基于核心素養(yǎng)背景下元素化合物轉(zhuǎn)化模型的建構(gòu)與認(rèn)知

◇ 浙江 吳錫植

1 研究背景

無機(jī)元素化合物性質(zhì)及應(yīng)用(簡稱元素化合物,下同)是中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容,它構(gòu)成了中學(xué)化學(xué)知識的基礎(chǔ)和骨架,與化學(xué)基本理論、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算等有著緊密聯(lián)系．但元素化合物知識內(nèi)容繁雜、零碎、分散,學(xué)生在一輪復(fù)習(xí)時(shí)效果較差,難以系統(tǒng)地掌握和應(yīng)用．如何系統(tǒng)、高效地幫助學(xué)生完成元素化合物知識的整合，是中學(xué)化學(xué)教師一直關(guān)注和思考的問題．2016年9月教育部頒發(fā)了《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》(簡稱“化學(xué)課標(biāo)(意見稿)”,下同)，將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)劃分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”共五個(gè)維度．旨在讓學(xué)生通過自主探究、互相合作等多樣化的學(xué)習(xí)方式,形成并發(fā)展化學(xué)學(xué)科觀念、思維方式、科學(xué)探究能力,樹立和發(fā)展科學(xué)精神和價(jià)值觀．鑒于化學(xué)課標(biāo)(意見稿)的要求,結(jié)合中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)際,筆者認(rèn)為,基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)背景下的元素化合物知識的復(fù)習(xí)有利于建構(gòu)化學(xué)物質(zhì)的認(rèn)知模式．本文擬就核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”維度結(jié)合模型建構(gòu)的理論基礎(chǔ),探尋中學(xué)化學(xué)元素化合物學(xué)習(xí)中常見的認(rèn)知模型及建構(gòu)路徑,幫助學(xué)生完成元素化合物知識的整合,促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提高．

2 “證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的含義及聯(lián)系

化學(xué)課標(biāo)(意見稿)對“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的闡釋是:“具有證據(jù)意識,能基于證據(jù)對物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè),并通過分析推理加以證實(shí)或證偽;建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系;知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系,建立模型．能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”．

根據(jù)釋義,并結(jié)合文獻(xiàn)研究,對“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”可理解為:“基于證據(jù)的推理”和“基于模型的認(rèn)知”,可將其拆分成證據(jù)、推理、模型、認(rèn)知四個(gè)部分．中學(xué)化學(xué)學(xué)科的證據(jù)主要通過觀察和化學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得,基于證據(jù)進(jìn)行分析推理,得到結(jié)論,并能合理解釋兩者間的關(guān)系;依據(jù)不同物質(zhì)的性質(zhì),進(jìn)行類比、歸納,并建構(gòu)模型,用模型認(rèn)知物質(zhì)及其變化的一般規(guī)律,因此，證據(jù)、推理、模型、認(rèn)知是相對獨(dú)立但又相輔相成的．

比如,在金屬鈉的性質(zhì)學(xué)習(xí)中,通過觀察鈉與水、氧氣、氯氣、硫酸銅溶液等反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,對鈉的顏色、密度、熔點(diǎn)等物理性質(zhì)以及化學(xué)性質(zhì)推理分析,獲得相關(guān)知識．再通過實(shí)驗(yàn)探究金屬鎂、鋁的理化性質(zhì)．依據(jù)鈉、鎂、鋁三種活潑金屬的物理、化學(xué)性質(zhì),建構(gòu)活潑金屬性質(zhì)的一般模型(如圖1),并用模型思想分析其他活潑金屬(如鐵、鋅)的相關(guān)性質(zhì)．一輪復(fù)習(xí)階段的學(xué)生已有元素化合物的知識儲(chǔ)備,通過實(shí)驗(yàn)推斷元素化合物性質(zhì)的過程本文不予贅述．

本文筆者將重點(diǎn)介紹如何引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)元素化合物的認(rèn)知模型,以及基于模型認(rèn)知物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律．

圖1

3 遷移學(xué)習(xí)——廣義知識加工理論指導(dǎo)下建構(gòu)模型

3.1 廣義知識加工理論

認(rèn)知心理學(xué)的廣義知識加工理論將知識劃分為陳述性知識、程序性知識．陳述性知識是指“是什么的知識”,即是了解學(xué)習(xí)內(nèi)容和掌握其意義的知識,具體包括概念、規(guī)律、原則等;程序性知識是指“怎么用的知識”,即在遇到問題時(shí)有選擇地運(yùn)用概念、規(guī)律、原則的知識．程序性知識的加工以掌握陳述性知識為必要條件,學(xué)習(xí)者通過遷移實(shí)現(xiàn)陳述性知識到程序性知識的轉(zhuǎn)化,進(jìn)一步解決新情境中的問題．

3.2 三角轉(zhuǎn)化模型的建構(gòu)過程

筆者在教學(xué)過程中,首先引導(dǎo)學(xué)生對已有的陳述性知識(即元素化合物知識)進(jìn)行回顧,從氧化物、酸、堿、鹽四個(gè)維度概括了包含中學(xué)階段常見12種元素的不同類別物質(zhì)(如表1)，再圍繞三角轉(zhuǎn)化主題對元素化合物知識進(jìn)行深層次的加工．

表1 代表性元素的不同類別物質(zhì)

1)以物質(zhì)類別為主線

圖2

除含鋁化合物間的三角轉(zhuǎn)化外,常見的還有堿、酸式鹽、正鹽間的三角轉(zhuǎn)化(如圖3),其中,NaOH可用KOH、Ba(OH)2等可溶性強(qiáng)堿替代,CO2可用SO2、H2S等多元弱酸或溶于水能生成多元弱酸的化合物替代．其反應(yīng)方程式基本一致,但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象略有不同．

圖3

2)以氧化還原反應(yīng)為主線

不同價(jià)態(tài)的鐵單質(zhì)及化合物[Fe2+、Fe3+表示相應(yīng)的亞鐵鹽、鐵鹽或?qū)?yīng)的氧化物(如FeO、Fe2O3)、硫化物(FeS),下同]之間通過氧化還原反應(yīng)規(guī)律建構(gòu)起如圖4所示的三角轉(zhuǎn)化模型．

圖4

通過圖示可以發(fā)現(xiàn),通過與較弱的氧化劑反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)Fe到Fe2+的轉(zhuǎn)化,而強(qiáng)氧化劑可將Fe、Fe2+氧化成Fe3+;溶液中Fe3+本身具較強(qiáng)的氧化性,可與還原性物質(zhì)(如Fe、Cu、碘化物、可溶性硫化物)反應(yīng)生成Fe2+;而Fe2+、Fe3+到Fe的轉(zhuǎn)化,除了用更活潑的金屬(如鋅、鋁)置換外,還可利用常見的熱還原劑(如H2、C、CO等)在高溫條件下還原金屬氧化物,冶煉得到Fe單質(zhì)．利用氧化還原反應(yīng)規(guī)律建構(gòu)的鐵三角轉(zhuǎn)化圖示,在內(nèi)容上基本涵蓋了鐵及其化合物之間的相互轉(zhuǎn)化;在認(rèn)知上,三角轉(zhuǎn)化模型相較零碎的知識點(diǎn)更形象、易記憶．

通過兩條主線建構(gòu)的典型三角轉(zhuǎn)化模型,學(xué)生腦海中搭建起物質(zhì)轉(zhuǎn)化的框架,即接受、吸收和整合新知識并轉(zhuǎn)化為自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)的一部分．再主動(dòng)對其他元素化合物知識進(jìn)行精細(xì)加工和知識重構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)元素化合物知識的融會(huì)貫通．在教學(xué)過程中,學(xué)生在熟練掌握復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,經(jīng)過教師的指導(dǎo)，自主建構(gòu)了如圖5所示的其他常見元素及其化合物的三角轉(zhuǎn)化模型,實(shí)現(xiàn)了知識的遷移學(xué)習(xí)．

圖5

3.3 連續(xù)轉(zhuǎn)化模型的建構(gòu)

學(xué)生在建構(gòu)三角轉(zhuǎn)化模型的過程中,發(fā)現(xiàn)有一類物質(zhì)較為特殊,它們能連續(xù)與相同的單質(zhì)或化合物反應(yīng),如物質(zhì)A能與E反應(yīng)生成B,B能繼續(xù)與E反應(yīng)生成C．通過思考、討論和遷移,歸納了若干常見的連續(xù)轉(zhuǎn)化模型．

1) 連續(xù)轉(zhuǎn)化型

a)化合價(jià)不變型

多元弱酸或其酸酐與堿反應(yīng),產(chǎn)物與反應(yīng)物的量有關(guān),堿過量時(shí)生成正鹽,堿不足時(shí)生成酸式鹽,酸式鹽又能繼續(xù)和堿反應(yīng)生成正鹽．符合規(guī)律的可以是H2CO3、H2SO3、H2S與堿的反應(yīng).

b)化合價(jià)變化型

氧化還原反應(yīng)中,低價(jià)態(tài)的單質(zhì)或化合物能被氧化成高價(jià)態(tài)化合物,而連續(xù)氧化則要求變價(jià)元素應(yīng)多于兩種化合價(jià)．符合多價(jià)態(tài)且能被氧氣連續(xù)氧化的,可以是含C、S、N元素的單質(zhì)或化合物之間的轉(zhuǎn)化．

2)其他轉(zhuǎn)化型

鐵元素是中學(xué)階段重要的變價(jià)元素,連續(xù)轉(zhuǎn)化規(guī)律在鐵三角模型中已體現(xiàn),不予贅述．常見的連續(xù)轉(zhuǎn)化包含兩種:

實(shí)際上,除以上幾種轉(zhuǎn)化模型外,還可建構(gòu)其他特征模型來認(rèn)知元素化合物,如氧化還原型離子方程式的書寫模型(利用化學(xué)模型提升學(xué)生解決問題的能力)、金屬冶煉模型等．引導(dǎo)學(xué)生對陳述性知識進(jìn)行二次加工,建構(gòu)合理的化學(xué)模型,并以模型為基礎(chǔ)記憶元素化合物、理解轉(zhuǎn)化規(guī)律,形成程序性知識,可以達(dá)到事半功倍的效果,有利于學(xué)生發(fā)散思維的形成,舉一反三,真正做到“活學(xué)活用”．

4 主動(dòng)學(xué)習(xí)——人本主義理論對教學(xué)的啟示

馬斯洛和羅杰斯提出的人本主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為:學(xué)習(xí)是一個(gè)情感與認(rèn)知相結(jié)合的整個(gè)精神世界的活動(dòng),是學(xué)習(xí)者精神世界中不可分割的部分,在學(xué)習(xí)過程中的高峰體驗(yàn)(嘗試成功的感覺)可以給學(xué)習(xí)者帶來更美好的體驗(yàn)．該理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者探究知識、發(fā)展智力并獲得技能,學(xué)會(huì)與周圍成員交流,闡明觀點(diǎn)和態(tài)度,激發(fā)自身潛能的過程．

從情感上來說,學(xué)生在建構(gòu)元素化合物模型過程中,發(fā)現(xiàn)并沒有想象的那么難,通過努力能達(dá)到預(yù)期目標(biāo),獲得了極大的成就感,因而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,從內(nèi)心深處對學(xué)習(xí)產(chǎn)生了主動(dòng)需要,心理上實(shí)現(xiàn)從“要我學(xué)”到“我要學(xué)”甚至“我愛學(xué)”的轉(zhuǎn)變．

從教學(xué)上來說,教師教學(xué)的重點(diǎn)不只是在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程的準(zhǔn)備上,更重要的是為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的方法和手段,讓學(xué)生積極搜索信息,在閱讀、理解、思考、討論、小結(jié)的過程中提高各種能力,教師的教學(xué)行為應(yīng)重引導(dǎo)、輕填充．在元素化合物知識的復(fù)習(xí)中,教師不應(yīng)簡單重復(fù)舊知,而要引導(dǎo)學(xué)生用分析、推理等方法認(rèn)識研究元素化合物轉(zhuǎn)化的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及相互關(guān)系,建立認(rèn)知模型,高效地完成學(xué)習(xí)目標(biāo)．