構建策略性知識 培養策略性思維——元素化合物知識復習教學

浙江 王愛富

促進學生化學學科思維的發展，培養學生化學學科素養與能力，是化學教學追求的目標。學科知識是形成學科思維的基礎，是發展學生學科核心素養和能力的載體。面對大量的元素化合物性質的知識學習，需要對具體的物質性質進行有效的整合，形成有序的、具有結構化的知識體系。結構化的知識是構建策略性知識的有效方式，是形成策略性思維的有效途徑。

一、組織結構化教學內容，構建策略性知識

心理學家奧蘇貝爾(David Pawl Ausubel)認為學生的認知結構是從教材的知識結構轉化而來的，好的知識結構不僅有利于產生新知識，而且也有利于知識的應用。促進學生從化學學科知識向化學學科核心素養的轉化，結構化的知識是實現這種轉化的關鍵。如無機化合物性質之間的轉化與應用復習教學，面對大量的元素化合物性質的知識學習，需要對具體的物質性質進行有效地整合，形成有序的知識體系，才能為具體的化學學科知識轉化為學科素養提供知識基礎。

結構化的教學內容突出了知識間內在的邏輯關系，從原先的具體性知識的學習向核心觀念的建構轉變，從知識結論的獲得向學科能力與素養的形成轉變，需要從不同的認識角度和認識思路進行多角度教學設計，發展與提高學生認識思路的結構化與核心觀念的結構化水平，形成深度學習的“具有思維文化”的課堂教學。元素化合物知識的結構化教學內容的思路可以從以下幾個角度進行組織：

(1)基于物質的分類與轉化角度，按照化學學科知識之間相互轉化的邏輯關系構建結構化的知識體系。

(2)基于物質的來源與制備角度，構建“物質在自然界中的存在→制備→性質→應用”的結構化教學知識體系。

【案例1】“鈉及其化合物性質與應用”結構化教學單元

“鈉及其化合物性質與應用”結構化教學內容的構建方法可基于“物質在自然界中的存在→制備→性質→應用”的認知模型認識物質及其變化的認識思路，以NaCl的來源及以NaCl為工業原料的物質制備為認識思路的邏輯起點，構建了“鈉及其化合物性質與應用”整個教學單元的框架基礎(如圖1)。

圖1 “鈉及其化合物的性質與應用”結構化的教學單元

策略性知識構建的關鍵在于形成結構化的知識體系，結構化的化學知識為學生提供學習和解決問題的活動依據和載體，是構建策略性知識的有效方式。

二、多角度設計，培養策略性思維

心理學認為，作為認識者以何種方式“提問”取決于他選擇觀察的“視角”，認識者在不同的“視角”中將看到不同的知識圖景。教學內容的選擇視角是教學設計的思維邏輯起點，多角度教學設計應以培養學生化學認識角度和化學認識思路為依據。所謂認識角度是指對物質及其變化的特征及規律進行認識的側面、角度或切入點；而認識思路是指對物質及其變化的特征及規律進行認識的程序、路徑或框架。化學認識角度一旦形成，就會啟發和指導學生化學思維的方向，幫助學生尋找解決陌生情境下復雜化學問題的突破口。策略性思維的核心是“發現解決問題的新途徑，發現組織信息的新方法和設計產品和系統的新手段”。在復習教學中應高度重視學生化學認識角度和化學認識思路的形成，以此發展學生的策略性思維。

【案例2】“氮及其化合物”主題中的“氮的氫化物性質與應用”復習教學

氮及其化合物之間的轉化可以基于工業合成氨、工業生產硝酸和工業生產氮肥(硝酸銨等)三大工業生產原理為骨架，分別以氨和氮氣為起點的兩條氧化路線為基本線索形成氮及其化合物之間的邏輯關系(如圖2)。

圖2 氮及其化合物之間的轉化關系圖

根據“氮及其化合物”主題結構的系列內容，“氮的氫化物性質與應用”的復習教學要求為以原子結構、元素周期律以及化學反應原理為基礎，系統認識元素化合物的性質，鞏固和提高元素化合物性質之間轉化與應用的認知方法，構建元素化合物性質及其轉化的一般認知模型。以問題情境為知識背景，從化學問題出發，以不同的認識角度來認識化學問題，以活動探究方式達到解決問題的目的，以解決問題來培養學生的策略性思維。

基于上述“氮的氫化物性質與應用”的復習教學，從設計意圖到設計思路，從化學學科的認識角度到認識思路全面分析如下(如圖3)：

圖3 “氮的氫化物性質與應用”復習教學設計思路

以選取“氮的氫化物生成與性質”學習任務的教學片段說明上述教學設計思路：

【化學問題1】化學問題的提煉應根據教學要求以及學生的認知水平設計。

問題1.用化學方程式表示當年A.弗蘭克等人制備氨的原理。

問題2.根據如圖N2和H2反應生成氨氣的能量變化圖(如圖4)，從反應的自發性看，在什么條件下有利于工業合成氨反應的進行？請用過渡態理論解釋使用催化劑能加快反應速率的原因。

圖4 工業合成氨的能量變化圖

問題3.根據合成氨反應原理，利于提高合成氨平衡產率的條件有哪些？

設計意圖分析：以氨的微觀結構形成為基礎，以氨的宏觀合成的歷史實踐進一步認識氨的形成過程。以合成氨的發展歷史為背景，從化學反應的方向、反應的快慢、反應的限度、反應中的能量變化等角度認識氨的生成，以多角度設計來培養和發展學生的策略性思維。

【問題情境2】工業上以氨為原料可以制備用作發射火箭燃料的氮的一種氫化物肼，最常見的方法是在丙酮作催化劑條件下，用次氯酸鈉與氨反應制得。肼可用作發射衛星的燃料，也可用形成肼——空氣燃料電池。

【化學問題2】在化學問題1的基礎上，進一步設計問題展開氮的其他氫化物的生成。

問題1.請用化學方程式表示制備肼的反應原理，寫出氣態肼和NO2反應生成氮氣和水蒸氣的熱化學方程式。

問題2.若電解質溶液是20%～30%的KOH溶液的肼—空氣堿性燃料電池，寫出該電池放電時的負極電極反應式。

設計意圖分析：以聯氨的制備與應用為背景，從反應中的能量變化以及在實踐的應用、物質的性質變化在制備中的應用、物質在水溶液中的電離行為等角度認識氨、聯氨的性質、變化規律與應用。

對化學反應的研究，可以從反應的方向、反應的限度、反應的快慢以及反應伴隨著的能量變化等不同視角研究反應的變化規律。在化學教學中應重視學生化學認識角度的分析，再如化學反應中的能量變化曲線圖，可以從宏觀上即反應物和生成物的總能量之間的相對大小、微觀上即反應物中化學鍵斷裂時吸收的能量與生成物中新的化學鍵形成時放出能量的關系，以及反應歷程即反應的活化能等不同角度進行分析。認識角度是發展學生化學學科思維方式的邏輯起點，當然更應注重學生認識思路的形成，逐漸形成認識物質及其變化規律和特征的一般認知模型，這就是所謂的策略性思維。

解決問題是思維的一般形式，所以問題的解決是培養學生策略性思維的有效途徑。復習教學的根本目的是讓學生學會學習，利用所學的知識解決實際問題。對知識的多角度歸納提煉，有利于深刻理解和掌握有關的化學知識和核心概念，在對知識的理解、應用中不斷概括、提煉，在問題的解決中領悟策略性思維。