核心素养视域下促进学生化学基本观念建构与发展的探索与实践

沈洁

摘要：在核心素养导向的新课改理念指引下，以金属铁、铝及其化合物专题复习为例，倡导立足学情，依据课标，创设真实问题情境。以分类观、物质观、结构观、变化观为观念统摄，通过引导学生建构及应用价—类二维模型图，发展化学基本观念，培育高阶思维，提高问题解决能力，有效落实学科核心素养目标。

关键词：核心素养;化学基本观念;价—类二维图

文章编号：1008-0546（2022）08-0002-05   中图分类号：G632.41   文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.08.001

一、问题的提出

元素化合物知识不仅是中学化学教学的重要内容，也是学习化学原理和化学实验的载体，更是发展化学基本观念、培育化学核心素养的支柱。但这部分知识“散、繁、多”，学生易学难记，或记住了也不善用，尤其在碰到陌生情境的问题时无从下手。这是由于新授课时，教师往往就事论事，主要从知识点层面研究具体物质的结构、性质、用途;学生往往被动观察描述实验现象、机械记忆方程式。复习课时，教师通常采取复习化学方程式、刷题训练的简单模式，重难点不够突出;学生通常盲目做题、没有形成系统结构化的知识网络。要想解决这种现状，迫切需要找到一种适合学生学及教师教的更有效的策略。

通过检阅文献发现，自上世纪80年代初，就有学者对元素化合物教学进行系列研究。笔者在中国知网共可检索到1722篇以“元素化合物教学”为主题的文献。关于其教学策略，姜言霞[1]等人提出基于物质和基于转化两种策略;黄劼[2]依托化学基本观念，结合实际教学案例，分析阐述了元素观、分类观、转化观等在复习课中的指导作用;黄海云[3]等人开展了以价-类二维图为工具的教学初探。这些教学理念及实践，都为后续研究提供了有益参考。但也存在如下亟待优化之处：一是大部分情境选自实验流程图，虽有利于学生提高解题能力，但以习题形式未免降低学生的学习兴趣，造成复习课的单一枯燥，无法聚焦核心素养的培育和充分展现元素化合物的转化关系和观念建构;二是课堂未能充分发挥学生的主体作用;三是比较纯粹地从教授层面梳理呈现元素化合物的价—类二维图，对中上学力水平学生而言偏简单，或是设置完全陌生的情境，事先未做好铺垫，对中下水平学生而言偏复杂。

鉴于此，如何在元素化合物复习课中减少学生对事实性知识的机械记忆以实现观念统摄、能力发展，就要求广大教师在核心素养导向的新课程背景下，积极转变教学观念，改进教学策略，培养学生从化学基本观念统摄建构的角度认识物质及其转化关系，并学以致用解决陌生情境下的复杂问题，进而实现知识结构化、学习深度化、能力发展化。笔者以“金属铁、铝及其化合物专题”复习课为例，说明如何优化教学达成前述目标的。

二、教学设计思想与授课思路

1.教学设计思想

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》倡导创设真实问题情境，建议教师结合真实情境中的应用实例或通過实验探究，了解金属及其重要化合物的主要性质及其在生活生产中的应用[4]。基于此，笔者一直在探寻适合的情境素材。新课标在本主题给出“补铁剂”“实验室中 FeSO4的保存与使用”“菠菜中铁元素的检验”[4]等素材，经审思，选择“菠菜中铁元素的检验”。菠菜可补铁，铁锅炒菜亦能补铁，故不提倡使用铝锅，极其自然地将本节课的主要研究内容：铁、铝及其化合物联系在一起。菠菜中的 FeC2O4作为陌生物质能很好激发学生的探究兴趣，探究环节进行的结论预测、方案设计、实验验证、现象分析、交流评价等活动也能有效落实化学核心素养目标，故用它来创设一系列真实情境非常合适。经研究，决定采用“建构模型、应用模型、迁移模型”的教学思路来引导学生完成金属铁、铝及其化合物的深度复习。“价—类”图作为元素化合物的重要学习工具，有其认识化学物质的特有视角：元素价态和物质类别，既符合新课标对常见无机物及其应用“能从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测物质的化学性质和变化，设计实验进行初步验证，并能分析、解释有关实验现象”[4]的学业要求，促进学生发展元素观、分类观、转化观等化学基本观念，又能很好地落实“证据推理与模型认知”“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养目标。

2.教学活动流程

本节专题复习课围绕含铝、含铁物质的核心知识，以学科核心素养的落实为目标创设真实问题情境，突显化学基本观念，促进学生实现知识结构化、学习深度化、能力发展化。设计流程如图1所示。

3.教学目标

（1）通过探究过程，从物质类别及价态角度认识铝、铁及其化合物的重要性质及转化关系，初步建立价—类二维图模型。

（2）会应用价—类二维图分析生产生活和深度学习中遇到的有关化学问题，体会用模型解决问题的一般方法。

（3）通过探究菠菜可补铁、铁锅炒菜亦能补铁，故不提倡使用铝锅等生活情境，感受化学对生活、生产的价值，增强社会责任感。

三、教学过程

环节1：模型建构——探寻铝及其化合物之间的转化关系

【教师引入】金属及其材料在人类文明进步和社会发展中起着至关重要的作用。学习时，因知识点繁杂，易学难记，如何按照一定方法进行结构化处理呢？这堂课通过讨论，将从不同视角探究元素化合物的复习方法，帮助同学们更好地建构知识结构体系。

【学生活动1】回顾铝及其化合物的重要性质，用分类法进行归纳并填入表1。

设计意图：开门见山，明晰学习主题和目标。通过表格分类法对铝及其化合物进行简单回顾与梳理，加深印象，为学生后续绘制转化关系图做好铺垫。【任务驱动1】结合上述表格信息，尝试完成各物质间的转化关系图，完成后小组讨论。

【学生活动2】自主建构转化关系图，通过希沃投屏呈现结果并交流完善，得到图2、图3。

设计意图：通过学生绘制并点评铝及其化合物的转化关系图，增强课堂开放性，充分体现学生的主体性，建立物质转化观，使其逐渐形成结构化的知识体系，为后续建构价—类二维图模型作铺垫。

【问题驱动1】说明建构上述转化关系图的依据和方法。

【学生回答】物质性质、类别等。

【教师评价】同一元素可以组成不同类别的物质，同种类别的物质性质相似，不同类别的物质在一定条件下能够发生相互转化，这是同学们的转化关系图表达出的信息。通过高中的学习，我们知道元素化合价的改变可通过氧化还原反应来实现。能否用一张图，既能从物质类别，又能从元素价态的角度表达元素化合物的转化关系？答案是肯定的。

【教师讲解】价—类二维图的概念及绘制方法：横坐标表示元素形成的物质类别，通常以单质、氧化物、氢氧化物、盐等顺序依次排列，纵坐标为核心元素的价态，通常按照由低到高的顺序依次排列，以物质的化学式为点，将各物质间的转化以箭头形式连接表达出。

【任务驱动2】在上述兩张转化关系图的基础上，尝试绘制铝的价—类二维图，小组讨论完成。

【学生活动3】自主建构铝的价—类二维图，通过希沃投屏呈现结果并交流完善，得到图4。

设计意图：教师基于对学生的转化图的评析，让学生体会分析物质性质的两个认知维度：物质类别和价态，进而建构价—类二维图模型。整个环节层层递进，认识思路富有逻辑，不仅利于学生对含铝物质形成系统性、结构化的认识，通过建模，还促进学生分类观、元素观、转化观等化学基本观念的形成，使知识更具素养价值。此环节旨在培育学生“微观探析”“模型认知”“变化观念与平衡思想”等素养。

环节2：模型应用——解决真实情境下铝元素的相关问题

【问题驱动2】日常生活中，高压锅（铝制）省时节能，广泛用来炖煮食物，但有严格保养要求：不能用钢丝球等磨损物擦洗，避免接触酸性或碱性物质，请同学们结合价—类二维图予以解释。

【学生回答】高压锅主要由铝制成，在空气中易氧化，表面形成一层致密氧化膜（Al2O3），但如果用钢丝球等磨损物擦洗，会破坏氧化膜，造成内部腐蚀。若接触酸性或碱性物质，氧化膜会和其发生化学反应，导致内部的铝也发生腐蚀。

【资料卡片1】因医学发展，逐渐认识到铝的危害性。1989年，世卫组织将其确立为食品污染物。人体含太多铝元素时，会影响肠道吸收钙、铁、磷等元素。近年来，还发现铝摄入过多会加速衰老，也更易患老年痴呆症。

【问题驱动3】这里被人体吸入体内的铝，以什么形式存在？

【学生回答】Al 或Al2O3与酸溶液反应产生的Al3+或与碱溶液反应产生的AlO2（-）。

【教师评价】生活处处有化学，我们要学会将所学知识与日常生活联系起来，使生活更美好。

设计意图：引导学生运用铝的价—类二维图模型分析解释生活中的一些现象，提升基于模型解决问题的能力，培养“模型认知”“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。同时，将真实情境转化为化学问题，使学生体会到化学与生活紧密相联，形成科学的生活态度和生活观念，发展“科学态度与社会责任”的化学素养。

环节3：迁移创新——铁及其化合物价—类二维图的创建及应用

【任务驱动3】摄入铝有一定危害，世卫组织现推广人们使用铁锅，还可补充人体所需铁元素。铁及其化合物广泛应用于生产生活，它们有怎样的转化关系？请同学们画出含铁物质的价—类二维图。

【学生活动4】绘制铁的价—类图，通过希沃投屏呈现结果并交流完善，得到图5。

【问题驱动4】铁锅炒菜能补铁，多吃菠菜也能补铁，这是真的吗？请运用建构好的价—类二维图设计实验证明菠菜中是否含铁，并判断其价态。

【学生回答】菠菜中的铁元素可能为+2价或+3价，若为+2价，则能使酸性高锰酸钾褪色;若为+3价铁，则能使硫氰化钾溶液变血红。

【任务驱动4】检测菠菜中是否含有铁元素？

【学生活动5】动手检测菠菜中是否含铁。学生运用预设实验方案在菠菜中没有检测出铁元素，教师引导分析原因：菠菜中不含铁元素;由于菠菜的颜色干扰，无法观察现象;铁元素含量微弱无法检测;铁元素不是以Fe2+或Fe3+形式存在。

【资料卡片2】菠菜中铁元素以有机铁化合物草酸亚铁FeC2O4的形式存在，这是一种淡黄色难溶于水的晶体。

【问题驱动5】将FeC2O4在模型中定位并思考如何证明菠菜中的铁是+2价铁？

【学生回答】由铁的价—类图（见图6）知，酸溶后加高锰酸钾，褪色则证明菠菜中的铁是+2价铁。

【资料卡片3】实验表明草酸钠、草酸也能使高锰酸钾溶液褪色。

【问题驱动6】由资料知，草酸根有还原性。有什么方式能使菠菜中的有机铁变成无机铁？

【学生回答】可以通过灼烧使菠菜中的有机铁变成无机铁。

【资料卡片4】草酸亚铁隔绝空气灼烧后，会生成FeO、CO和CO2。

【问题驱动7】将FeC2O4在模型中再次定位并思考如何证明菠菜中的铁是+2价铁？

【学生回答】由铁的价—类图（见图7）知，将菠菜灼烧后加硫酸浸泡，过滤后，在滤液中加酸性高锰酸钾，若褪色，则为+2价铁;在滤液中加硫氰化钾，若变血红，则为+3价铁。

【教师评价】实验表明，在滤液中加酸性高锰酸钾会褪色，所以菠菜含有+2价铁，可以起到补铁作用。为了排除菠菜本身的颜色干扰，通常在加硫酸浸泡过滤后，要加足量活性炭吸附颜色，过滤掉过量活性炭后再检验Fe2+。

【教师总结】今天，我们对含铝物质、含铁物质进行了复习，知道可以从物质类别和价态角度对元素化合物进行归纳整理，据此建构出价—类二维图模型，并运用模型分析解释一系列生活中常见问题。世界是物质的，物质是由元素组成的，在以后元素化合物的学习中，希望同学们也能学会建构并运用价—类二维图，将所学知识灵活地与生产生活相联系，做到学以致用，更好地生活，更好地成长！

设计意图：使用铝锅有诸多不便，更提倡使用铁锅，自然过渡到铁及其化合物知识的复习。这里有前面含铝物质价—类二维图建模的铺垫，教师可以引导学生自行绘制铁的价—类图。在运用模型解决问题时，依然创设真实问题情境“多吃菠菜能否补铁？”，提出驱动性问题“设计实验证明菠菜中是否含铁？并判断其价态”，充分调动学生运用模型来分析解决问题。在与原有认知产生冲突时，教师适当提供资料卡，引导学生运用模型研究陌生物质，以内化模型。遇到障碍点时，采用追问的方法激发学生思考，鼓励学生将FeC2O4在模型中再次定位以突破难点，进而使其形成运用模型解决不同类型问题的思路。此环节能促进不同水平的学生均获得发展和提升，旨在发展“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”的化学素养。最后总结升华，落实“科学态度与社会责任”的素养目标。

四、教学反思

1.设计驱动性任务和问题，促进学生自主建构模型

元素化合物的复习教学，若要使不同水平的学生均得到有效提升，需要以学生为主线精心设计驱动性任务和问题。如在建构铝及其化合物的价—类二维图时，教师先帮助学生简单梳理含铝物质的重要性质，后给出驱动性任务“结合表格信息完成各物质间的转化关系图”，并提出驱动性问题来说明建構转化关系图的依据和方法，进而适当点评，让学生体会分析物质性质的两个认知维度并自主建构价—类图模型，真正实现学习方式的转变。

2.突显价—类图模型的应用，发展学生化学基本观念

在本节课的教学中，笔者一直围绕“分类观”“元素观”“转化观”的建构和发展设计教学活动。通过表格分类法、转化关系图，再到引导学生建构并应用价—类二维图，逐层递进地帮助学生建立基于知识关联的结构化、基于认知思路的结构化和基于化学观念的结构化。价—类二维图是元素化合物相关知识与生活情境的桥梁与纽带，在解释相关问题时，鼓励学生调用二维图模型分析并解决问题，以提高复习效率，落实学业要求。

3.重视生活化情境的创设，关注学生核心素养培育

将知识转化为素养的最有效策略之一便是创设真实且具体的情境。菠菜可以补铁，铁锅炒菜亦能补铁，故不提倡使用铝锅，一系列生活情境的创设，巧妙地将本节课的主要研究内容：铁、铝及其化合物联系起来，使课堂环环相扣、一气呵成。由真实情境引发的问题，可以引起学生共鸣、思考与探究，并在学习过程中感悟化学学科的社会价值，促进“科学态度与社会责任”核心素养的完善和发展。

核心观念及思维方式的形成不可能一蹴而就，基于核心素养培育的新课程改革尚需广大教育工作者长期探索与实践。

参考文献

[1]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（9）：106-112.

[2]黄劫.探讨化学基本观念在元素化合物复习课中的呈现——以“金属及其化合物”复习课为例[J].中学化学教学参考，2015（22）：35-37.

[3]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.

[4]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.