元素化合物结构化认知模型的构建与实践

2021-08-09黄剑锋

中小学课堂教学研究 2021年3期

【摘要】文章阐述如何构建元素化合物脉络下结构化的化学知识，通过构建元素化合物的认知模型，以不同的主题展开复习，从多个视角复习元素化合物知识，建立元素化合物知识与化学原理知识之间的联系，提高学生解决以核心素养立意的高考试题的能力。

【关键词】认知模型;主题式教学;结构化

【作者简介】黄剑锋，正高级教师，特级教师，全国优秀教师，广西教学名师，南宁市教坛明星。

【基金项目】广西教育科学“十三五”规划2017年度A类重点课题“基于学科核心素养培养的高中化学教学单元设计的研究”（2017A003）

在传统的高三复习备考中，很多教师往往只注重知识的归纳整理和题型的训练，学生的认知仅停留在对知识点的梳理和罗列上，学生解题能力的提升依赖重复而机械的题海训练。这些做法虽然能提高学生解题的熟练程度，但基于知识记忆的浅层复习会造成知识的碎片化、理解的肤浅化、思维的呆板化。学生面对基于核心素养立意的高考试题就会困难重重，解答起来力不从心。在高考备考中，笔者探索元素化合物单元复习法的复习模式，构建元素化合物脉络下结构化的化学知识体系，以任务驱动，激发学生的学习积极性，有效提高复习效率，落实学生的化学学科核心素养。本文以“钠及其化合物”单元复习为例，谈谈笔者的一些实践研究。

一、基于学习进阶原理，构建认知模型

化学是在原子、分子层次上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质[1]。化学研究的对象为物质，化学知识是人类在认识物质的漫长历史中产生的。近几年的高考化学试题一般都是以元素化合物为知识背景，围绕元素化合物的核心概念及基础知识设问。笔者结合教学实践，根据学习进阶原理，构建元素化合物的认知模型（如图1）。

该认知模型的建构基于化学认识的视角和化学认识的思路。化学认识视角回答的是“从哪里想”的问题，能让学生知道元素化合物知识复习的思路和顺序;化学认识思路解决“怎么想”的问题，该模型能引导学生“如何想”“想什么”，形成元素化合物知识复习的一般程序[2]。教师要结合高考真题，引导学生学会分析和解决问题，真正达到知能同步，帮助学生在知识掌握中形成能力，在能力培养中掌握知识的效果，从而有效提高复习效率。

二、基于认知模型，开展主题式教学

《普通高中化学课程标准（实验版）》和《普通高中化学课程标准（2017年版）》均以知识主题组织教学内容。所谓主题就是指能够统摄一类化学知识的核心概念或化学学科思想与观念。在建构元素化合物认知模型的基础上，教师可以通过主题式教学构建结构化的化学知识。

主题一：物质的分类与性质

物质的分类与性质主题是基于学生化学分类观的培养，即通过对本单元常见元素及其化合物进行分类，归纳其性质，构建物质类别与性质对应的思维模型，并能够以此判断陌生物质的性质，形成应用分类思路解决化学问题的能力，建立化学分类观。

（一）以物质分类观构建知识网络

教师首先引导学生运用分类思想建构知识，建构钠及其化合物的认识框架。按金属单质—氧化物—碱—盐的顺序，归纳整理常见的钠及其化合物：Na、Na2O、Na2O2、NaOH、NaCl、Na2CO3、NaHCO3，以思维导图的形式制作钠及其化合物为主题的知识网络（如图2）。在构建知识网络过程中，复习各类物质的通性、典型代表物的性质，让学生形成物质类别与物质性质的对应关系，从而具备根据物质类别推断物质性质的能力。

（二）以氧化还原观构建知识网络

钠、过氧化钠是典型的代表物，其中钠具有强还原性，过氧化钠既有氧化性又有还原性。因此，教师要引导学生从氧化还原反应的视角认识反应的实质，形成基于化合价升降的氧化还原反应思维，构建钠及其化合物的价类二维图（如图3），从化合价升降视角实现钠及其化合物的相互转变，实现学科的深度学习，为学生单元复习起到指导作用。

（三）以陌生物质性质预测模型建构

通过以上基于分类观和氧化还原反应观构建钠及其化合物的知识网络，笔者有意识地让学生判断陌生物质的化学性质。例如判断NaH的化学性质。在问题解决过程中，学生体会判断陌生物质性质的方法，进而构建预测陌生物质性质的思维模型（如图4）。

主题二：物质的实验探究

化学是一门以实验为研究手段的学科，很多基本理论来自对实验现象的观察、分析和对数据的整理、归纳。纵观近五年的高考试题发现，实验题在高考试题中的权重很大，因此，提高学生解决实验问题的能力，培养学生的化学实验观很重要。化學实验观的培养不是通过单纯的具体知识的学习能实现的，而是以具体知识作为载体和工具，让学生去发现问题、分析问题，通过主动探究、主动发现等方式，提高解决实验问题的能力。

钠及其化合物有着丰富的实验素材，例如金属钠的燃烧实验，金属钠与水、盐溶液的反应;过氧化钠的性质实验;碳酸钠和碳酸氢钠的性质实验;碳酸钠和碳酸氢钠相互转化实验;焰色反应实验;酸碱中和滴定实验等，通过这些素材可以复习化学实验基本常识及基本操作。教师还可以将其进一步拓展为探究实验，例如探究Na与CuSO4溶液反应;探究Na2O2与H2O的反应机理;探究Na2O2与CO2的反应机理;探究Na2CO3和NaHCO3的鉴别方法;等等。探究实验让学生学会提出问题、提出假设、设计实验、实验验证和得出结论，从而提高学生科学探究能力，发展科学探究与创新意识素养。

主题三：物质的组成结构

化学是在原子、分子水平上研究物质的，基于宏观辨识与微观探析的化学学科核心素养，要求学生能运用微粒结构图式描述物质及其变化的过程，能从物质的微观结构说明同类物质的共性和不同类物质差异及其原因，解释同类的不同物质性质变化的规律。

以钠为代表元素的碱金属是典型的金属元素，其结构、性质具有典型的变化规律，是发展学生宏观辨识与微观探析、证据推理与认知模型素养的良好素材。原子结构、元素周期表结构、元素周期律、化学键、电子式、原子结构示意图、以物质的量为中心的计算等是学生已有的认知，让学生用已有的知识解决问题是高考复习的有效策略。笔者以Na、Na2O、Na2O2、NaOH、NaCl、Na2CO3、NaHCO3等具体物质，布置以下学习任务：①说出钠元素在周期表中的位置，并指出钠为何如此活泼。②怎样利用元素周期律比较金属元素的金属性强弱？③判断Na、Na2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3中的化学键。④写出Na、Na2O、Na2O2、NaOH的电子式。⑤分别判断1molNa2O、Na2O2、NaOH、Na2CO3、NaHCO3中阴、阳离子数目。通过以上任务，学生能从原子、分子水平上认识物质的组成、结构、性质和变化，形成结构决定性质的观念，构建以结构为中心的认知模型（如图5）。

主题四：物质的反应原理

化學是变化之学，化学变化都有其相应的原理，常见的反应原理有化学反应与能量，化学反应的方向、限度和速率，水溶液中的离子反应与平衡。高考化学原理题对学生而言是难题，化学原理知识对学生来说也比较枯燥、难懂，许多教师还只是停留在从知识立意角度进行教学，只注重学生知识量的积累和做题熟练程度的提高，而忽视了学生化学学科核心素养和思维能力的提高。

高考化学原理题考查学生的变化观念与平衡思想的化学学科核心素养，是对化学变化的条件、方向、限度和变化规律以及相互关系的基本认识。笔者将化学反应原理与元素化合物知识融合在真实的情境中，以社会、生活、科学、技术、环境和最新科技成果等作为知识载体，置知识复习于实际的问题解决中，以帮助学生创造性地解决问题，通过问题解决达到复习知识的目的。在“钠及其化合物”的单元中，笔者通过以下例子，结合化学反应原理知识进行复习。

（一）钠的化合物在生活中的使用原理

生活中常见的钠的化合物有氯化钠（食盐）、碳酸钠（苏打）、碳酸氢钠（小苏打）。为了让学生更好地了解钠的化合物在生活中的使用原理，笔者设计了以下问题链：我们如何从海水中得到精盐？碳酸钠俗称纯碱，其水溶液为什么能洗涤油污？为什么加热碳酸钠水溶液洗涤效果会更好？你知道泡沫灭火器的原理吗？等等。这些生产、生活中的问题，涉及化学工艺流程、盐类水解反应、离子反应、弱电解质电离和水解程度大小比较等知识，将知识融合在真实问题情境中，激发学生的学习兴趣，启发学生运用知识解决问题。因此，教师引导学生通过对以上问题的思考、交流和讨论，以所学习的基本化学知识解决与化学有关的真实问题，学生既复习了知识，又提高了分析问题和解决问题的能力。

（二）常用锂电池的电化学原理

锂电池是人们现代生活中不可或缺的用品，很多学生对锂电池都不陌生，但是对锂电池的原理却一无所知。教师引导学生通过对高考真题中锂电池模型的分析讨论，对锂电池的结构、电极判断、电极反应式书写、粒子运动方向等基础知识进行讲解，让学生了解当前以新科技、新产品为素材的电化学问题，落实学生的科学态度与社会责任的核心素养。

（三）从定量角度分析过氧化钠的反应

钠及其化合物能发生多种类型的化学反应，教师不能只注重对学生知识的记忆复习，还要引导学生从不同的视角认识化学变化的多样性，运用对立统一的思想和定性定量结合的方式揭示化学变化的本质特征。通过运用化学反应原理知识进行分析，学生既能巩固知识，又能体会到理论知识在分析和解决化学问题中的应用。例如，过氧化钠参与的反应中蕴含着丰富的内涵，教师可从不同的视角发现电子转移的规律、体积变化的规律、质量变化的规律等，发展学生宏观辨识与微观探析，以及证据推理与模型认知的核心素养。

主题五：物质的工艺流程

化学是人类认识物质、创造物质的一门学科，元素化合物知识是人类创造物质的基础知识。物质的工艺流程主题教学的目的是让学生了解元素化合物知识的应用，让学生具有理论联系实际的观念，将化学成果应用于生产、生活的意识，能依据实际条件并运用所学的化学知识和方法解决生产生活中简单的化学问题。笔者以“钠及其化合物”在工业上的应用为例进行说明。

侯德榜制碱法是“钠及其化合物”在工业上的典型应用，根据侯德榜制碱法工艺流程（如图6），笔者设计了以下问题。

（1）从流程图可以看出侯氏制碱法是先向饱和食盐水中通入NH3，然后再通入CO2，从元素守恒角度分析，NaCl→……→Na2CO3，能否直接向饱和食盐水中通入足量的CO2得到Na2CO3？

（2）NH3在水中溶解度有多大？NH3与CO2反应是生成（NH4）2CO3还是NH4HCO3？已知25℃时H2CO3、HCO3-、NH3·H2O的电离常数分别为4.4×10-7、4.7×10-11、1.8×10-5。

（3）氨的食盐水吸收了CO2后溶液中有哪些离子？沉淀池中析出的晶体是NaHCO3、NH4Cl、NaCl还是NH4HCO3？已知20℃时几种物质的溶解度如下。

（4）工业制碱，是由自然界易得到的原料开始，经过一系列反应连续生产的，包括哪些反应？哪些物质可以循环使用？

（5）NaHCO3是氨碱法和联合制碱法制纯碱的中间产物，在滤出小苏打后，母液提取氯化铵有两种方法：①通入氨，冷却、加食盐，过滤;②不通入氨，冷却、加食盐，过滤。对两种方法的评价正确的是（选填字母）。

A.①析出的氯化铵纯度更高

B.②析出的氯化铵纯度更高

C.①的滤液可直接循环使用

D.②的滤液可直接循环使用

（6）侯氏制碱法的优点是什么？

高考工艺流程题以元素化合物为基本素材，以物质转化中涉及的氧化还原反应、复分解反应、水解反应的应用为考查重点，以流程中涉及沉淀溶解平衡分析及计算、电解池原理的应用为难点，以常见物质的分离方法及实验操作为探究手段，综合考査学生解决化学问题的能力。