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引导学生从元素视角认识物质的教学策略
来源查字典化学网| 2020-11-19 发表| 教学经验分类:化学论文

教学经验

作为高中化学新课程内容的重要组成部分,化学1模块中的无机元素化合物知识选择以典型的元素及其重要化合物为代表,将物质性质的学习融入有关的生活现象和社会问题的分析解决活动中,通过实验探究来学习物质的性质。然而在教学实践中,教师普遍感觉教学效果不理想[1],学生也常常感觉元素化合物知识“好学”,但难以记忆。究其原因,主要有:第一,学生要在化学1模块集中学习大量的元素化合物知识,其知识本身具有庞杂、零散的特点;第二,化学1阶段元素化合物知识被编排在原子结构与元素周期律之前,关于物质性质的学习主要是基于实验现象的分析与总结,不能从结构出发来推断或解释,而基于实验获得的知识是感性的,且有些内容又容易混淆;第三,元素化合物知识应用方面的内容较为广泛,许多知识只能作为常识性介绍。现实中,学生对物质性质及应用的学习大多停留在对实验事实的感知与记忆水平,由于缺乏对元素化合物知识内在联系及其所蕴含的学科观念与方法的理解,导致学生在处理实际问题时往往缺乏思考或求解问题的基本思路[2]。为此,帮助学生建立起研究和认识物质性质的思路与方法、加强从元素视角认识物质及其转化以建立元素化合物知识的内在联系,就显得尤为重要。

1 构建从元素视角认识物质及其转化的思考框架

在化学1阶段,应如何帮助学生建构无机元素化合物知识体系?从学科知识的角度看,无机元素化合物知识注重“物质性质及应用”的学习,其中“物质性质”是核心,物质性质决定了物质的用途、制法、保存等,不认识物质性质,就不可能理解物质的应用。而物质的性质是由其元素组成和内部结构所决定的,不从组成和结构角度认识物质性质,就难以形成对物质性质的深入理解。从中学阶段无机元素化合物知识的编排看,学生对无机元素化合物知识的学习是逐步发展的。初中阶段元素化合物知识以物质为中心,学习典型物质(如氧气、二氧化碳)的性质、制法及用途等,以典型代表物学习一类物质(金属、酸、碱、盐)的性质等。高中化学1阶段元素化合物知识注重以元素为核心,通过核心元素将其单质及其化合物知识组织起来,学习含有同种元素不同物质的重要性质及相互转化关系;高中化学2阶段,借助元素周期表和周期律对元素化合物知识进行整合,建立以周期、族为系列形成对物质性质递变规律的认识[3],建立不同元素及其物质性质等知识的联系。限于化学1阶段元素化合物知识的编排特点和学生的认识发展水平,有必要加强从元素视角认识物质及其转化(见表1),即要加强对元素与物质性质、物质分类、物质之间的转化等学科实质性问题的认识,发挥“元素观”对元素化合物知识学习的指导作用,帮助学生逐步领会和运用“元素观”来分析解释问题,增进学生对化学知识的理解。

作为中学化学的核心观念之一,“元素观”是从元素视角对物质及其化学变化本质的深层次理解[4,5],大致包括三方面含义:一是对元素的认识,包括什么是元素、元素的种类、元素的性质等。就元素的性质而言,还涉及元素之间的差异、元素性质的周期性、一类元素性质的相似性等。二是从元素视角看物质,即元素与物质有什么关系,具体包括元素组成与物质的分类、性质有什么关系等。三是从元素角度看化学反应,即元素与化学反应有什么关系,在化学反应中元素种类是否发生变化、含有同种元素的不同物质之间的转化存在什么规律等。

在化学1阶段,强调从元素的视角认识物质,就是要对元素与物质性质的关系有深入的了解,这包括两个层面:一是从元素视角认识物质的“个性”,即认识物质的性质与组成物质的元素种类、元素形态(化合价、相邻元素的结合方式、分子中元素间的相互作用等)密切相关[6]。对于简单的化合物或单质,元素组成对于物质的性质甚至起着决定性的作用。具体为:(1)物质元素组成上的细微差别,会引起物质性质上的巨大差异。如氧化铝、氢氧化铝、铝盐虽然都含有铝元素,但因元素组成不同而其性质不同;氧化钠、氧化铝、氧化铁,虽然都是氧化物,但由于组成氧化物的金属元素不同,其性质不同。(2)组成物质的元素种类相同但其形态不同,物质性质不同。如氢氧化铁、氢氧化亚铁虽然含有相同的组成元素,但由于其中铁元素的价态不同,两者的性质不同。二是从元素视角认识物质的“共性”,即认识基于物质元素组成可以将纯净物进行分类,基于物质类别认识同类物质具有相似的性质,如氧化铜、氧化铁都是金属氧化物,它们都能与盐酸发生反应。

从元素的视角认识物质间的转化,就是要以元素为核心,认识含有同种元素不同物质之间的转化规律,建立某一元素的不同物质之间的联系,形成相应的知识结构,这包括两方面:一是同一元素相同价态不同物质间的转化,如Al2O3—Al(OH)3之间的转化、Fe2O3—FeCl3—Fe(OH)3之间的转化等;二是同一元素不同价态物质之间的转化,如Fe—Fe2+—Fe3+之间的转化。

借助表1中的思考框架,可以帮助学生建立研究物质性质、研究物质间转化的基本思路与方法,即通过实验的方法,从物质分类、氧化还原角度来认识物质性质[7]。具体地说,从金属(或非金属)、氧化物、碱(或酸)、盐等物质类别所具有的通性预测某个具体物质可能具有的性质,从物质所含元素的化合价角度预测物质是否具有氧化性或还原性,然后通过实验进行验证。对于同一元素不同物质间的转化,依据金属(或非金属)、氧化物、碱(或酸)、盐等物质所具有的性质确定实现不同类别物质之间的转化途径,依据反应物与生成物中核心元素有没有价态的变化,确定是否是氧化还原反应等。

2 以“元素观”为导向明确学习的层次及其关键所在

新课程中无机元素化合物知识的内容及其功能价值发生了明显的变化。以“金属及其化合物”为例,《普通高中化学课程标准(实验)》在化学1主题3“常见无机物及其应用”中所列内容标准为:“根据生产、生活中的应用实例或通过实验探究,了解钠、铝、铁、铜等金属及其重要化合物的主要性质,能列举合金材料的重要应用”[8]。传统的教学注重元素化合物知识的识记,新课程主张实施以化学观念建构为本的教学,强调要超越具体的事实性知识发展学生的深层思维,增进学生对化学知识的深层理解,由此需要思考,在元素化合物知识的教学中到底需要教给学生什么?

从发展学生“元素观”的角度看,化学1阶段选择以钠、铁、铝、铜为金属元素的典型代表,其学习内容[9]可分为三个层次:一是学习金属及其化合物知识,这是学习内容的第一层次,属于事实性知识。具体包括:在初中学习的基础上进一步了解几种典型金属的性质,如认识金属钠的活泼性等,发展对金属元素及金属单质性质的认识。学习相应金属的重要化合物(包括氧化物、氢氧化物及盐等)的性质,如铝的氧化物和氢氧化物具有两性、利用 FeSO4溶液滴加少量NaOH溶液生成的Fe(OH)2在空气中可转化成Fe(OH)3等事实的学习,认识铁元素的变价性以及不同价态之间的转化等,发展对金属化合物的类别、性质的认识。了解金属材料(合金、稀土金属)及其应用等。二是在“金属及其化合物”知识学习的同时,增进对物质性质与组成元素(种类、价态等)的关系、同一元素不同物质间转化关系的理解,丰富和发展对“元素观”的认识,这是学习内容的第三层次,属于观念性知识。三是要形成对上述内容的认识,需要学习相应的研究物质性质、研究物质间转化的基本思路与方法,这是学习内容的第二层次,属于方法性知识。第一层次的学习内容,是短期可以达成的学习目标。后两个层次的学习内容,属于较远期目标。其中较为关键的是要帮助学生建立“研究物质性质、研究物质转化的一般思路与方法”,这是引领学生从事实记忆走向观念建构的重要桥梁。

3 从促进学生“元素观”认识的角度组织教学内容

从人教版化学1教科书[10]的编排看,元素化合物知识按“金属及其化合物”、“非金属及其化合物”分类编排,其中“金属及其化合物”依次分为金属的化学性质、几种重要的金属化合物、用途广泛的金属材料三方面内容。就其中的“几种重要的金属化合物”而言,教科书选取钠、铝、铁、铜4种元素(以前三者为主),按照氧化物、氢氧化物、盐分类进行讨论。这样的编排重视从物质分类的角度学习含有不同金属元素的同类物质及其反应,沟通了不同金属元素化合物的“横向”联系,能够引导学生基于物质类别认识同类物质的性质及反应规律。但需要指出的是,由于缺乏元素周期律知识基础,关于含有不同金属元素的同类化合物性质的学习不能从结构出发进行推断或解释,而主要是基于从实验现象出发进行分析和总结,学生的学习仍然处于事实的记忆层面。并且这样的编排割裂了含同一元素不同物质之间的“纵向”联系,不利于学生建立对同一元素不同物质间的转化关系的认识。为此,教学时需要对教材内容进行重组与再加工。

教学内容的组织大致包含两层含义,一是以“元素”为核心构建教学单元,如“几种重要的金属化合物”,可以按照“钠的重要化合物”、“铁的重要化合物”、“铝的重要化合物”来展开,每一教学单元均涉及氧化物、氢氧化物、盐等物质类别,这样可兼顾元素化合物知识的纵、横联系;二是课堂教学内容主线的构建,以第二层次学习内容为目标,考虑在具体知识如“钠的重要化合物”、“铁的重要化合物”、“铝的重要化合物”等教学中,是以研究物质性质为主,还是以研究物质转化为主,这体现了两种不同的教学思路[11]。前者注重以具体物质性质的预测与验证为线索,在学习物质性质的同时,学习研究物质性质的思路与方法。如“铝的重要化合物”教学思路可以设计为:以生产、生活中常见的铝的重要化合物为素材引入课题→预测Al2O3的性质、设计方案进行实验验证,认识Al2O3具有两性→实验探究Al(OH)3的性质,认识Al(OH)3具有两性→反思与提升,总结研究物质性质的思路与方法。后者以实现具体物质的转化为线索,在探讨物质转化的过程中认识物质的性质,学习研究物质及其转化的思路与方法。如“铁的重要化合物”教学思路可以设计为:由铁单质制得的化合物有+2价和+3价之分,将含铁物质进行分类,引出本节课的学习任务→探究相同价态铁的不同化合物之间的转化[如请设计实验实现下列转化:FeCl3→Fe(OH)3;FeSO4→Fe(OH)2]→探究不同价态铁的物质之间的转化(如请设计实验实现Fe2+与Fe3+间的转化,并进行实验验证)→反思与提升,总结研究物质及其转化的思路与方法。需要说明的是,究竟选择哪种教学思路,需要同时考虑知识内容特点和学生的认知基础与发展需要,以实现学科知识逻辑与学生认知逻辑的有机整合。

总之,将元素化合物知识的教学重心从事实性知识的识记转向对更为根本的化学观念(元素观)及其认识思路与方法的理解,一方面是基于对元素化合物知识的核心内容及其教学价值的理解,另一方面是出于在教学中要让学生思维发展、化学观念的形成与知识学习协调同步的综合考虑。发展学生从元素视角认识物质及其转化的教学探索,旨在以元素为核心,通过实验的方法,从物质分类、氧化还原角度帮助学生建立认识物质性质、物质间转化的基本思路。在指导学生运用化学知识解决或解释生产和生活问题的过程中,通过反思与内化,将知识形成与应用的过程体验转化为学生解决实际问题的方法与能力。这值得深入研究。


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