引導學生從元素視角認識物質及其轉化

摘要：以化學1“金屬及其化合物”為例，提出了從元素視角認識物質及其轉化的思考框架，分析了元素化合物知識學習的層次及其關鍵所在，強調要以元素為核心，幫助學生建立研究物質性質及物質轉化的基本思路，以此增進對物質性質及物質間轉化與元素關系的理解。并就如何組織相應的單元教學及課堂教學內容主線進行了探討。

關鍵詞：金屬及其化合物；元素化合物知識；元素觀；化學觀念教學

文章編號：1005–6629（2013）9–0027–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

作為高中化學新課程內容的重要組成部分，化學1模塊中的無機元素化合物知識選擇以典型的元素及其重要化合物為代表，將物質性質的學習融入有關的生活現象和社會問題的分析解決活動中，通過實驗探究來學習物質的性質。然而在教學實踐中，教師普遍感覺教學效果不理想[1]，學生也常常感覺元素化合物知識“好學”，但難以記憶。究其原因，主要有：第一，學生要在化學1模塊集中學習大量的元素化合物知識，其知識本身具有龐雜、零散的特點；第二，化學1階段元素化合物知識被編排在原子結構與元素周期律之前，關于物質性質的學習主要是基于實驗現象的分析與總結，不能從結構出發來推斷或解釋，而基于實驗獲得的知識是感性的，且有些內容又容易混淆；第三，元素化合物知識應用方面的內容較為廣泛，許多知識只能作為常識性介紹。現實中，學生對物質性質及應用的學習大多停留在對實驗事實的感知與記憶水平，由于缺乏對元素化合物知識內在聯系及其所蘊含的學科觀念與方法的理解，導致學生在處理實際問題時往往缺乏思考或求解問題的基本思路[2]。為此，幫助學生建立起研究和認識物質性質的思路與方法、加強從元素視角認識物質及其轉化以建立元素化合物知識的內在聯系，就顯得尤為重要。

1 構建從元素視角認識物質及其轉化的思考框架

在化學1階段，應如何幫助學生建構無機元素化合物知識體系？從學科知識的角度看，無機元素化合物知識注重“物質性質及應用”的學習，其中“物質性質”是核心，物質性質決定了物質的用途、制法、保存等，不認識物質性質，就不可能理解物質的應用。而物質的性質是由其元素組成和內部結構所決定的，不從組成和結構角度認識物質性質，就難以形成對物質性質的深入理解。從中學階段無機元素化合物知識的編排看，學生對無機元素化合物知識的學習是逐步發展的。初中階段元素化合物知識以物質為中心，學習典型物質（如氧氣、二氧化碳）的性質、制法及用途等，以典型代表物學習一類物質（金屬、酸、堿、鹽）的性質等。高中化學1階段元素化合物知識注重以元素為核心，通過核心元素將其單質及其化合物知識組織起來，學習含有同種元素不同物質的重要性質及相互轉化關系；高中化學2階段，借助元素周期表和周期律對元素化合物知識進行整合，建立以周期、族為系列形成對物質性質遞變規律的認識[3]，建立不同元素及其物質性質等知識的聯系。限于化學1階段元素化合物知識的編排特點和學生的認識發展水平，有必要加強從元素視角認識物質及其轉化（見表1），即要加強對元素與物質性質、物質分類、物質之間的轉化等學科實質性問題的認識，發揮“元素觀”對元素化合物知識學習的指導作用，幫助學生逐步領會和運用“元素觀”來分析解釋問題，增進學生對化學知識的理解。

作為中學化學的核心觀念之一，“元素觀”是從元素視角對物質及其化學變化本質的深層次理解[4，5]，大致包括三方面含義：一是對元素的認識，包括什么是元素、元素的種類、元素的性質等。就元素的性質而言，還涉及元素之間的差異、元素性質的周期性、一類元素性質的相似性等。二是從元素視角看物質，即元素與物質有什么關系，具體包括元素組成與物質的分類、性質有什么關系等。三是從元素角度看化學反應，即元素與化學反應有什么關系，在化學反應中元素種類是否發生變化、含有同種元素的不同物質之間的轉化存在什么規律等。

在化學1階段，強調從元素的視角認識物質，就是要對元素與物質性質的關系有深入的了解，這包括兩個層面：一是從元素視角認識物質的“個性”，即認識物質的性質與組成物質的元素種類、元素形態（化合價、相鄰元素的結合方式、分子中元素間的相互作用等）密切相關[6]。對于簡單的化合物或單質，元素組成對于物質的性質甚至起著決定性的作用。具體為：（1）物質元素組成上的細微差別，會引起物質性質上的巨大差異。如氧化鋁、氫氧化鋁、鋁鹽雖然都含有鋁元素，但因元素組成不同而其性質不同；氧化鈉、氧化鋁、氧化鐵，雖然都是氧化物，但由于組成氧化物的金屬元素不同，其性質不同。（2）組成物質的元素種類相同但其形態不同，物質性質不同。如氫氧化鐵、氫氧化亞鐵雖然含有相同的組成元素，但由于其中鐵元素的價態不同，兩者的性質不同。二是從元素視角認識物質的“共性”，即認識基于物質元素組成可以將純凈物進行分類，基于物質類別認識同類物質具有相似的性質，如氧化銅、氧化鐵都是金屬氧化物，它們都能與鹽酸發生反應。

從元素的視角認識物質間的轉化，就是要以元素為核心，認識含有同種元素不同物質之間的轉化規律，建立某一元素的不同物質之間的聯系，形成相應的知識結構，這包括兩方面：一是同一元素相同價態不同物質間的轉化，如Al2O3—Al（OH）3之間的轉化、Fe2O3—FeCl3—Fe（OH）3之間的轉化等；二是同一元素不同價態物質之間的轉化，如Fe—Fe2+—Fe3+之間的轉化。

借助表1中的思考框架，可以幫助學生建立研究物質性質、研究物質間轉化的基本思路與方法，即通過實驗的方法，從物質分類、氧化還原角度來認識物質性質[7]。具體地說，從金屬（或非金屬）、氧化物、堿（或酸）、鹽等物質類別所具有的通性預測某個具體物質可能具有的性質，從物質所含元素的化合價角度預測物質是否具有氧化性或還原性，然后通過實驗進行驗證。對于同一元素不同物質間的轉化，依據金屬（或非金屬）、氧化物、堿（或酸）、鹽等物質所具有的性質確定實現不同類別物質之間的轉化途徑，依據反應物與生成物中核心元素有沒有價態的變化，確定是否是氧化還原反應等。

2 以“元素觀”為導向明確學習的層次及其關鍵所在

新課程中無機元素化合物知識的內容及其功能價值發生了明顯的變化。以“金屬及其化合物”為例，《普通高中化學課程標準（實驗）》在化學1主題3“常見無機物及其應用”中所列內容標準為：“根據生產、生活中的應用實例或通過實驗探究，了解鈉、鋁、鐵、銅等金屬及其重要化合物的主要性質，能列舉合金材料的重要應用”[8]。傳統的教學注重元素化合物知識的識記，新課程主張實施以化學觀念建構為本的教學，強調要超越具體的事實性知識發展學生的深層思維，增進學生對化學知識的深層理解，由此需要思考，在元素化合物知識的教學中到底需要教給學生什么？

從發展學生“元素觀”的角度看，化學1階段選擇以鈉、鐵、鋁、銅為金屬元素的典型代表，其學習內容[9]可分為三個層次：一是學習金屬及其化合物知識，這是學習內容的第一層次，屬于事實性知識。具體包括：在初中學習的基礎上進一步了解幾種典型金屬的性質，如認識金屬鈉的活潑性等，發展對金屬元素及金屬單質性質的認識。學習相應金屬的重要化合物（包括氧化物、氫氧化物及鹽等）的性質，如鋁的氧化物和氫氧化物具有兩性、利用 FeSO4溶液滴加少量NaOH溶液生成的Fe（OH）2在空氣中可轉化成Fe（OH）3等事實的學習，認識鐵元素的變價性以及不同價態之間的轉化等，發展對金屬化合物的類別、性質的認識。了解金屬材料（合金、稀土金屬）及其應用等。二是在“金屬及其化合物”知識學習的同時，增進對物質性質與組成元素（種類、價態等）的關系、同一元素不同物質間轉化關系的理解，豐富和發展對“元素觀”的認識，這是學習內容的第三層次，屬于觀念性知識。三是要形成對上述內容的認識，需要學習相應的研究物質性質、研究物質間轉化的基本思路與方法，這是學習內容的第二層次，屬于方法性知識。第一層次的學習內容，是短期可以達成的學習目標。后兩個層次的學習內容，屬于較遠期目標。其中較為關鍵的是要幫助學生建立“研究物質性質、研究物質轉化的一般思路與方法”，這是引領學生從事實記憶走向觀念建構的重要橋梁。

3 從促進學生“元素觀”認識的角度組織教學內容

從人教版化學1教科書[10]的編排看，元素化合物知識按“金屬及其化合物”、“非金屬及其化合物”分類編排，其中“金屬及其化合物”依次分為金屬的化學性質、幾種重要的金屬化合物、用途廣泛的金屬材料三方面內容。就其中的“幾種重要的金屬化合物”而言，教科書選取鈉、鋁、鐵、銅4種元素（以前三者為主），按照氧化物、氫氧化物、鹽分類進行討論。這樣的編排重視從物質分類的角度學習含有不同金屬元素的同類物質及其反應，溝通了不同金屬元素化合物的“橫向”聯系，能夠引導學生基于物質類別認識同類物質的性質及反應規律。但需要指出的是，由于缺乏元素周期律知識基礎，關于含有不同金屬元素的同類化合物性質的學習不能從結構出發進行推斷或解釋，而主要是基于從實驗現象出發進行分析和總結，學生的學習仍然處于事實的記憶層面。并且這樣的編排割裂了含同一元素不同物質之間的“縱向”聯系，不利于學生建立對同一元素不同物質間的轉化關系的認識。為此，教學時需要對教材內容進行重組與再加工。

教學內容的組織大致包含兩層含義，一是以“元素”為核心構建教學單元，如“幾種重要的金屬化合物”，可以按照“鈉的重要化合物”、“鐵的重要化合物”、“鋁的重要化合物”來展開，每一教學單元均涉及氧化物、氫氧化物、鹽等物質類別，這樣可兼顧元素化合物知識的縱、橫聯系；二是課堂教學內容主線的構建，以第二層次學習內容為目標，考慮在具體知識如“鈉的重要化合物”、“鐵的重要化合物”、“鋁的重要化合物”等教學中，是以研究物質性質為主，還是以研究物質轉化為主，這體現了兩種不同的教學思路[11]。前者注重以具體物質性質的預測與驗證為線索，在學習物質性質的同時，學習研究物質性質的思路與方法。如“鋁的重要化合物”教學思路可以設計為：以生產、生活中常見的鋁的重要化合物為素材引入課題→預測Al2O3的性質、設計方案進行實驗驗證，認識Al2O3具有兩性→實驗探究Al（OH）3的性質，認識Al（OH）3具有兩性→反思與提升，總結研究物質性質的思路與方法。后者以實現具體物質的轉化為線索，在探討物質轉化的過程中認識物質的性質，學習研究物質及其轉化的思路與方法。如“鐵的重要化合物”教學思路可以設計為：由鐵單質制得的化合物有+2價和+3價之分，將含鐵物質進行分類，引出本節課的學習任務→探究相同價態鐵的不同化合物之間的轉化[如請設計實驗實現下列轉化：FeCl3→Fe（OH）3；FeSO4→Fe（OH）2]→探究不同價態鐵的物質之間的轉化（如請設計實驗實現Fe2+與Fe3+間的轉化，并進行實驗驗證）→反思與提升，總結研究物質及其轉化的思路與方法。需要說明的是，究竟選擇哪種教學思路，需要同時考慮知識內容特點和學生的認知基礎與發展需要，以實現學科知識邏輯與學生認知邏輯的有機整合。

總之，將元素化合物知識的教學重心從事實性知識的識記轉向對更為根本的化學觀念（元素觀）及其認識思路與方法的理解，一方面是基于對元素化合物知識的核心內容及其教學價值的理解，另一方面是出于在教學中要讓學生思維發展、化學觀念的形成與知識學習協調同步的綜合考慮。發展學生從元素視角認識物質及其轉化的教學探索，旨在以元素為核心，通過實驗的方法，從物質分類、氧化還原角度幫助學生建立認識物質性質、物質間轉化的基本思路。在指導學生運用化學知識解決或解釋生產和生活問題的過程中，通過反思與內化，將知識形成與應用的過程體驗轉化為學生解決實際問題的方法與能力。這值得深入研究。

參考文獻：

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[3][7]王磊，胡久華主編.必修課教與學——化學[M].北京：北京大學出版社，2006：17～19.

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[5]何彩霞.圍繞“化學元素觀”展開深入學習——以“水的組成”教學為例[J].化學教育，2013，（4）：36～39.

[8]中華人民共和國教育部制定.普通高中化學課程標準（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2003：11.

[9]何彩霞.以化學觀念為統領設計教學活動——對“弱電解質的電離”教學課例的再研究[J].化學教育，2013，（1）：16～18.

[10]宋心琦主編.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].北京：人民教育出版社，2007.

[11]姜言霞，王磊，支瑤.元素化合物知識的教學價值及教學策略研究[J].課程·教材·教法，2012，（9）：106～112.