指向“变化观念与平衡思想”的元素化合物复习策略研究

韦新平

摘要： “变化观念与平衡思想”为元素化合物复习提供了新的思维导向。通过对新课标的文本分析，提出指向“变化观念与平衡思想”的问题解决策略： 拓宽对元素化合物性质的多重认识视角;建立“反应条件方向”三元式问题解决思维模型;在问题情境中形成“三段式”分析思路。并从创设问题链和结构化认识思路两个方面探讨了素养为本的教学策略。

关键词： 变化观念与平衡思想; 元素化合物; 素养为本教学; 教学策略

文章编号： 10056629（2021）07003905

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 “变化观念与平衡思想”及其对复习的导向

“变化观念与平衡思想”是化学学科核心素养的重要组成要素，《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）指出：“认识物质是运动和变化的，知道化学变化需要一定的条件，并遵循一定的规律……认识化学变化有一定的限度、速率，是可以调控的。能多角度、动态地分析化学变化，运用化学反应原理解决简单的实际问题。[1]”为了便于在教学和评价中具体实施，“新课标”将其划分为4级水平。其中水平2强调“运用动态平衡的观点看待和分析化学变化”;水平3强调“形成化学变化是有条件的观念，认识反应条件对化学反应速率和化学平衡的影响”;水平4强调“能从不同视角认识化学变化的多样性，能运用对立统一思想和定性定量结合的方式揭示化学变化的本质特征”[2]。

通过以上分析能够发现，“变化观念与平衡思想”中的“与”并非简单相加，而是两者的有机融合。其中，有兩个方面特别值得关注： 一是多角度分析化学变化，即建立化学反应的多维度认识视角;二是形成“条件控制”观念，从平衡视角动态分析化学变化。这里的“条件”可理解为促进物质变化的一切影响因素。以上两个方面相辅相成，前者侧重于认识的广度，后者侧重于认识的深度。针对后者，如何形成化学变化的“条件控制”观念？如何运用“动态平衡”的观点分析化学变化？在实际问题解决过程中两者如何结合？这是需要我们在教学实践中努力探索的问题，也是能否有效落实“变化观念与平衡思想”的关键。

化学研究的基本问题是物质及其变化，“变化观念与平衡思想”则为化学物质的研究提供了很好的思维导向。在高三化学众多的复习专题中，元素及其化合物（以下简称元素化合物）是高中化学知识体系的基础，蕴含了丰富的物质及其变化规律，是化学基本概念、基础理论与核心素养的知识生长点[3]。然而，元素化合物专题复习同样存在着物质多样、知识零散、性质孤立、易学难记等困扰。在复习阶段，以“变化观念与平衡思想”为导向，融合专题知识间的关联，有助于帮助学生建立化学变化的多维认识视角，从“条件控制”与“动态平衡”的视角分析元素化合物的性质，能够为问题解决打开新的思路，为知识建构提供新的框架，为思维与素养的提升注入新的活力。

2 指向“变化观念与平衡思想”的元素化合物问题解决策略

2.1 从静态到动态，拓宽对物质性质的多重认识视角

对于物质的性质往往存在多个认识视角。“结构决定性质”“用途反映性质”“类别决定通性”以及“价态体现氧化性、还原性”等均为教师在教学中引导学生分析元素化合物性质的核心视角。其中，在复习中借助价类二维图建立同一元素不同物质间的价态、类别二维关系，是梳理元素化合物性质及其转化的重要途径，成为一个研究热点。然而，无论从结构、用途还是类别、价态，通常将其作为预测元素化合物性质的静态分析视角。从反应原理层面变换视角，基于“条件控制”动态层面认识元素化合物的性质，能为问题解决提供新的思路。

问题情境1 （1）生活当中洁厕灵（含盐酸）和84消毒液不能混合使用，原因是什么？（2）为什么Al（OH）3既能溶于酸又能溶于碱？（3）以上两个问题认识元素化合物性质的角度是什么？能否尝试从化学平衡变化的角度进行解释。

对于问题（1），可以结合元素价态根据氯元素的归中反应进行解释;也可以从氯水平衡： Cl2+H2OHCl+HClO动态变化的角度去认识： 溶液混合后，条件发生了改变，增大了c（HClO）和c（HCl），触发平衡逆向移动，从而产生大量氯气。对于问题（2），可根据物质类别通性作解释： 氢氧化铝是两性氢氧化物，既能与酸反应，也能与碱反应生成盐和水;也可以拓展到电离平衡动态变化的层面，即氢氧化铝既能发生酸式电离，也能发生碱式电离，更能揭示问题的本质： Al3++3OH-Al（OH）3H2O+AlO-2+H+，加酸降低c（OH-）触发氢氧化铝碱式电离，加碱降低c（H+）促进酸式电离。

问题情境2 向溶有SO2的BaCl2溶液中通入某气体，产生白色沉淀。则气体与白色沉淀的成分是什么？试描述反应的原理。

可以从SO2的价类二维视角进行解释： SO2是酸性氧化物，能够跟碱性气体NH3在水中生成亚硫酸铵，再与BaCl2生成白色沉淀BaSO3。 SO2又具有还原性，能被Cl2、O2等氧化性气体在水中氧化成H2SO4，随后生成BaSO4;该问题也可以通过构建SO2+H2O+BaCl2BaSO3+2HCl平衡路径进行动态分析： 由于不能“以弱制强”，所以反应正向程度微乎其微，但是，通入氨气中和HCl或加入氧化剂氧化BaSO3，能促使平衡正向移动产生白色沉淀BaSO3或BaSO4。

无论元素化合物的静态还是动态认识视角，其内在都是对立统一的，从不同角度揭示了化学变化的本质。从元素化合物价类二维认识视角，拓展到化学变化的“条件控制”与“动态平衡”视角，既能够拓宽学生的视野，从多个维度认识元素化合物的性质，也能活化学生的思维，融合元素化合物和反应原理等不同知识模块间的联系，增进对学科知识的深层次理解，从而提高复习的效率。

2.2 依托化学平衡整合物质性质，建立“三元式”问题解决思维模型

作为重要的符号表征方式，化学平衡方程式本身蕴含了丰富的元素化合物信息，能够联结宏观反应现象与微观反应原理，动态地表征出多样的变化过程。依托化学平衡方程式，能够以点带线，将围绕该元素化合物的多种性质串联在一起。例如，可以结合CO2+H2OH2CO3H++HCO-3这一个平衡方程式，从条件和方向动态变化的角度认识CO2的不同性质（见表1）。

依托化学平衡整合元素化合物的性质，能够将零散的知识集成在少数的几个平衡方程式当中，使碎片化的知识系统化，不失为元素化合物复习的一种有效策略。同理，也可以将NH3的制备、喷泉实验的原理、NH+4的检验等原理的解释整合在化学平衡方程式NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-中，结合条件变化与平衡的走向，动态认识NH3的性质。

通过以上分析可以看出，化学反应（平衡方程式）、条件变化和变化方向是从反应原理层面解决元素化合物性质相关问题的三个重要“思维节点”，在问题解决的过程中相互关联、互相转化、三位一体形成思维模型（见图1）。其中，反应是基础，条件是手段，方向是结果。在具体问题情境中，找出化学物质的平衡关系，控制条件动态调节化学反应方向，构建思维路径，能够有效解决问题。

2.3 梳理问题关键要素，建立问题解决的“三段式”思维路径

元素化合物作为高中化学知识体系的核心，在高考试题中占据着较大的内容比重。其中，无机工艺流程题是考查元素化合物内容的良好载体，能考查学生在真实的工业生产情境中，运用化学反应原理分析流程框图、解决实际问題的能力。通过对近几年高考全国卷的分析，凸显“变化观念与平衡思想”素养的试题呈上升趋势，且问题解决线索具有一定的隐蔽性，需要学生获取信息，梳理“反应条件方向”三个关键要素，找出化学平衡，分析条件变化，判断反应方向，从而构建问题解决路径（见图2）。

问题情境3 [2019全国Ⅰ卷，T26（3）]一种以硼镁矿（含Mg2B2O5·H2O、 SiO2及少量Fe2O3、 Al2O3）为原料生产硼酸及轻质氧化镁的工艺流程如下：

在“过滤2”前，将溶液pH调节至3.5，目的是：     。

可按以下思路分析解题路径（见图3）。

（1） 找出平衡： H3BO3+H2OB（OH）-4+H+;

（2） 分析条件： 调节pH≈3.5，增大氢离子浓度;

（3） 判断方向： 促进平衡逆向移动，生成硼酸。

图3 硼酸分离问题解决“三段式”思维路径

除以上问题外，还可针对其他生产环节补充设问，如用同种类型的问题强化训练学生的思维能力：“溶浸”过程中适当升温除了能加快反应速率还能达到什么目的？气体“吸收”时适当加压能起到什么作用？“沉镁”时若溶液pH调得过高对产品带来什么影响？

问题情境4 [2019全国Ⅲ卷，T26（5）]工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿（还含Fe、 Al、 Mg、 Zn、 Ni、 Si等元素）制备高纯硫酸锰，工艺流程如下：

已知“除杂2”的目的是生成MgF2沉淀除去Mg2+。若溶液酸度过高，Mg2+沉淀不完全，原因是：     。

可按以下思路分析解题路径（见图4）。

（1） 找出平衡： MgF2（s）Mg2+（aq）+2F-（aq）;

（2） 分析条件： 酸度过高，F-与H+结合形成弱电解质HF，F-浓度降低;

（3） 判断方向： 平衡正向移动，Mg2+沉淀不完全。

图4 镁离子沉淀问题解决“三段式”思维路径

可针对其他环节补充的同类型问题： 加入氨水“调pH”时适当加热的目的是什么？“沉锰”过程中适当提高溶液pH能提高MnCO3产率的原因是什么？硫酸酸溶MnCO3时温度不能过高的原因可能是什么？

类似问题及解法在2020全国Ⅰ卷T26（6）、 2019全国Ⅱ卷T26（2）、 2017全国Ⅲ卷T27（3）、 2016全国Ⅲ卷T28（4）等试题中均有出现。“三段式”的分析思路是对“三元式”思维模型的具体应用，梳理“反应条件方向”三个关键要素，树立“条件控制”思想，明确物质变化过程，有利于学生在陌生问题情境中快速构建思维路径，灵活解决各类问题。

3 指向“变化观念与平衡思想”的元素化合物教学策略

3.1 创设问题链，层层推进认识发展

发展核心素养并非一蹴而就，需要历经知识解析、概念转变和观念建构，最终形成认识能力;需要在不同的教学阶段逐步培养、分层落实，而问题驱动则为素养的提升搭建了认识阶梯。首先，在测试中合理利用高考试题驱动学生思考，是提升素养的有效途径。而一道完整的高考题考查的核心素养是多方面的，具体到“变化观念与平衡思想”层面的问题设置则相对较少。因而教师在命题过程中可以基于素养目标对试题进行合理改编，补充设问。例如对于问题情境3和情境4，可以整合信息素材，在工艺流程各环节中深入挖掘，以“条件控制”与“动态平衡”为导向设计问题链。此外，教师还可以查阅文献，搜集化工生产素材原创试题，绘制流程框图，创设更丰富的问题情境和更多样的设问方式。

其次，在高三常规复习课中，也可以打破知识模块壁垒，融合不同专题内容，创设问题情境，提出驱动性系列问题，循序渐进地引导学生的认识发展。例如在复习铁的化合物性质时可以融合盐类水解的影响因素相关内容，创设以下问题链：

（1） 写出实验室制备Fe（OH）3胶体的离子方程式;

（2） 制备过程中为何要加热，为何用蒸馏水而不用NaOH溶液？

（3） 倘若将氯化铁溶液加热直至蒸干，能否得到无水氯化铁固体？

（4） 如何用FeCl3·6H2O晶體制备无水氯化铁固体？

（5） 设计方案如何将FeCl2、 MgCl2、 AlCl3混合溶液分离（提供相关离子开始沉淀及沉淀安全时的pH数据）;

（6） 设计实验验证FeCl3的水解过程是可逆反应且是吸热的过程;

（7） 某同学向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的FeCl2溶液，溶液变成棕黄色;一段时间后溶液中有气泡出现，并放热，随后有红褐色沉淀生成。用平衡思想解释生成沉淀的原因。

多角度且富有层次的设问方式，有利于学生全方位地分析问题，找出平衡，从“条件控制”与“动态平衡”的视角更深入地认识元素化合物的性质。带有一定开放性的问题如设计实验、提供方案等，也有利于发散学生思维，促进思维在“反应—条件—方向”三个方面灵活转换，巩固建立的问题解决思维模型，层层推进“变化观念与平衡思想”认识的发展。

3.2 结构化认识思路，立体化发展核心素养

元素化合物专题复习不能只是对新课知识的简单重复，应体现更高层次的价值追求，帮助学生的认识发展经历一个由单一到多元、由静态到动态、由孤立到关联、由现象到本质的过程。这就需要学生对知识间的联系有更加清晰的认知，既要建立结构化的知识关联，也要建立结构化的认识思路。因此，教师需要引导学生在不同的教学阶段不断丰富、变换和拓展对元素化合物的认识视角，并以元素化合物为基础融合不同专题知识间的关联，促进学生认识思路的多样化和立体化发展。认识能力并非由学科知识简单加合而成，需要在教学活动中，通过学生的主动建构、反思内化和实践应用逐步形成[4]。因此，教师需要设计相应的学习任务，提出有启发性的问题，如“以上问题解决过程中你认识元素化合物性质的角度是什么”“问题解决的关键信息是什么？请归纳这类问题的共性”“请用流程框图呈现这几个关键要素间的联系”等，让学生在反思与实践中将认识思路外显，实现知识向能力的转化。

培养学生的模型认知能力对发展“变化观念与平衡思想”素养有重要的价值和意义。在实际问题解决过程中，从“条件控制”与“动态平衡”视角梳理出反应、条件、方向三个关键要素，建立“三元式”问题解决思维模型，形成“三段式”分析思路，有助于学生形成条理化的思维线索、可视化的学科方法，从而快速明确物质的研究方向和程序，减少对复杂、陌生问题认知与建模的时间，提高复习的质量与效率[5]。认识事物的角度与思路，不可能仅当作知识讲授，而需要教师创设多样化的问题情境，给学生创造自主调用的机会，引导学生内化于心，外显于行。值得一提的是，除了元素化合物，在化学平衡图像分析等专题，“反应条件方向”三元式的分析思路同样能体现其工具性，为问题解决搭建结构化的思维模板，学生思维过程也不必拘泥于“反应条件方向”的线性转化，可以结合不同问题进行灵活变换，立体构建问题的解决路径，最终实现思维、能力与素养的进阶式跃升与立体化建构。

参考文献：

[1][2]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.

[3]胡久华， 张银屏. 基于化学观念的化学1模块元素化合物的教学研究[J]. 教育科学研究， 2013， （10）： 59～62.

[4]姜言霞， 王磊， 支瑶. 元素化合物知识的教学价值分析及教学策略研究[J]. 课程·教材·教法， 2012， 32（9）： 106～112.

[5]蒋小钢. 基于建构认知模型的元素化学教学策略与实践[J]. 化学教学， 2020， （11）： 27～32.