核心素養視域下元素化學學習模式的重構

蔣小鋼

摘要： 近年來高考化學全國卷試題對元素化學知識的考查出現了新的要求。為應對這種新變化，必須改進元素化學傳統的教學策略和方法，提出以化學核心素養為頂層設計，在核心素養的視域下重構元素化學的學習模式，并通過2個試題實例作具體的分析和闡述。

關鍵詞： 高考試題研究; 元素化學教學; 化學核心素養; 學習模型建構

文章編號： 1005-6629（2019）12-0082-05? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 問題的提出

隨著基礎教育改革的深入，高考命題經歷了由知識立意到能力立意，再到全面考查學生的化學核心素養。高考命題的這種變化也體現在對物質間（或微粒間）化學反應的考查上。高考對元素化學知識的考查，主要是以真實問題為背景的工業流程題的形式呈現為主。近年來高考試題中考查的化學反應涉及到的反應物、產物可能不常見、不熟悉、陌生度高，物質間發生的化學反應情況（過程機理）更復雜，學生不易理解。

如2019年高考化學全國卷Ⅰ卷，第26題（節選）：

一種以硼鎂礦（含Mg2B2O5·H2O、 SiO2及少量Fe2O3、 Al2O3）為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如下：

回答下列問題：

……

（4） 在“沉鎂”中生成Mg（OH）2·MgCO3沉淀的離子方程式為? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

再如2019年高考化學全國卷Ⅲ卷，第26題（節選）：

回答下列問題：

……

（6） 寫出“沉錳”的離子方程式? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。

這種對元素化學的考查要求，在學科思想、學科方法和學科思維上已經較大程度超越了傳統的考查力度，是一種基于核心素養視域下對物質化學變化考查要求的新變化，值得關注。

元素化學傳統的教學策略和方法，已經不能完全適應新高考的這種考查變化要求，有必要對元素化學的教學進行反思，改進教學理念、教學方法和教學策略，以應對高考對元素化學考查的新要求。

2? 元素化學教學中突出存在的問題

化學是在原子、分子的水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質[1]。化學的學科特征決定了研究物質間的化學反應必然成為學科的核心內容之一。

高中化學關于元素化學本體知識的學習主要集中在必修階段。在實際教學過程中，雖然隨著課程改革的不斷推進，新的教育教學理念不斷影響和改變著教學方法和教學策略，影響和改變著教師的教學行為，出現了許多新穎、富有成效的教學策略、教學方法和教學模式。但目前元素化學的教學仍然存在一些策略和方法的局限，主要表現在以下幾個方面。

2.1? 教學中過于強調知識的記憶

教學理念和教材結構的變化并沒有完全改變目前化學教學的狀況，教師在教學中仍將主要精力用在強化學生對所學化學方程式書寫的記憶上。簡單采用背誦、默寫、小測驗等多種手段不斷檢查學生對化學方程式的掌握情況，直到學生書寫達到倒背如流的程度。

對于元素化學基礎知識，基于其學習的特點，記憶無疑是必要的，但機械性的記憶無疑是低層次的學習行為，簡單記憶無法對物質化學反應的本質產生深刻的理解和掌握，也就無法將所學知識遷移、創新應用于更為復雜多變的實際問題的解決。過于強調物質化學性質的簡單記憶，還會導致學生對化學的學科特點和思想方法的錯誤理解，最終必將傷害學生學習化學的積極性和學習效果。

2.2? 教學中過于局限于“價、類”二維規律

“價、類”二維是指從元素的化合價和物質的類屬通性兩個維度，對元素單質及化合物的化學性質進行分類、比較和遷移學習。實踐證明，“價、類”二維是學習元素化學知識的有效模型，現在已經逐漸成為新課程理念下元素化學學習的一種重要范式。但由于物質間發生化學反應的復雜性和多樣性，故而任何學習模型或范式都有它的局限性，無法涵蓋所有的化學反應情形。如金屬鋁、鐵遇濃硫酸，濃硝酸的“鈍化”反應、二氧化硫的漂白性、二氧化硅與氫氟酸的反應等。再如，鹽與鹽在溶液中的反應也比較復雜： 可以是復分解反應、氧化還原反應，還可以是水解反應等，尤其是多種競爭反應共存時情況則更為復雜。因此，教學中應讓學生清醒地認識到“價、類”二維只是學習物質化學性質的兩個最常用的視角，在解決物質化學反應的具體問題時，還應關注物質化學性質的復雜性和多樣性，不能只會生搬硬套某種模型。

2.3? 教學中過于局限于應用類比、遷移方法

類比和遷移是元素化學知識學習經常用到的方法。按照物質“結構決定性質”這個化學最基本的觀念，借助元素周期表和元素周期律的知識，可以通過學習一些最具代表性的物質的性質，按照元素周期表所揭示的物質結構和性質的變化規律，進而了解更為豐富的物質世界中其他物質的性質。同樣基于物質性質的復雜性和多樣性，常常會出現反常現象。如SiO2與CO2性質的差異、氫氟酸與鹽酸、氫溴酸、氫碘酸性質的差異，硝酸與磷酸氧化性的差異等。這種同一主族元素化學性質的差異普遍存在，因此，在運用元素周期表進行元素化學性質遷移類比時，不能機械地搬用規律，不應把規律講死，應留有余地。

2.4? 教學中過于重視氧化還原反應，忽視非氧化還原反應的研究

高考對物質化學性質的考查時，無論是考查熟悉的常見物，還是新情境的陌生物質，比較注重考查物質參加化學反應時的化合價變化，即考查物質的氧化還原性。的確，物質的氧化還原反應廣泛存在且比較復雜，反應涉及知識面廣、能力要求高，區分度大，考查思維層級較高。如果試題以陌生情境、陌生物質（或元素）為載體，則難度更大，所以教學中教師都會比較注重此類反應的講解、歸納和應用。但從另一個角度來看，氧化還原反應總體上還是比較有規律的。根據反應前后元素化合價的升降、電子守恒及電荷守恒，寫出相應的化學方程式或離子方程式并進行相關問題的解答基本還是可行的。學生只要熟練掌握氧化還原反應的重要規律，至少解題思維的方向性就不會出太大的偏差。事實上，從教學實踐總結的情況來看，學生對氧化還原反應知識的掌握總體還是不錯的，反而對于一些較復雜的非氧化還原反應的考查，往往沒有引起教師足夠的重視。

物質發生的非氧化還原反應，有時其反應機理更復雜，思維要求更高，學生更難理解和掌握。就如上述2019年全國高考題中涉及的反應，考試時不少中學生一籌莫展、束手無策。

2.5? 教學中對化學反應的規律只做簡單分析和推斷

物質發生化學反應是有規律的。比如單質在水溶液中發生的置換反應： 金屬單質滿足金屬活動順序（鈉等很活潑的金屬單質除外）“強置弱”的反應規律，即較活潑的金屬單質能將較不活潑金屬的離子置換出來成單質;非金屬單質同樣滿足非金屬性“強置弱”的規律。如Cl2能將溶液中的Br-、 I-、 S2-等離子置換出相應的單質。再如，酸與鹽、堿與鹽、鹽與鹽等溶液中的反應，都滿足離子反應的條件和規律，即俗稱的“強酸制弱酸”“強堿制弱堿”等，其反應本質都是使溶液中某種離子的濃度因發生化學反應而減小。

但對于多種微粒共存的復雜體系而言，反應往往就會復雜得多，尤其是當反應條件發生變化時。如將Cl2通入到Br-、 I-、 S2-、 SO2-3等離子共存的溶液中，究竟如何發生反應？當Cl2少量或足量時，反應的情形是否相同？Na2CO3溶液與CuSO4溶液混合時，是發生復分解反應還是雙水解反應？FeCl3溶液與Zn的反應跟反應條件關系密切： 當FeCl3溶液的濃度大和小、有無酸化時的反應情形都不相同。再如2019高考全國Ⅲ卷26題中涉及的化學反應等。類似的問題不勝枚舉、層出不窮，都是學生在學習物質化學反應時經常受困擾的問題，教學中若不能講清楚這些反應的歷程，分析其中的反應機理，只是讓學生簡單地套用一般性的反應規律去答題，學生就不能真正掌握反應的實質，自然不能胸有成竹、應答自如。

3? 核心素養視域下元素化學教學模式的重構

化學核心素養體現了化學課程在幫助學生形成未來發展需要的必備品格和關鍵能力中所發揮的重要作用。它將化學知識與技能的學習、化學思想觀念的建構、科學探究與解決問題能力的發展、創新意識和社會責任感的形成等多方面的要求融為一體。其中，“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”要求學生形成化學學科的思想和方法，是從學科觀念和思維方式視角對化學科學思維的描述[2]。因此，以化學核心素養為頂層設計進行元素化學的教學，成為教學改進的必然。

在化學核心素養視域下進行元素化學的教學時，應重點關注兩個問題： 一是教學中應處理好繼承與創新問題;二是建構核心素養視域下的元素化學學習的思維模型。

3.1? 繼承與創新

元素化學知識是高中化學知識最基本的構成，它為高中化學其他模塊知識的學習提供豐富的感性材料，為其他模塊知識的學習提供最基本的載體。因此，在核心素養視域下，元素化學的教學中要采取繼承與創新的策略，也即哲學意義上的揚棄。

（1） 落實化學反應的一般性規律。鑒于元素化學知識本體的特點，傳統教學中注重物質基本性質和基本反應規律的學習仍然非常必要，這就是教學中“繼承”的意義。教學中要充分利用“價、類”二維的學習模型，講清物質的類屬通性和氧化還原反應性，熟練掌握各種物質化學反應的一般規律，并能運用這些規律解決元素化學一般性的實際問題，這就是傳統教學中值得傳承的一面。傳承對于元素化學基礎知識的掌握，為學生解決復雜體系中的化學反應奠定基礎。

（2） 培養質疑精神和評判性思維。基于核心素養視域，元素化學的教學策略和方法也應做相應的變化和發展。其中，質疑精神和批判性思維對于元素化學的學習尤為重要，它能開拓學生思維的深度和廣度，提升思維品質，達到深度學習，這是教學中創新的意義[2]。

例如，用硝酸酸化的硝酸銀溶液檢驗溶液中的Cl-， SO2-4的存在是否一定會干擾檢驗結果？有些資料在介紹用硝酸酸化的硝酸銀溶液檢驗Cl-時，都會特別說明，若溶液中有SO2-4存在，就必須首先除去，再進行檢驗，否則會生成Ag2SO4白色沉淀干擾實驗。這種說法一定合理嗎？顯然，這些資料是把微溶的Ag2SO4當成難溶性物質來處理了。其實，相對于學生熟知的微溶物Ca（OH）2、 CaSO4等物質，Ag2SO4的溶解度要大得多。且25℃時AgCl的Ksp=1.56×10-10，遠小于Ag2SO4的Ksp=7.7×10-5。故AgNO3溶液與硫酸鹽的稀溶液不會生成沉淀，但在濃的硫酸鹽溶液中是否可能產生Ag2SO4白色沉淀。更何況，Ag2SO4的溶解性在酸性溶液中隨酸度的增大而增大，即Ag2SO4可以溶于硝酸（只要硝酸濃度不是太低）。這個結論可以通過簡單的計算來說明：

平衡1： Ag2SO4+HNO3AgHSO4+AgNO3或Ag2SO4（s）+H+2Ag+（aq）+HSO? -4（aq）， K1

平衡2： Ag2SO4（s）2Ag+（aq）+SO2-4（aq）， Ksp=1.2×10-5

平衡3： HSO? -4H++SO2-4， K2=1.2×10-2

所以，K1=Ksp/K2=1.0×10-3，增大H+濃度，有利于平衡1正向移動，其結果是不斷促進Ag2SO4的溶解。同理，Ag2SO4也可以溶于較濃的硫酸溶液中。

3.2? 核心素養視域下元素化學學習模型的建構

“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”等化學核心素養是從學科觀念和思維方式視角對化學科學思維的描述。“宏觀辨識與微觀探析”要求形成“結構決定性質”的觀念，能從宏觀和微觀相結合的視角分析與解決實際問題。“變化觀念與平衡思想”要求能多角度、動態地分析化學變化，運用化學反應原理解決簡單的化學實際問題。“證據推理與模型認知”要求具有證據意識，能基于證據對物質變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽，建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系，從而建立認知模型，并能運用于解釋化學現象，揭示現象的本質和規律。

以核心素養為頂層設計，在元素化學的教學中滲透和落實化學學科思想、方法和觀念。將核心素養與元素化學教學相結合，并逐一落實分解為： （1）宏微結合的思想： 分析參加化學反應物質的類別、反應的微粒種類、反應條件（反應物濃度、酸堿性、溫度、介質等）、分析反應產生的現象等;（2）變化與平衡的思想： 分析參加化學反應的體系中可能存在的所有化學平衡，及該反應條件下的化學平衡可能移動的方向及結果;（3）證據意識與模型建構： 對于陌生情境下的陌生反應，應著重培養學生的證據意識，即關注化學反應的現象（實驗事實即證據），采用逆推的思維方式進行分析推理，找尋反應機理，解釋反應現象，揭示反應本質，進而用化學符號表征該反應，即得出反應的化學方程式或離子方程式。

基于上述分析可以歸納出核心素養視域下，元素化學學習的思維模型，如圖1所示。

圖1? 元素化學學習的思維模型

下面，舉例加以說明。

例? 在FeCl3溶液（未加鹽酸酸化）中放入一些小鐵釘，加熱煮沸，觀察到有大量細小的氣泡逸出，同時生成棕色沉淀。寫出Fe3+發生反應的離子方程式? ? ? ? ? ? ? ? 。若FeCl3溶液用鹽酸酸化后放入一些小鐵釘，Fe3+發生的主要反應為? ? ? ? ? ? ? ? 。

分析： FeCl3溶液中Fe3+發生水解生成H+，Fe3+與H+都具有氧化性，都能與Fe反應，且Fe3+的氧化性大于H+。但由實驗中產生大量細密的氣泡可以推理，Fe應首先與H+反應生成H2，發生的反應是： Fe+2H+Fe2++H2↑。反應最后產生棕色沉淀，可以推斷有Fe（OH）3沉淀生成。實際上，Fe3+在溶液中主要是以[Fe（H2O）6]3+的形式存在，逆向分析容易聯想到Fe3+的水解平衡Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+，隨著反應的進行，溶液的酸度不斷下降，促進了Fe3+的水解平衡正向移動，最終產生Fe（OH）3棕色沉淀。所以此時Fe3+主要發生的是水解反應，而不是氧化Fe單質的反應。

FeCl3溶液加鹽酸酸化后，反應體系發生了變化。鹽酸電離出的H+抑制了Fe3+的水解，Fe3+濃度較大，故此時Fe3+主要發生的反應為： 2Fe3++Fe3Fe2+。

運用上述建構的核心素養視域下的元素化學學習思維模型，對2019年高考Ⅰ卷26題（略）可以做如下分析：

同理，也可以對2019年高考Ⅲ卷26題（略）分析如下：

4? 結語

為了適應高考對元素化學考查要求的新變化，應在傳承“價、類”二維、元素周期律等傳統教學策略、方法的基礎上，在教學視域上再做更廣泛的拓展，即運用“宏微結合”“變化平衡”的化學學科思想，認真分析反應體系中存在的各種化學平衡體系，并運用化學平衡移動的原理分析平衡的移動方向及結果。同時，充分利用材料中提供的信息，運用“證據推理”的思維方法，分析反應體系中發生的所有化學反應，推斷可能的反應機理，最終得出反應結論，并用符號正確進行表征。

在解決元素化學實際問題的過程中，讓學生逐步形成基于核心素養視域下的問題解決模型，應該成為教學中的重要組成部分。通過教學逐步培養學生基于證據進行分析推理證實結論的能力;逐步形成尋找證據或解釋證據與結論之間的關聯的方法或途徑;逐步培養學生能依據物質發生化學變化的信息建構思維模型，建立解決復雜元素化學反應問題的思維框架。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[2]胡久華， 羅濱， 陳穎. 指向“深度學習”的化學教學實踐改進[J]. 課程. 教材. 教法， 2017， （3）： 90～96.