基于模型认知的价类二维图在元素化合物学习中的应用

徐凯里　陈永平

摘要：价-类二维认知模型是高中学习化学元素化合物知识的重要方式之一。以探究“自然界中硫氮元素的循环”为载体，促进学生自主建构价-类二维认知模型，从而提高学生解决陌生物质转化问题的能力，培养学生证据推理与模型认知、科学态度与社会责任的化学学科核心素养。

关键词：模型认知; 价-类二维图; 氮循环; 硫循环

文章编号：1005-6629（2020）07-0042-07

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

1  引言

元素化合物知识是中学化学基础知识教学的主要内容，是化学理论知识教学的基础，也是发展学生化学学科核心素养的重要载体。在《普通高中化学课程标准（2017年版）》中，“常见无机物及其应用”作为必修课程五大主题之一[1]。在整个高中阶段，元素化合物相关知识具有种类多、性质碎、反应杂等特点，学生往往觉得易学难记，从而产生一定的畏难情绪。化学认知模型作为一种有效的认知工具，可以帮助学习者把化学知识高度浓缩，将次要的非本质的信息滤去，使重要的本质性知识形成清晰的知识框架，纳入学习者已有的知识体系，即使已经遗忘了具体知识，学习者也能通过认知模型重新学习模块知识，从而拥有终身学习能力。

在各种相关认知模型中，基于价-类二维的认知模型既能对“已有知识”进行系统有效的梳理，又能链接“陌生情境”与其他未知知识的转化关系，对于提高元素化合物知识的教学效果乃至中学化学整体教学质量具有重要意义。

2  价-类二维认知模型

2.1  价-类二维图的构成

价-类二维图的横坐标为该元素形成的物质类别，一般按照单质、氢化物、氧化物、酸、碱、盐等顺序依次排列;纵坐标为该元素常见化合价，往往按照由低到高的顺序依次排列;在元素价态和物质类别相对应的位置标出各物质的化学式，物质间的相互转换关系则通过箭头的方式展现出来。

价-类二维图的研究对象是元素与物质，可以理解为核心元素能形成不同的重要物质，也可以理解为不同物质中具有相同的核心元素。认识维度有两个，一个是类别，一个是价态，通过类别研究物质的通性，通过价态研究物质的氧化性或还原性，可以从二维上理解物质的性质以及不同物質之间的相互转化关系。通过完成与运用价-类二维图，可以解决相应的问题，外显学习能力，具体见图1。

2.2  价-类二维认知模型的构建

运用价-类二维图认识元素化合物时，一个维度是基于“分类”，另一个维度是基于“价态”。

“分类”是指对于某元素及其化合物，从物质组成、物质类别、反应类别等多角度对其分类，再结合各类物质通性推演物质的性质，或结合元素周期律中同族元素相似性和递变性进行迁移，推测物质性质。同一类物质在组成和性能方面往往具有一定的相似性，对物质进行合理的分类，能够帮助学习者根据物质的类别通性认识物质的性质。

“价态”是指从元素化合价角度出发，依据氧化还原反应规律分析判断物质的氧化性或还原性、最高价元素只有氧化性、最低价元素只有还原性、中间价态元素既有氧化性又有还原性等，进而推测物质间可能发生的氧化还原反应。

此外，由于个性的原因，具体到某种物质，会存在一些独特的性质，需要特别识记。最后可以将生产、生活、实验中与该物质有关的用途与性质结合，加深理解，见图2。

2.3  运用价-类二维图发展学科核心素养

基于价-类二维图认识物质性质及转化，既能对物质及其反应进行分类与表征，发展学生“宏观辨识与微观探析”素养，又能建构认识元素化合物的认知模型，进而解决一系列的相关问题，发展“证据推理与模型认知”素养。同时，通过化学反应探索物质性质、实现物质转化，体会物质性质及转化的社会价值，培养“科学态度和社会责任”的核心素养[4]。

3  价-类二维图在教学中的应用

价-类二维认知模型为学生整理元素化合物知识提供支撑依据，既有利于从物质类别和价态视角掌握物质的通性，更有利于优化重组物质间的转化关系，还有助于培养学生的统摄思维和概括能力[5]，为学生提供通过模型认识物质世界的方法，解决元素化合物知识繁多难学的困难境遇。本文以“自然界中硫氮元素的循环”教学为例，通过利用价-类二维图探究硫氮循环中各类物质的相互转化，提升学生在陌生复杂的实际情境或体系中能够进行迁移应用的能力。

3.1  教学内容分析

“自然界中硫氮元素的循环”是沪科版高一年级第二学期第五单元第四节第三课时的内容，单元主题是“评说硫、氮的‘功与‘过”，作为高中必修课程中最后学习的两种非金属元素——硫、氮及其化合物充分体现了物质类别和价态的丰富性与多样性。在完成“硫及其化合物”（硫、硫化氢、二氧化硫与浓硫酸）、“氮及其化合物”（氨与铵盐）的学习之后，教材安排了“硫、氮在自然界循环”这一学习内容，使学生的知识进一步系统化、结构化，为高二进一步学习金属元素及其化合物知识和元素周期律奠定基础。

知网检索显示，自2000年以来，在“基础教育与中等职业教育”研究层次上，以“氮循环”作为关键词检索，仅有12篇期刊文献，其中发表在化学教学类期刊上的仅有4篇;以“硫循环”作为关键词检索，仅有2篇期刊文献，其中发表在化学教学类期刊上的仅有1篇。可见，这部分教学内容有意无意间被忽视了。究其原因，主要是由于硫氮循环内容综合性较强，而且与生命科学等学科也存在一定的交叉，因此在传统教学中，教师往往因部分重要环节在前期教学中已经详细学过，而对这部分内容进行删减略讲，甚至跳过。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中指出：“结合实例认识金属、非金属及其化合物的多样性，了解通过化学反应可以探索物质性质、实现物质转化，认识物质及其转化在促进社会文明进步、自然资源综合利用和环境保护中的重要价值。[6]”不仅指明了自然界中的物质变化大都是通过化学反应实现，而且人类可以利用这些化学反应实现物质间的转化，说明化学在促使人与自然和谐相处等方面发挥重要的作用。

而硫氮循环的学习内容正符合上述要求，

不仅可以帮助学生获得一种认识物质及其变化的化学思维视角，而且可以提升认识自然界物质及其变化的能力，树立人与自然和谐共处的意识。

本节课以构建硫氮循环作为真实情境载体与驱动性任务，学生运用价-类二维图，通过路径设计、资料收集、实验探究等方式，最终建构研究物质转化的价-类二维认知模型，实现学与用的融合。同时从化学视角出发，引导学生认识硫、氮及其重要化合物对自然生态环境的影响以及对维持生态平衡的作用，树立合理利用资源和可持续发展的观念。

3.2  学生情况分析

在学习本节课之前，学生已经能够初步从物质类别和核心元素化合价两个角度认识物质，预测物质的化学性质，但是还未能建立起研究物质的两个角度与转化之间的关联，尚未形成研究物质转化的一般思路和方法;学生对硫化氢、二氧化硫等有毒物质往往存在刻板印象，将“化学”与“污染”联系在一起，忽视了硫、氮是重要的生命元素，涉及人类生活、生产的各个领域;对于环境问题虽有一定认识，但不善于从化学角度，运用已有的化学知识去寻找解决问题的方法。

3.3  教学与评价目标

3.3.1  教学目标

（1） 掌握硫氮自然界循环的基本知识，知道硫氮循环过程中涉及的重要物质及其在生态过程中的影响。

（2） 了解价-类二维图在研究元素的循环中的应用，从化学视角认识自然界的硫氮元素循环。

（3） 了解硫氮循环失衡对生态环境带来的影响，认识到物质具有两面性，树立可持续发展的观念。

3.3.2  评价目标

（1） 通过观察和实验方式认识氮氧化合物的性质，诊断并发展学生实验探究物质水平（基于经验水平、基于概念原理水平）。

（2） 通过运用价-类二维图构建氮循环与硫循环路线，诊断并发展学生基于物质分类与氧化还原对物质及其转化思路的认识水平（孤立水平、系统水平）。

（3） 通过对利用元素循環解决环境问题与发展新技术的讨论，诊断并发展学生对化学价值的认识水平（学科价值视角、社会价值视角、学科和社会价值视角）。

3.4  教学实施过程

3.4.1  进一步认识大气固氮

（1） 初步认识氮循环

[教师活动]展示三种固氮途径年固氮量与大气中氮的总量。提出问题：估算大气中的氮可供固氮持续多少年？

[学生活动]估算固氮大约可持续600万年。

[教师活动]播放新闻“发现八亿年前固氮生物化石”。提出问题：大气固氮与生物固氮已持续了亿万年，为何氮气含量依然稳定？

[学生活动]猜测可能存在某种补充机制会生成氮气。

[教师活动]这个过程称为氮循环。如何从化学角度来构建氮循环的基本过程？

设计意图：从学生已知的固氮出发，通过估算，引发疑问，使学生对“氮循环”产生兴趣。

（2） 熟悉价-类二维图

[教师活动]展示空白价-类二维图并对使用方法进行介绍。

[学生任务]在价-类二维图中绘制三种固氮途径[图3（a）]，并分析转化过程中是否涉及氧化还原反应。

设计意图：提供研究工具，强调从价态与类别两个角度理解氮循环，初步形成价-类二维认知观。

3.4.2  构建氮循环路线

[教师活动]我们在学习固氮的时候已经知道，生成一氧化氮只是大气固氮过程的第一步，但当时并未继续深入学习后续变化。今天我们先来探究一氧化氮的转化。

[教师实验]展示分别充有一氧化氮气体与二氧化氮气体的两支针筒，向充有一氧化氮的针筒中注入一定量空气。

[学生任务]通过观察，确认一氧化氮是无色气体，二氧化氮是红棕色气体。在注入空气后，无色的一氧化氮变为红棕色，得出一氧化氮与氧气反应转化为二氧化氮的结论。据此写出相应的化学方程式。

[教师实验]向充有二氧化氮的针筒中注入一定量的水，持续振荡针筒至反应基本完全。将针筒中的液体小心注入一支试管中，滴入紫色石蕊试液。再向针筒中注入少量空气。

[学生任务]通过观察，确认二氧化氮与水反应生成了一氧化氮与某种酸。根据氧化还原理论推测二氧化氮一部分被还原为一氧化氮，而另一部分应被氧化为硝酸。据此写出相应的化学方程式。

设计意图：促使学生运用氧化还原原理去分析氮氧化合物间的转化，强化基于证据进行推理的意识。

[学生任务]在价-类二维图中绘制一氧化氮至硝酸的转化路线，补充硝酸转化为硝酸盐的过程[图3（b）]。

设计意图：借助绿色化实验，让学生观察体会NO、 NO2与HNO3之间的相互转化，以及转化的条件，为后续将此过程转化为工业上生产硝酸做好铺垫。

[教师活动]人类很早就注意到了雷雨对庄稼带来的影响。北宋王安石有一首诗中写道：“雷蟠电掣云滔滔，夜半载雨输亭皋。旱禾秀发埋牛尻，豆死更苏肥荚毛。”意思是雷雨过后，庄稼长势喜人，丰收在望。农村也有“雷雨发庄稼”“一场雷雨一场肥”等谚语。提出问题：其中蕴含了怎样的化学原理？

[学生任务]分析说明：空气中的氮气和氧气能在放电的条件下反应生成一氧化氮，一氧化氮易氧化为二氧化氮，再与水反应最终生成硝酸混于雨水中，在土壤中又会进一步形成硝酸盐，相当于施用了天然的硝态氮肥，帮助了庄稼成长。

设计意图：引导学生从生活中学习化学，学会运用化学思维来理解事物。

[教师活动]无论是硝态氮还是铵态氮，最终都转化为生物体内的含氮有机物，例如蛋白质、氨基酸、核酸等。由于有机物中氮元素价态比较复杂，我们在价-类二维图的最右边，在象限之外增加有机氮的转化[图3（c）]。

[教师活动]在这张图上，氮元素的转化形成了一个闭环。提出问题：是否已经完成氮循环的构建？

[学生活动]讨论循环的定义。提出终而复始是循环最重要的特点。现在构建的闭环中，存在明显的起点和终点，不是循环。

[教师活动]我们知道，蛋白质在微生物的作用下发生腐败可以产生氨气，这个过程叫做氨化作用;-3价的氮元素也能在微生物作用下转化为+3价或+5价氮元素，这个过程称为硝化作用。提出问题：补充氨化作用与硝化作用后是不是可以构成循环？

[学生活动]判断并提出关键问题：要完成氮循环，一定要有一种能使化合态的氮又重新变回游离态氮的转化。

[教师活动]播放科普视频“反硝化作用”。

[学生活动]完成氮循环转化路线[图3（d）]。

设计意图：通过关于“闭环”与“循环”的探讨，将建立氮循环的过程转化为充满化学推理思维的过程，强化思维的严谨性，帮助学生进一步理解氮循环的内涵。

[教师活动]用价-类二维图展示是从化学变化视角来描绘氮循环。我们也可以用形象化的图像来表示氮元素在大气圈、土壤圈、生物圈、水圈等各圈层中的迁移、变化与循环，这就是自然界中的氮循环（见图4）。从这张图中，我们更能感受到氮循环对地球上生命的意义。可以说，氮循环维系地球生命生生不息，而生命也为氮循环的不断往复提供了源源不断的动力。

设计意图：将化学视角下的氮循环转化为自然界视野下的氮循环，更突出氮循环与生物圈的相互影响，为后续了解氮循环失衡带来的后果与寻找修复氮平衡方法做好情感铺垫。

3.4.3  了解氮循环失衡

[教师活动]在自然状态下，氮循环建立的平衡使得氮元素在各圈层中的分布趋于稳定，其中任何一个环节的失衡都会对生态环境造成影响，而在很多情况下，恰恰是我们人类活动造成了这种失衡。

[学生任务]阅读相关资料，分析光化学烟雾、酸雨、水體富营养化、耕地贫瘠化等相关环境问题与氮循环中某环节失衡的对应关系（见图5、图6）。

设计意图：以常见环境问题引发学生思考，氮循环无处不在，任何一个环节出现问题都会带来严重的后果，提升社会责任感。

3.4.4  运用氮循环规律

[教师活动]我们要解决氮循环失衡带来的问题，最终还是要回到氮循环本身去找答案。认识氮循环中蕴含的规律，就能帮助我们利用好这个规律去解决问题，去寻找新的发展方向，为人类造福。比如，可以利用氮氧化合物的氧化性净化汽车尾气。汽车尾气中含有氮氧化合物、碳氢化合物、一氧化碳等，能否促使它们之间发生反应转化为无害的物质？

[学生活动]氮氧化合物具有一定的氧化性，碳氢化合物与一氧化碳具有还原性，两者理论上可以发生氧化还原反应，生成氮气、二氧化碳与水。

[教师活动]大家猜测得不错，氮氧化合物的确可以氧化碳氢化合物与一氧化碳，但是反应速率非常慢。提出问题：你有什么好的建议？

[学生活动]可以使用催化剂，加快反应。

[教师活动]科学家们发明了三元催化剂，将它安装在汽车尾气净化器中，可以将尾气中的有害成分转化为能直接排放的物质（见图7）。

[教师活动]对于水体富营养化，我们从氮循环中又能找到怎样的解决之道呢？

[学生任务]从氮循环图中寻找线索。解决水体富营养化，关键就是要降低水体中氮的含量，可以通过反硝化作用消除硝态氮，而铵态氮可以通过硝化作用转化为硝态氮再进行脱氮。

[教师活动]人们利用这一转化，发明了生物脱氮技术，相比于化学脱氮，用生物脱氮处理含氮废水具有经济、有效、易操作、无二次污染等特点，因此得到了广泛的应用。

设计意图：以社会热点问题引发学生思考，帮助学生理解，人们能够应用化学原理解决环境问题，修复氮平衡，实现人与自然的和谐相处。

[教师活动]我们再来找找发展方向。在氮循环中能不能开发出能用于化工生产的转化呢？提出问题：对于生产硝酸，同学们能找到怎样的方法？

[学生任务]大气固氮过程中，从一氧化氮到硝酸的转变，条件要求低，在常温下就能发生，适宜改造成硝酸生产工艺。（有同学提出是否可能通过雷电作用大量制造一氧化氮）

[教师活动]还记得我们在氨气这节课中学过的另一种能得到NO的反应吗？（学生回答：氨的催化氧化）

[学生活动]书写工业合成硝酸相关反应的化学方程式。

[教师活动]人类自从发明了合成氨技术后，氨氧化法生产硝酸就开始进入工业化阶段，至今依然是世界上生产硝酸的主要方法。

设计意图：完善认识思路，引导学生全面看待氮循环，体会人类在尊重客观规律基础上发挥主观能动性的意义，感受到科学研究的伟大，同时也丰富了人类活动参与下的氮循环。

3.4.5  迁移硫循环

[教师活动]我们从固氮开始，一步一步完成了氮循环的构建，知道了氮循环对于生态环境的重要意义，了解了氮循环失衡可能导致的环境问题，同时也在氮循环中找到了解决之道与新的发展方向，这充分说明了人与自然应该和谐共生，人类是人与自然平衡的维护者。其实，除了氮以外，硫也是对生命十分重要的一种元素，在自然界中，硫元素也存在着循环。这是自然界中硫循环的示意图（见图8），你能否运用价-类二维图，从化学变化角度来构建硫循环呢？

[学生任务]在价-类二维图中完成硫循环（见图9）（其中，生物体内与矿物岩石中的硫元素，由于价态多元、复杂，可以在二维图的右侧另行标注）。

设计意图：进一步明确价-类认识角度，并且自主调用认知模型，完成硫循環转化路径。学生交流转化路径时，教师通过不断追问，能够让学生外显价-类认识角度和基于氧化还原反应的推理思路。

[教师活动]请大家思考，硫循环中某个环节如果出现失衡，可能会对人类的生活生产带来哪些影响？人类如何利用硫循环来解决问题或寻找发展方向？

[学生活动]大气中二氧化硫的一系列转化，是导致酸雨问题的主要原因之一，防治酸雨的最根本途径就是减排。人类也可以利用二氧化硫转化成硫酸的原理发展硫酸工业。

设计意图：运用价-类二维图解决实际问题，突破运用上的难点。

[教师活动]从本单元我们学习过的内容来看，有一些硫及其化合物间的转化由于在自然界并非普遍存在，所以没有在硫循环图中出现，我们可以将单质硫、亚硫酸盐、浓硫酸的一些化学性质也标注在价态-类别二维图中，能够帮助我们更全面地掌握本章所学的含硫物质间的转化关系。

[学生任务]在价-类二维图中完成含硫物质的转化（见图10）。

[教师总结]价-类二维图不仅为我们展现了物质转化的途径，而且也为我们学习元素化合物的性质提供了两个重要的视角：物质类别与化合价。根据物质类别，我们可以分析它们的通性;根据所含元素的化合价，我们可以分析它们可能具有的氧化性或还原性，预测在氧化还原反应中可能会发生的变化;此外还要注意它们各自的特性;最后将生产、生活、实验中与该物质有关的用途与性质结合起来，加深理解。我们将在本单元的复习课中继续来学习这种思维模型。

设计意图：明确价-类二维认知模型对学习元素化合物的意义，凸显其价值功能。

[课后作业]工业排放的废气中含有硫化氢气体会产生污染。运用含硫物质转化关系，提出几种利用化学方法进行处理的建议。

4  教学特色与反思

本课采用真实的氮循环（随后迁移、发散至硫循环）情境贯穿教学设计，以含氮、硫物质的转化作为主线，以真实的驱动性问题促使学生自主调用价-类二维认识角度，引导学生进行路线绘制、问题解决、概括解释等活动，最终形成研究物质转化的思维模型，发展学生“证据推理与模型认知”的化学学科核心素养。同时，借助氮、硫循环的失衡与利用氮、硫循环解决问题，帮助学生体会物质性质及其变化在促进社会可持续发展方面的应用，培养学生的辩证思维和“科学态度与社会责任”的学科核心素养。

参考文献：

[1][6]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社， 2018.

[2]吴琼. 价-类二维图在元素化合物复习中的应用研究[D]. 武汉：华中师范大学硕士学位论文， 2017.

[3]郝秀芳， 何文杰， 刘晓军. 基于思维模型建构的“物质转化”的教学实践——以“含氮物质的相互转化”为例[J]. 化学教与学， 2020， （1）：46～50.

[4]卓高峰， 魏樟庆. 基于“模型认知”的元素化合物教学认识[J]. 化学教学， 2018， （12）：32～35.

[5]黄海云， 吴庆生. 用“元素价-类二维图”复习元素化合物策略探索[J]. 化学教学， 2014， （5）：34～37.