大概念指引下高三元素化学复习策略——以“元素与物质认知模型”主题为例

●任德怀

大概念（big ideas）是对学科本质的整体性表现，是学科结构的骨架和主干部分；其能够反映学科知识结构，能提供对于理解知识和解决问题的思想方法，培育学科基本态度，运用于新的情境具有持久的可迁移的应用价值。化学学科大概念包括元素观、微粒观、变化观、实验观、分类观、化学价值观，其中元素观、微粒观和变化观为化学知识类的基本观念。借助学科大概念理清化学学科的必备知识，寻求学科知识的迁移应用方法与思维，挖掘学科素养的内涵并应用于常规化学课堂，帮助学生获得关键方法与思维能力，是高中化学教学应该持久关注的问题。

一、“元素与物质认知模型”主题教学中大概念的确立

（一）元素与物质认知模型课标的内容要求

基于新课程对学生模型认知的学科素养要求，我们把《普通高中化学课程标准》“常见无机物及其应用”主题下的2.1～2.3三个二级主题以及“化学反应方向、限度和速率”主题下2.3“化学反应的调控”进行整合，确立了“元素与物质认知模型”的教学内容（表1）。

表1 “元素与物质认知模型”的课标内容要求

（二）“元素与物质认知模型”主题的学科价值与认知功能

1.化学物质及其变化

该主题是化学科学的重要研究方法。对于多达千万种的化学物质和为数更多的化学反应，人们要想认识它们的规律性，就必须运用分类的方法，分门别类地进行研究。这既反映了化学科学的发展规律，也符合学生的认知规律。化学反应分类的三个标准：(1)反应物和生成物的类别以及反应前后物质种类的多少，按此标准划分可将化学反应分为化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应；(2)反应中是否有离子参加，由此将化学反应分为离子反应和非离子反应；(3)反应中是否有电子转移，由此将反应分为氧化还原反应和非氧化还原反应。

2.电解质与离子反应

该主题是对溶液中进行的化学反应的本质思考。通过电解质与离子反应的概念认知，分析以复分解反应为主的离子反应发生的条件；有利于常见物质制备、分离、提纯与检验，是认识元素性质以及相关化学反应方程式的重要角度。

3.氧化还原反应与非氧化还原反应

该主题可以简洁概括为基于价类二维的元素观。四大反应类型中，某些元素的化合价在反应前后发生了变化，其本质是化学反应中发生了电子的转移(得失或偏移)，要求学生正确、辩证地认识氧化还原反应中各有关物质的相互关系，知道氧化剂从还原剂获得电子而被还原，还原剂则将电子转移给氧化剂而被氧化，氧化剂与还原剂在反应中是相互依存的。明确氧化还原反应在工农业生产、科学技术和日常生活中有广泛应用，同时也辩证地了解氧化还原反应会给人类带来危害，这是不以人的意志为转移的。人类只有掌握了化学变化的规律之后，才能更好地利用化学变化造福人类。

4.化学反应的方向、限度和速率

该主题是化学动力学与化学热力学的原理知识。要求学生进一步解释所有化学反应均具有可逆性，主动运用化学平衡常数以及化学平衡移动（热力学）知识分析解释元素化学中，化学反应进行的方向的变化；进一步解释有关实验室、自然界和生活生产中的实际现象和问题;有助于加深理解以前所学的元素化合物知识及化学反应，使学生了解化学理论对生产实际的指导作用。

（三）“元素与物质认知模型”主题认知体系的建立

“常见无机物及其应用”主题下的2.1～2.3三个二级主题是对常见化学反应规律性的分析，相较单纯的元素与物质的性质，该主题是对元素与物质性质学习的模型建构，有利于学生运用科学过程和科学方法进行化学学习，代表了研究元素化学具体的常用的方法。“化学反应方向、限度和速率”主题下的2.1二级主题是通过生活中元素化学的实际事例，利用化学反应有可逆性及方向性、化学平衡常数的物理量和化学平衡移动知识，把元素知识与“变化与平衡观”充分结合，辩证地解释日常生活中元素知识不能解释的某些现象，对化学反应的实质能有更多的领悟，是站在哲学的方法论的高度思考和处理问题。

因此，教师将《化学（必修第一册）》元素化学与《化学原理（选择性必修一）》化学平衡及化学平衡移动（化学热力学）跨模块教学资源进行整合时，利用离子反应、氧化还原反应和复分解反应知识作为元素知识与化学反应方向性联系的主要载体，将离子反应、氧化还原反应与复分解反应归属的模块作为主要视角，以物质的分类、电解质的概念和常见物质的性质为学习基础，以学科素养“变化与平衡观”为哲学追求，建立以“变化与平衡观”为先导的“元素与物质认知模型”认知体系（如图1）。学生的认知渠道由单一到多元，认知过程由平面转向为立体。

图1 “元素与物质认知模型”主题的认知体系

二、高三学生“元素与物质认知模型”主题的学情分析

在中学元素化学的学习中，学生对各种物质间的转换有了一定的认知，对化学反应规律已有总结和提炼。高二教学活动中虽然已经完成选择性必修一的《化学原理》第三章“化学反应速率与化学平衡”的教学，但学生往往依旧很难结合化学原理的知识，主动运用热力学理论从定量的视角理解所有化学反应都具有可逆性并能在一定条件下发生平衡移动；这种缺少学科跨模块的综合分析、迁移和应用，导致学生对化学反应的理解常常简单地停留在“强酸制弱酸”“易溶制难溶”及“强氧化（还原）剂制弱氧化（还原）剂”的记忆层面，对化学反应的方向性缺少辩证的思考，这种基于课改前的学习方式，导致学生在利用元素知识解决化工和制药等真实工程情景中的应用问题时，缺失对未知产物及所发生的化学反应的预见能力；甚至，这种脱离新课标要求的学习状态常常导致学生对元素性质的错误理解，比如《化学（必修第一册）》指出，“工业上对饮用水进行消毒杀菌时所用漂白粉，易与空气中二氧化碳及水蒸气发生反应”，对这一化学反应，学生常常错误地认为其规律是“酸性较强的碳酸制得酸性较弱的次氯酸”，而事实上碳酸的二级电离是弱于次氯酸的电离的，即K碳酸a1＞K次氯酸a2＞K碳酸。

三、编写“元素与物质认知模型”主题教学的学科理解

新课标（2019版）提出，在学习层面，教师应在引导学生认识事物变化的本质特征、构成要素及相互关系的基础上，对物质的变化提出可能的假设，建立一种合理的化学模型以解释相关化学问题[1]，实现对学科知识的深度学习。

（一）“元素与物质认知模型”主题的树状思维图

建立“元素与物质认知模型”的树状思维图（如图2），同时根据思维图可以确定该主题的教学顺序，也能帮助学生判断原有认知结构是完整的还是有缺陷的。

图2 “元素与物质认知模型”主题的树状思维图

（1）“元素与物质认知模型”主题的树状思维图以物质的分类、物质间的转换、电解质的概念、离子方程式的书写为基础，将化学反应分为氧化还原反应和非氧化还原反应两条线并列平行分析，最终指向的都是学生的“变化与平衡观”的形成。

（2）从化学热力学的角度提出耦合反应与耦合作用，以解释和论证元素的化学性质，认知化学变化所应遵循的基本原理，有利于学生对元素性质必备知识的强化理解，同时又能从物质类别和元素价态变化的视角说明物质的转化路径，预测物质的化学性质和变化。最终指向对陌生方程的推理分析建模，是学生“变化与平衡观”形成的关键环节。

（3）根据各个部分在大概念形成中的逻辑关系，可以确定“元素与物质认知模型”复习教学顺序为：先从基础知识（树根）到核心概念（树干），从核心概念（树干）到跨模块分析（树枝与树叶），最后从跨模块分析（树枝与树叶）到树顶（哲学观）的把握。

（二）耦合反应是“变化与平衡观”建立的关键

选择性必修一《化学原理》中“以H2S气体为沉淀剂，将Cu2+转换为极难溶的沉淀是化学实验室里进行物质的分离、除杂时常用的方法”是阐释耦合反应较好的素材。以H2S气体为沉淀剂，将Cu2+转换为极难溶的沉淀的反应方程式为：

这是一个典型的“弱酸制备强酸”的反应，H2S在CuSO4溶液中发生了完全电离，站在热力学角度，可以先从总反应剥离出反应①和②。

H2S⇌H++HS-①Ka1=6.0×10-8

HS-⇌H++S2-②Ka2=6.3×10-14

从Ka1和Ka2可知，H2S是一种极弱的酸，但当与CuSO4溶液混合时便有CuS沉淀析出：

Cu2++S2-⇌CuS↓③K3=1.67×1035

反应③的平衡常数K3较大，在很大程度降低了H2S溶液中的C（S2-），从而促进了H2S的电离平衡正向移动，综上所述：

由于K4＞＞105，即反应④能彻底进行，H2S在CuSO4溶液中发生了完全电离；化学工业上把类似这种CuSO4促进H2S的电离平衡正向移动，从而促使H2S得以完全电离的过程称之为耦合作用；同时，把耦合作用过程中类似这种Cu2+与S2-的反应，称之为耦合反应（coupling reaction）；耦合作用的实质是借助耦合反应促进化学平衡向右移动。耦合反应[2]（与耦合作用在元素化学学习中具有指导作用，有利于学生认知化学变化所应遵循的基本原理，从而替代反复背记化学方程式的元素化学学习策略[3]。

（三）对纯净物概念的本质理解与应用

物质分为纯净物和混合物，九年级《化学（上）》教材将纯净物定义为“只由一种物质组成”。这种定义虽然规范科学，但是学生不容易理解透彻。比如我们常见的NaCl是属于纯净物，但是，该物质中的Na+和Cl-属于不同的物质，这种含有不同微观粒子的物质为什么归于纯净物一类，其本质原因在于各种微观粒子之间彼此均达到“分子（或离子）级水平的分散”，所以NaCl称之为纯净物；又如把Cu2（OH）2CO3理解为Cu2+、OH-和CO32-均匀混合彼此均达到“离子级水平的分散”，或者说Cu2（OH）2CO3由Cu（OH）2和CuCO3构成彼此达到分子级水平的分散；正因如此，Cu2（OH）2CO3保留着Cu2+、OH-和CO32-的共有化学性质，或者说Cu2（OH）2CO3保留着Cu（OH）2和CuCO3共有化学性质。这种对纯净物概念的本质理解有利于学生对酸式盐、碱式盐和复盐化学性质的认知。

(四)非氧化还原反应类型的分析重点

从物质的分类及同类物质性质特点看，单质、氧化物、酸、碱和盐之间可以发生众多非氧化还原反应。统计分析高中现行教材中物质间发生的非氧化还原反应，其中出现频率较高、学生需要着重理解的六大反应类型有“酸式盐与碱溶液的反应”“正盐溶液与相对应酸酐的反应”“酸酐与弱酸盐溶液的反应”“碱性氧化物与酸酐的反应”“碱性氧化物与水的反应”和“难溶碱的受热分解”。

四、“元素与物质认知模型”主题递进式教学设计

（一）课时安排与课时目标设计

教师在完成《化学（必修第一册）》和选择性必修一《化学原理》的教学内容后，学生已经比较系统地掌握了化学热力学的相关内容，如果学生能对沉淀溶解平衡常数、弱电解质电离平衡常数、盐类水解平衡常数等化学平衡常数进行充分的理解与应用，我们便可适时引入化学热力学中的耦合反应与耦合作用，帮助学生搭建元素化学与热力学的桥梁，完成“元素与物质认知模型”主题复习。其课时分配与教学目标见表2。

表2 “元素与物质认知模型”复习课的课时分配与教学目标

在上述教学安排中，越是后面的活动任务对于素养的能力水平要求越高，对于素养的综合要求也越高。不同的学生能够顺利完成的事情和任务可能是不一样的，以及在做同样的事情时可能会表现出不同的素养水平。教师可以根据学生能做什么事情，以及如何做事，来判断该课时学习前后知识的学习和应用水平，从而调整课时内容顺序与课时长度。

(二)教学实施过程举例（见表3）

表3 “变化与平衡观”与陌生方程式推导（最后1课时）教学活动设计

五、教学效果与反思

（一）教学效果[4]

近几年教学实践中，笔者先后在云南、四川和贵州等省的三十多所中学，引导学生对元素知识进行整合，收到了较为明显的教学效果，学生及教师普遍认为，在“变化与平衡观”的指导下，“将元素知识迁移到化学真实情景的过程中，分析新物质的生成及其发生的相关化学反应时有了严密的推理而不是猜测”。通过大概念指引下对元素知识与化学平衡学习的整合，引导学生主动对学科知识进行深度学习，无疑是发展学生学科素养的重要方式。

(二)教学反思

1.建模要基于元素的真实应用情景进行

在引导学生对元素知识进行建模的活动中，力求以真实的人类生活、生产活动和科学研究为载体，强化化学学科元素知识在真实情景中的迁移应用，这样真实情景下的问题解决才能保护和提升学生对元素知识的学习兴趣，而这种基于兴趣的理性思维能力培养才是实用而高效的学习行为。中学教学中要引导学生将所学元素知识有效迁移到化工和制药等工程制造中去，主动去发现真实情景下物质间的新变化，主动去理解真实情景下新物质的创造过程，以发展学生的模型认知等学科核心素养。

2.对模型的认知要坚持在迁移应用中内化

对元素知识的热力学建模不是一蹴而就的事情。在多年的教学过程中，笔者发现学生基本上都能在6～8节课的时间习得元素化学的热力学模型，学生课后也基本上都能推导出陌生氧化还原反应和复分解反应的产物或相关化学反应方程式。但是，随着时间的推移，部分学生很快就遗忘了这种热力学模型，问题的关键不是学生对这种热力学模型的理解不到位，而是学生缺乏在一定时期内通过及时的迁移应用，将这种热力学模型内化为自己的元素化学知识的理解，内化为化学学科知识综合分析应用的能力。所以教师应该合理安排自己后续的教学内容，及时提供一些元素在化学工业中迁移应用的素材，给予学生以迁移应用与能力内化学习条件，从而替代反复背记化学方程式的元素化学教学策略[5]。

3.主题式教学流程在大概念下教学设计中的应用

在上述“变化与平衡观”与陌生方程式推导（最后1课时）的教学活动设计中，教师采用了主题式教学方式（如图4）。这种教学方式呼应高中新课程标准的要求和新教材的要求，吸收《中国高考评价体系》和《中国高考评价体系说明》的相关精神，为学生设置真实的生活情境，确定出核心问题，让学生自主、合作、探究地解决问题，并配合评价反馈。如此，才能使基于大概念的教学设计真正发挥出应有的作用，实现中学教学的学业水平教学与升学教学的双重功能。

图4 主题式教学流程

4.在元素观指引下元素性质的其他模块知识的整合

元素观是学生学科素养形成和发展的核心认识方式，是宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学精神与社会责任等学科核心素养得到发展的重要标志。对元素观指引下的高三复习还应该包含以下几个内容：（1）元素性质与相关实验整合以发展学生的实验观。包括教材基础实验的唤醒与理解、对实验技巧的整合与能力提升、有机物的制备实验常见技巧和元素与化学实验发展学生在实验观指引下的实验设计等。（2）元素性质与物质的结构整合以发展学生的微粒观。利用选修三“物质结构与性质”知识解释元素的溶解性、熔沸点等物理性质，解释物质的酸碱性、热稳定性等化学性质。（3）元素性质与工业应用相整合以发展学生的化学价值观。化学价值观为化学情意类的基本观念，包括赞赏化学、关注热点、培养学生的责任感与使命感。它更能体现概念进阶的特点，从教材中常见物质的化工应用到医药、环境等生产实际的学习，我们都应该贯穿并发展学生的化学价值观。