初中生學習元素化合價的三重障礙及突破

武超 付陽 李玉珍

摘要：元素化合價一直是初中化學教學的一個難點?；蟽r概念的抽象性、學生原有認知的干擾性和教師教學的機械性，是學生學習元素化合價面臨的三重障礙。在分析三重障礙原因的基礎上，從學生認知的角度出發，針對性地提出具體的教學建議，希望對元素化合價教學有所啟發。

關鍵詞：初中化學;元素化合價：教學難點

文章編號：1008-0546（2019）05-0002-04

中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.001

化合價是初中生學會正確書寫物質化學式的關鍵，也是高中生學習氧化還原反應的重要基石。化學式作為特殊的化學用語，不單單是幾個符號或者符號的簡單組合，更是在符號水平上聯系宏觀化學現象和微觀物質構成的橋梁。根據化合價書寫物質的化學式是初中生書寫物質化學式的基本方法，然而有相當一部分學生因為不能理解化合價，對化學式的書寫深感困難而失去學習興趣。究其原因，是初中生未能突破造成化合價學習困難的三重障礙，即化合價概念的抽象性、學生原有認知的干擾性和教師教學的機械性。

一、化合價教學的研究現狀

在《化學教育》中以“題目”方式，《化學教學》、《中學化學教學參考》中以“主題”方式，分別鍵入“化合價”一詞進行檢索，限定年限為1999年1月1日到2018年1月1日，共檢索到68篇文獻。再將檢索范圍限定到“初中化合價教學”，僅檢索到8篇，占相關研究的11.8%。從研究內容的角度看，關于初中化合價教學的相關研究可以分為四類：一是教學設計。如，建構主義理論應用于元素化合價教學設計和教學實踐的研究;發展學生科學素養，對于元素化合價這節內容，注重知識的理解過程是教學設計的主體思路。二是教學建議。如，化合價教學應當從概念復雜的發展歷程和教師對其教育價值的挖掘來進行改進;教師在化合價的教學過程中要注意“角度”、“深度”和“高度”。三是教學技巧，從試題內容的角度對關于確定元素化合價的問題進行歸納，將其分為八種并給出每種題型的解題思路;或者從方法論的角度對確定元素化合價的試題進行分類，并介紹了相對應于每種題型的解題方法。四是其它相關研究，如，以化學式與化合價為例，探討學習網及APP在習題評課中的應用，并提出將傳統技術與現代技術融合來提升課堂教學質量的思路。

然而，初中化合價教學的已有研究，主要集中于對知識難度本身的處理，即在弱化概念抽象性的同時對教師的“教”提出要求，鮮有從學生學習的角度進行分析的。所以本文從學生認知的視角出發，分析學習化合價面臨的三重障礙，尋求教學改進的突破口，以期為提高初中化合價教學的有效性和學生學習化學的積極性貢獻力量。

二、初中生學習化合價面臨的三重障礙

1.化合價本質的抽象性——學生學習元素化合價的首層障礙

1864年，德國化學家邁爾（J.L.Meyer，1830-1895）建議用“原子價”代替原子數或原子親和單位，標志著化合價概念基本形成。我國早期將其翻譯為“原子價”，1991年公布的化學名詞中稱為“化合價”，并在注釋中又稱“原子價”，用來揭示原子之間相互作用的數量關系。

縱觀化合價概念的演變與發展歷程，大致分為三個階段：第一階段主要解釋原子之間相互化合的數量關系;第二階段從成鍵電子數目與“共價鍵”的角度解釋化合價;第三階段從近代分子軌道理論解釋化合價?；蟽r概念的演變過程不僅是探索化合價本質的過程，更是科學家們發現真理、改造自然研究化學方法的一部歷史。無論是對化合價本質的定性描述，還是從定量的角度解釋數值規律，都使得化合價的概念越來越抽象。因此，理解抽象概念，是學生學習元素化合價不得不面臨的一層障礙。教師如何將這種人類認識物質結構的漫長歷史過程，在短期內通俗易懂地呈現給中學生，著實是個值得研究的問題。

2.學生原有認知的干擾性——學生學習元素化合價的第二重障礙

我國的中學化學課程普遍在九年級開設，從教材編排呈現的先后順序來看，化合價出現在“構成物質世界的微?！敝?，質量守恒定律內容之前，屬于化學式書寫這塊內容。畢華林教授指出：“學生能否理解‘可觀察現象的宏觀世界，分子、原子和離子構成的微觀世界，化學式、化學方程式和元素符號構成的符號世界這三者之間的內在聯系是影響學生化學學習的重要因素。”如果說化學式是溝通初中生認識化學宏、微觀世界的橋梁，那么化合價便是搭建橋梁的基石?？梢钥闯?，化合價處于學生樹立學習化學學科特有思維的重要時期：即從宏觀到微觀、定性到定量，從描述到推理的三大過渡期。

學生并不是空著腦袋進入教室的，他們的認知大多來源于日常生活和以往的學習經驗。不論哪個版本的教材，呈現方式都是先通過列舉常見的物質，再引導學生認識到元素的原子之間在形成化合物時是有規律的，并將這種元素在形成化合物時表現出來的特性歸納為——化合價。人民教育出版社2012年出版的《義務教育教科書化學九年級（上冊）》中這樣描述化合價：“化合物有固定的組成，即形成化合物的元素有固定的原子個數比?！苯滩耐ㄟ^列舉HCl、H2O、NaCI、Fe2O3的原子個數比分別為1：1、2：1、1：1、2：3，引導學生認識化合價在化合物里的規律。九年級學生處于抽象邏輯思維由經驗型到理論型的轉折期，抽象概念的歸納離不開大量直觀經驗的支撐，因此，教材采用“例子一概念”的呈現方式。但是，如果學生先前的認識經驗是模糊的或者是錯誤的，單憑教材中列舉出的幾個例子，很難使學生轉變原有認知、領悟化合價的本質。例如，學生往往將“化合價”與生活中的商品“價格”等同起來，對于學生理解化合價是物質相互作用表現出來的規律這一本質是困難的。因此，排除先前經驗的干擾，實現學科思維的三大順利過渡，無疑是學生學習元素化合價面臨的第二重障礙。

3.教師教學的機械性——學生學習元素化合價的第三重障礙

對于化合價的教學，有些新手教師局限于讓學生背誦化合價口訣表，學生背誦得滾瓜爛熟，但還是不會正確書寫化學式;還有一些有多年教學經驗的教師則從原子核外電子的“八電子穩定結構”的角度，將化合價描述為：元素的化合價是由這種元素的一個原子得到或失去電子的數目決定的，得失電子的個數就是該元素的化合價的絕對值。

科學出版社和廣東教育出版社2012年出版的義務教育教科書《化學九年級（上冊）》中，對于元素化合價的計算給出五條規律，即：（1）化合價有正價和負價，金屬與非金屬形成化合物時，金屬元素顯正價，非金屬元素顯負價;（2）氫元素通常顯+1價，氧元素通常顯-2價，許多非金屬與氧元素形成化合物時，則顯正價;（3）部分元素可顯不同的化合價;（4）有些化合物中，常常含有帶電的原子團，叫做根，它們作為一個整體參加反應，既可以分開計算每種元素的化合價，也可合并計算總化合價;（5）化合物里正負化合價代數和為零。由于化合價是元素形成化合物時才表現出來的性質，因此，在單質中元素的化合價為零。

基于上述規律，很多教輔書提供了各種物質化學式書寫的方法，一些教師直接照搬套用，學生根本不理解適用范圍或者基本原理，這種做法是非常不可取的。比如：在講授通過化學式書寫化合價時，一些老師將所有物質概括為：XmYn的模型，并且告訴學生第一步：將x的化合價記為+n并標到x的正上方，將Y的化合價記為-m，標到Y的正上方;第二步，將n，m位置交叉分別標到x、Y下角標，即寫出了該物質的化學式XmYn。這就是所謂的交叉法。這些技巧看似簡單快捷，但是都有適用范圍，機械地套用使得學生在做題的時候，遇到稍加變式的問題就無從下手了。如，學生在書寫含有原子團的物質化學式時就會困惑，此時的Y究竟應該指什么？還有一些常見的化學物質，如Fe3O4中鐵元素的化合價，H2O2中氧元素的化合價，上述規則并不適用，學生在做練習的時候總是出錯。學生在求助教師的時候，有些教師干脆告訴學生“不要問為什么，你就記住這是特殊的就行了?！碑斶@些特殊的問題積攢多了學生就會困惑：“課本給出的規則究竟什么時候能用，什么時候不能用？”更有甚者會質疑任課教師的能力，因此失去學習化學的興趣。究其原因，可能是許多化學教師自己也沒有搞清楚化合價的確切含義。

課本中給出的規律不全是“化合價”的規律而是“氧化數”的規律。美國教授格拉斯通（Glasston）于1948年提出氧化數代替氧化還原反應配平中的價數。此后的20多年里，化合價和氧化數多數情況下是不做區分的。直到1970年，國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）將“氧化數”嚴格定義為：氧化數（氧化值）是某種元素1個原子的電荷數，該電荷數是假設把每個鍵中的電子指定給電負性更大的原子而求得的。此外，還給出確定氧化數的原則。（1）在離子化合物中，元素的氧化數就等于該離子的電荷數;（2）在共價化合物中，把2個原子共用電子對指定給其中電負性較大的原子后，兩個原子所表現出的形式電荷就是它們的氧化數;（3）在單質中元素原子的氧化數等于零;（4）在分子（離子）中各元素原子的氧化數之和為零（或所帶的電荷數）。

可以看出，氧化數的概念是由化合價發展而來，人們指定的氧化數計算規則繼承了前人對化合價的研究成果并加以補充。化合價表示得失電子數或共價鍵個數，因此化合價只能是不為零的整數。電價有正負之分，共價沒有。而氧化數可以為整數、分數，可正可負。氧化數的概念避開了解釋物質結構的抽象理論，只關注整體的形式電荷，使很多像Fe3O4、H2O2這樣與物質結構有關的化合價問題變得簡單。但是，初中課程引入“氧化數”概念是不切實際的，不少大學老師反映，中學老師采用氧化數的計算規則代替化合價的規則，雖然是作了知識難度的中學化處理，但是概念的混淆處理方式對學生后續深入的學習是極為不利的?，F實課堂中存在的避開概念本質的清晰表述，用口訣要求學生強制記憶的機械教學方式，是學生學習元素化合價面臨的第三重障礙。因此，教師教學將何種知識傳授給學生，怎樣講，講到何種程度無疑對教師也是一種挑戰。

三、突破學生學習化合價的三重障礙

1.圍繞課程標準，深諳化合價本質的發展演變

課程標準是編寫教材的指導性文件，也是教師教學的直接依據?！读x務教育化學課程標準（2011年版）》將“化合價”及有關知識編排至“物質構成的奧秘”一級主題下的“物質組成的表示”二級主題中，并對學生提出教學要求，即“能說出幾種常見元素的化合價”;在活動探究中給出建議“根據化合價寫出常見化合物的化學式”。

可以看出，新課標將化合價的概念逐步淡化。這看似降低了學生學習抽象概念的難度，實則加大了教師教學的難度。學生學習學科知識的認知過程與人類認識自然、發現真理的總趨勢是相一致的。教材采用“例子一概念”的呈現方式，可以說是處于化學家認識化合價的第一階段，那么這一階段化學家們為了揭示化合價的本質遇到過哪些困難，也正是學生學習化合價的障礙點。因此，教師對于化合價本質的把握，不能只局限于滿足新課標的要求，還應當熟悉化合價概念發展的來龍去脈。學生機械地記憶化合價口訣，對化合價本質的理解還停留在數值的階段，這與化學家們最初將化合價理解為“原子之間相互作用的數量關系”的做法極其相似。因此，以化學史為鑒，注重概念本身的微觀解釋，是突破學生學習化合價首要障礙的切人點。

2.洞察學生原有認知，重視知識的清晰表述

認知主義學者認為學生頭腦中原有認知結構在學習新知識時具有實際意義。有些觀念是與科學知識相一致的，可以作為新知識的起點，有些是與當前的科學知識相違背的，這種觀念對學生學習新知識是極其不利的。比如，在與一些學生交流時發現，他們對于“化合價”的認識來源于生活中對錢的認識，覺得“化合價”應該和“價格”有關系，當問他們有什么關系時，他們又說不出來。可見，學生頭腦中已有的生活經驗形成的模糊不清的概念對新知識的學習有干擾，使他們把“化合價”局限為“價格”或“貨幣衡量的一種尺度”。將“化合價”僅僅理解為一個數值，沒有注意到“化合價”是不可拆分的整體概念。學生把不屬于“價格”概念本身的“化合價”包含到前者之中，是一種過度概括的做法。此時，教師首先應當改變學生頭腦中原有的不恰當的概念（這可不是件容易的事情），通過具體典型的實例呈現給學生，引導學生對外界的客觀現象進行正確的直覺反映，直觀利用這種原有的經驗與新知識之間的差異，引發學生的認知沖突，糾正學生的錯誤認識，防止學生在建構意義的過程中提取了不正確的信息而影響其對概念的理解。教師應當提供更多的實例來加深學生對物質結構的認識，以便學生在直觀感受的基礎上理解化合價的本質。

學生能用言語清晰地表述概念有助于其對概念的理解，初中階段不妨對化合價的概念進行中學化的處理，將化合價表述為“是元素的原子在相互化合時表現出來的特性。”教師同時也要向學生說明隨著學習的深入，會有一定的修正。轉變學生的原有錯誤認知，注重概念的清晰表述是突破學生學習化合價的第二重障礙的關鍵。

3.巧用教學情境，注重思維能力的拓展

化合價概念本身的發展離不開其對物質結構的解釋，正確書寫常見物質的化學式是教師檢驗學生對知識掌握的較為有效的途徑。教師應當鼓勵學生大膽去寫，并能對其做出自我解釋。尤其是那些錯誤的自我解釋也可能提供一些沖突情境，這些沖突情境使他們能夠采取有效的改進措施，強調新舊知識之間的互動關系，促進學生主動學習。比如，學生在書寫含有原子團物質的化學式時，往往會對括號怎么加、數字標在哪里等問題產生困惑。此時，教師不應該直接告訴學生正確答案，更不應該讓學生重復地罰抄正確的書寫。最好讓學生去讀出自己書寫的錯誤化學式，與正確書寫進行比較，發現問題并做出自我解釋。以氫氧化銅的書寫為例，學生會寫出“Cu（OH）”、“cu1（OH）1”、“CuOH2”、“CuO2H2”等各種錯誤的寫法，此時，教師讓學生自己讀出他們所寫的物質的化學式，學生通過對比正確的書寫即Cu（OH）2，理解運用“化合物中各元素化合價代數和為零”這一規律書寫化合物化學式的含義，體會用規范化學用語書寫化合物化學式的樂趣。這樣，不僅學生能夠充分表達自己的認識，教師也能通過那些錯誤的認識了解學生的思維方式和掌握程度，從而突破學生的學習難點。

“不憤不啟，不悱不發”，對于初中階段學生經常遇到的那些不符合化合價書寫規則的物質，教師可以引導學生對其物質結構進行大膽猜想，適當給出分子模型，如動畫展示、球棍模型等，拓展學生的發散思維。如H2O2中氧元素的化合價，可以將H202和H20的分子模型對比展示給學生，這樣學生不僅能夠理解H2O2中氧元素的化合價不為一2價，還有助于拓寬學生知識面，激發學生學習興趣。可見，“道而弗牽則和，強而弗抑則易，開而弗達則思”是突破學生學習化合價三重障礙的最高境界。

在教學活動中，教師、學生和知識（教學內容）是推動教學過程的基本要素。無論教學活動以何種方式呈現，都是為了學生的發展服務的。因此，教學中要以學生視角看待三者之間的關系，不僅是學生學好化合價的邏輯起點，也是教師突破學生學習障礙的切入點，更是化學學科知識傳承的關鍵。