以实验为基础的分层建构元素化合物转化关系的研究

陈志刚 李毅 常晓燕

摘 要：化学是在原子、分子层次上研究物质。元素化合物转化关系是高中化学学习的重要内容。从认识规律出发，分层建构元素化合物转化关系有利于学生的化学学科素养的发展。实验在分层建构元素化合物转化关系过程中发挥重要作用。本研究以钠元素化合物为例，开展以实验为基础的分层建构元素化合物转化关系研究。

關键词：元素化合物;实验;转化关系;分层建构

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化。实验是认识元素化合物转化的极为重要的方法。实践中，中学化学实验教学效果不理想主要表现为：其一，实验教学完成率低。很多学生实验变成演示实验，演示实验变成讲实验或者放视频;实验教学相对较复杂，拓展实验少。其二，实验教学学生参与度低。学生分组实验少;能实施的实验，照方抓药的情况多。实验未能激发学生深度参与。其三，实验教学创新度低，实验间缺乏联系，碎片化的实验没能有效指向学生知识的整体建构。

经过大量的研究并结合实践，我们将实验融会贯穿到整体化学教学，形成了“实验——理论——实验”范式，并形成一系列实验策略，使化学实验教学价值较好显现出来，得到了区域同行的认可。本研究以高中钠元素化合物转化关系建构为例进行说明。

一、 初中元素化合物转化关系认知基础分析

进入高中前，学生的认知基础来自生活和初中化学学习。具体来看，学生对元素化合物的认知是依托个别案例进行关联学习。学生生活经验中的钠元素化合物主要是氯化钠。氯化钠是生活必需品食盐的主要成分。氯化钠在生活中应用广泛，氯化钠是学生认知钠元素化合物的天然锚点。

初中含钠元素物质主要有氢氧化钠和氯化钠。（1）氢氧化钠是实验室常用强碱。学生通常使用氢氧化钠溶液。这与生活中使用氯化钠固体不同。固体氯化钠可分类为纯净物，而常使用的氢氧化钠溶液则是混合物。研究认为：展示氢氧化钠固体，配制和展示氢氧化钠溶液十分必要。这有利于学生结合情境理解“NaOH”表示的物质是什么。常用实验情境下，教师学生使用的是氢氧化钠溶液，因此学生对于“NaOH”符号通常理解为氢氧化钠溶液;而脱离情境，“NaOH”通常表示的是纯净物固体。（2）粗盐提纯是初中的重要实验。将粗盐固相混合物溶于水形成液相粗盐水混合物，再通过过滤、蒸发的方法进行简单提纯。这个实验可以更好地将学习和生活关联。

从转化关系看，需要掌握氢氧化钠这种最常见的碱与盐酸中和生成氯化钠和水，这个转化可以通过不同的实验形式进行。氢氧化钠与二元弱酸碳酸（或二氧化碳）反应生成碳酸钠的酸碱反应要求层次高一些。碳酸钠与氢氧化钙生成氢氧化钠的沉淀反应相对更难一些。从一元到二元，从酸碱反应到沉淀反应再到复分解反应归类，学生认知的范围在拓展，认知的方法在增多，认知的能力在提升，学生从简单中和实验学习归纳认知了酸碱中和反应并进行了迁移。总结来看，初中钠元素化合物虽然量少，但其学习方式较全面地体现了化学学习特点。

二、 高中元素化合物认知建构分析

高中认知元素化合物除了生活外，要依托实验室实验、部分工业生产以及思维工具进行，其中实验极为重要。总体来看，学生对元素化合物的认知具有指向系统区域建构、深度关联思维拓展、整体输出指向应用等特点。

（一）指向系统，区域建构

高中化学学习具有明显的系统指向。从分类出发，通过典型代表物进行区域建构，最终具备一定程度系统性。在必修阶段，学生常见的含钠元素物质并不多，包括钠、氧化钠、过氧化钠、氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氯化钠等。但所涉及的分类全面：单质、氧化物、过氧化物、碱、盐。

指向系统，通过区域教学建构，符合认识规律。根据学生的认识基础，高中教材（人民教育出版社2019年版，下同）结构排布是先单质，再氧化物、过氧化物、最后是盐，碱类物质氢氧化钠作为已学内容直接应用。

（二）依托实验，区域建构

化学是以实验为基础的自然科学。依托实验，建构物质关联，能够充分调动学生的学习自主性，符合认识规律。实验教学能较好促进宏观辨识和微观探析化学学科素养养成。基于含钠元素物质实验教学建构物质转化关系简要分析如下。

1. 钠单质实验建构转化关系

钠的切割实验通过光泽由亮变暗，建构钠与氧化钠的转化关系。钠的加热燃烧生成过氧化钠。钠与水反应生成氢氧化钠。从实验策略看，以上实验成组设计，连续开展效果较好。钠的实验存在风险，实践中，教师先将钠预先切成安全小块，再由学生现场取用进行分切，并完成钠的燃烧及钠与水的实验。此项实验策略不仅确保了安全，而且效率高，效果好。钠与氯气加热燃烧生成氯化钠，这项实验是在氯气以及离子键形成部分按需要逐层开展的，可以作内容模块系统关联使用。

2. 过氧化钠实验建构转化关系

过氧化钠与水反应实验内容丰富，从宏观现象上容易辨识生成氢氧化钠和氧气。通过机理分析可以建立与过氧化氢的关联。过氧化钠与二氧化反应，和过氧化钠与水反应相似，机理较为复杂，同样可以开展探究分析，关联生成碳酸钠。从实验策略看，过氧化钠的供氧实验可通过滴水燃烧和吹气燃烧的强表现实验进行随堂演示开展，激发学生的学习兴趣，实践证明了此策略的有效性。

3. 碳酸盐实验建构转化关系

从物质转化看，水溶液呈碱性的正盐碳酸钠到水溶液呈碱性的酸式盐碳酸氢钠到碳酸（二氧化碳）的相互转化具有酸碱反应的模型特征。碳酸氢钠遇酸或受热生成二氧化碳用于灭火、发泡、膨松剂等，策略上可以依托开展小的实践实验进行。碳酸盐实验承载了离子反应本质、酸碱反应本质、反应速率、反应温度条件、反应量控制等多个化学关键知识教学。

（三）依托工业生产和思维拓展建构

1. 氯化钠工业生建构转化关系

电解熔融氯化钠可以制取单质钠。电解饱和氯化钠溶液制取氢氧化钠。纯碱工业用饱和氯化钠制取碳酸氢钠，再受热分解制取碳酸钠。必修教材中通过研究与实践和课后练习体现。策略上，电解氯化钠可以尝试提前演示开展，这个实验还可以强化电解质概念学习。