉴。
教学环节六：学以致用——生活中的化学
补铁剂的主要成分是乳酸亚铁片，为何还要加入维生素C？
设计意图：前后呼应，通过补铁剂、Vc的学习，引导学生再次体会化学在生活中的价值，培养学生的科学态度和社会责任感。化学已渗入每个人的日常生活，在改善人类的生活方面是一门实用和创造性的科学。性质决定用途，只有熟知物质的性质，才能把他更好地用于我们的生活。
三、教学反思和结束语
从微观角度认知氧化还原反应的本质，构建氧化还原反应的认知模型。结合元素的价类二维图和实验探究教学，提高了学生分析问题，解决问题的能力，培养学生的创新思维和科学探究能力，充分体现了以素养为本的教学理念。
学生通过模型认知，学生能够运用价类二维模型陌生物质进行有效的推理，提升学习化学学科的方法。在教学过程中把实验放在核心的位置，学生设计实验方案、交流讨论、完成实验、得出结论，通过思考问题、解决问题，突出学生的主体地位，使得课堂不再单调与枯燥，同时增强了同学之间的交流与合作能力。
核心素养时代，要求化学教师要不断地进行知识的学习，提高自身的专业素养，拓展知识面，提高课堂的应变能力，更好的驾驭课堂，这样才能更好地培养学生的创造力，提升学生的核心素养。
参考文献
[1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
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[3]康凯.论高中化学核心素养“模型认知”思维在教学中的培养[J].新课程，2017（10下）：24.
