指向深度學習的高中化學事實性知識內(nèi)涵深究及教學建議

郭為 盧偉

摘要： 深度學習的目標是培養(yǎng)學生的高階思維。針對目前高中化學事實性知識學習主要停留于淺層學習的現(xiàn)狀，分析事實性知識的內(nèi)涵與外延。以“鈉及其化合物”主題為例，說明典型的化學事實性知識內(nèi)涵深究的具體步驟和相關(guān)主題的教學建議，強調(diào)教師應(yīng)當基于學生認知水平在教學中滲透知識內(nèi)涵，期望藉此為深度學習理念下教師的專業(yè)發(fā)展提供一些思考和幫助。

關(guān)鍵詞： 深度學習; 化學事實性知識; 知識內(nèi)涵; 教學建議

文章編號： 1005-6629（2019）8-0052-06 ? ? ? ? ? ?中圖分類號： G633.8 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： B

化學事實性知識是“反映物質(zhì)的性質(zhì)、存在、制法和用途等多方面內(nèi)容的元素化合物知識以及化學與社會、生產(chǎn)和生活實際相聯(lián)系的知識”[1]。學生對事實性知識的學習往往停留于簡單描述、記憶或復(fù)制的低階水平，學習過程中思維深度不夠，運用知識解決問題的能力偏弱[2， 3]。這就要求教師不拘泥于宏觀的事實性知識，而應(yīng)以培養(yǎng)學生高階思維為目標，有意識地分析事實性知識的多元內(nèi)涵并基于學生認知水平在課堂教學中滲透知識內(nèi)涵。本文以“鈉及其化合物”主題為例，說明化學事實性知識的內(nèi)涵及深究步驟，并以其中的個別知識內(nèi)涵為例提出相關(guān)主題的教學建議。

1 ?深度學習

國內(nèi)最早有學者指出，深度學習是指在理解的基礎(chǔ)上，學習者能夠批判地學習新思想和事實，并將它們?nèi)谌朐械恼J知結(jié)構(gòu)中，能夠在眾多思想間進行聯(lián)系，并能夠?qū)⒁延械闹R遷移到新的情境中，做出決策和解決問題的學習[4]。盡管不同學者對深度學習的理解有所區(qū)別，但其中的要素基本一致： 深度學習的目標是培養(yǎng)高階思維（主要表現(xiàn)為問題求解能力、創(chuàng)新思維能力、決策力和批判性思維能力[5]），重點是知識的結(jié)構(gòu)化，測評手段是檢測能否在新情境中實現(xiàn)知識的遷移。

2 ?化學事實性知識的外延與內(nèi)涵

“外延”是指某個概念包含的所有事物，而“內(nèi)涵”則是概念本質(zhì)屬性的高度概括[6]。“化學事實性知識”本身作為一個概念，具有其特有的外延與內(nèi)涵。盡管目前尚未有學者明確區(qū)分化學事實性知識的外延和內(nèi)涵，但借鑒其他類似研究可知，由于化學基本概念和基礎(chǔ)理論是對物質(zhì)及其變化的本質(zhì)屬性的抽象概括，可以將“基本概念和基礎(chǔ)理論”界定為化學事實性知識的內(nèi)涵，而“物質(zhì)及其變化”的宏觀事實則是事實性知識的外延[7～9]。另外，化學是研究分子層次以及超分子為代表的分子以上層次的化學物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化的科學。筆者參考北京師范大學等校編的無機化學教材，綜合相關(guān)內(nèi)容后將化學學科按研究對象分為“物質(zhì)的組成”與“物質(zhì)的變化”，按研究層次分為“宏觀事實”與“微觀本質(zhì)”，歸納出化學事實性知識的外延與內(nèi)涵（如圖1所示）[10]。

3 ?化學事實性知識內(nèi)涵的深究步驟

考慮到學生認知水平，專家在編寫化學事實性知識主題的教材內(nèi)容時，往往會選擇性地略去事實性知識的內(nèi)涵。這就要求教師需對教材進行深刻的文本解讀，發(fā)現(xiàn)教學主題的知識內(nèi)涵并通過多渠道深究事實性知識的內(nèi)涵。這不僅是促進學生深度學習的必要前提，也是教師專業(yè)發(fā)展的重要途徑。現(xiàn)以“鈉及其化合物”教學主題為例對知識內(nèi)涵的深究步驟進行簡要說明。

3.1 ?參考課程標準，分析教學主題價值

《普通高中化學課程標準（2017年版）》相比于實驗版課程標準，提出了五大化學學科核心素養(yǎng)。其中“宏觀辨識與微觀探析”要求學生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的核心觀念，具體要求是：“能根據(jù)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測物質(zhì)在特定條件下可能具有的性質(zhì)和發(fā)生的變化，并能解釋其原因”[11]。這些能力的提高離不開事實性知識外延和內(nèi)涵的教學滲透。新課標還減少了必修模塊的元素化合物知識內(nèi)容，僅強調(diào)了“鈉、鐵、氯、硫、氮”五種元素及其化合物的教學要求。因此，這五種元素的教學應(yīng)當更具有代表性，承載更多的教育功能。其中對“鈉及其化合物”的教學目標包括：“了解鈉及其重要化合物的主要性質(zhì)，了解這些物質(zhì)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。”綜上所述，新課標背景下“鈉及其化合物”的主題教學雖然在事實性知識外延上的要求較低，但卻更注重事實性知識內(nèi)涵所體現(xiàn)的化學微粒觀、變化觀，提倡通過知識外延和內(nèi)涵的滲透教學，提升學生的化學學科核心素養(yǎng)[12]。

3.2 ?剖析教學主題，確定具體知識的外延與內(nèi)涵

根據(jù)課程標準分析某教學主題在高中化學學科體系中的教育價值后，教師還需要具體地把課題所涉及的具體知識進行整理。以“鈉及其化合物”為例，盡管不同教材中的編排方式不同，但其所包含的具體知識是類似的。其中鈉單質(zhì)、鈉的氧化物，部分鈉鹽的制備、性質(zhì)與應(yīng)用都屬于事實性知識的外延，而鈉的原子結(jié)構(gòu)排布屬于事實性知識的內(nèi)涵。

3.3 ?思考可能存在的知識疑點，多渠道深究知識內(nèi)涵

內(nèi)涵深究的著重點在“深究”二字。在確定教學具體知識之后，教師應(yīng)當有意識地思考并分析知識中存在的疑點，深究知識內(nèi)涵。這些疑點既包括學生在學習中可能產(chǎn)生的疑問，也包括教師自身可能存在的認知障礙。如為什么“NaHCO3的溶解度小于Na2CO3， Na2CO3的熱穩(wěn)定性大于NaHCO3”，為什么“Ca的金屬活動性大于Na，和水的反應(yīng)卻不如Na劇烈”。發(fā)現(xiàn)知識疑點后，教師應(yīng)當通過多渠道掃清知識疑點（如查閱專業(yè)書籍、相關(guān)文獻，請教專家等）。以下就“鈉及其化合物”中的某些知識的多元內(nèi)涵進行分析，如表1所示。

鈉單質(zhì)屬于活潑金屬1. 堿金屬原子最外層有1電子，次外層都為8電子（除Li外），對核電荷的屏蔽效應(yīng)（由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷對該電子的吸引力）較強，所以最外層電子特別容易失去，形成離子型化合物。具體表現(xiàn)為Na的第一電離能為496kJ·mol-1，第二電離能為4562kJ·mol-1，遠大于第一電離能[13]。（涉及主要理論為： 原子結(jié)構(gòu)理論;晶體結(jié)構(gòu)理論）

2. 元素的金屬性與單質(zhì)的金屬活動性是兩個不同概念。元素的金屬性指的是元素氣態(tài)原子失去電子變成氣態(tài)陽離子趨勢的大小，判斷元素金屬性強弱的定量標度是電離能;單質(zhì)金屬活動性是元素原子在水中形成水合陽離子趨勢（就是電極反應(yīng)過程）的大小，是根據(jù)金屬單質(zhì)與其氧化態(tài)的標準電極電勢大小Eθ來排序的[14]。（涉及主要理論為： 原子結(jié)構(gòu)理論;電化學原理;化學熱力學原理）

3. 金屬活動性順序表最早是由俄國化學家貝開托夫于1865年整理得出的，依據(jù)是單質(zhì)的置換能力（Na排在Ca的前面），這種依據(jù)的順序表反映不同金屬與其他物質(zhì)作用時反應(yīng)的劇烈程度，稱為動力學金屬活動性順序表;后來科學家提出根據(jù)電極電勢的大小進行排序，這種用以判斷反應(yīng)趨勢而非劇烈程度的順序表稱為熱力學金屬活動性順序表。我國現(xiàn)行的中學化學教材均采用熱力學金屬活動性順序表，依據(jù)的是標準電極電勢大小[15]。動力學活動性順序表中，將K、 Ca、 Na這些排在前三位的金屬（可以和水迅速反應(yīng)）稱為極活潑金屬;從Mg到Pb（一定條件下能和水反應(yīng)）稱為較活潑金屬;排在氫元素后的金屬稱為不活潑金屬[16]。（涉及主要理論為： 化學熱力學原理;化學動力學原理）

在金屬活動性順序表中，Na排在Ca后面;但Na和水反應(yīng)更劇烈EθCa2+/Ca=-2.866V， EθNa+/Na=-2.713V。主要因為Ca的水合能（-1615kJ·mol-1）遠大于Na的水合能（-420kJ·mol-1），所以在熱力學金屬活動性順序中Ca排在Na前面。但動力學金屬活動性反而是Na更強，因為在水溶液中Ca與水反應(yīng)生成的Ca（OH）2會附著在表面，阻礙反應(yīng)的進一步進行[17]。除此之外，Li標準電極電位也小于Na、 K，金屬活潑性更強，但分別投入水中反應(yīng)速率較Na、 K慢，電極電勢是熱力學范疇的問題，速率快慢是反應(yīng)動力學的問題，不能混為一談[18]。（涉及主要理論為： 化學熱力學原理;化學動力學原理）

工業(yè)上通常采用電解氯化鹽的方法制備鈉、鎂等單質(zhì)電解熔融鹽法制鈉裝置如圖2所示[19]：

4 ?內(nèi)涵滲透教學建議

事實性知識的教學應(yīng)當以化學概念和理論為指導，促進學生對化學概念和理論的深度理解[28]。因此，教師應(yīng)對知識內(nèi)涵進行深度解讀，確定適用的教學主題并在教學中進行滲透。值得注意的是，深度學習并不是“高難度、高速度”學習，教師在進行內(nèi)涵滲透時應(yīng)當針對不同學段的學生提出

不同的學業(yè)要求。通常來說，高一學生的認知水平有限，學業(yè)要求較低，而對高二、高三的學生則應(yīng)提出更高要求。現(xiàn)以“鈉屬于活潑金屬”、“工業(yè)上利用金屬鈉可制備其他金屬單質(zhì)”、“鈉在常溫下與O2反應(yīng)生成Na2O，而在O2中燃燒生成Na2O2”為例，參考課程標準提出相關(guān)教學建議和學業(yè)要求，如表2、表3、表4所示[29]。

必修1“鈉及其化合物”在探究“鈉的強金屬活動性”前補充介紹“金屬活動性”的定義。在初中已有的知識基礎(chǔ)上，了解金屬活動性的定義，知道鈉屬于極活潑金屬，理解金屬活動性的強弱比較方法。

必修2“元素周期律”以“鈉的強金屬活動性”為真實情境，引導學生比較ⅠA族結(jié)構(gòu)特點并嘗試預(yù)測ⅠA族的通性。結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實驗事實認識原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，建構(gòu)ⅠA族的元素通性，體會“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的化學觀念。

選修模塊2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”中的“電離能”呈現(xiàn)鈉的電離能數(shù)據(jù)，引導學生交流為什么“鈉易失去1個電子，在化合物中顯+1價”，結(jié)合ⅠA族結(jié)構(gòu)特點嘗試預(yù)測ⅠA族元素在化學反應(yīng)中得失電子的情況。在理解電離能內(nèi)涵的基礎(chǔ)上，能說明電離能大小與元素失去電子難易程度的關(guān)系，并通過原子結(jié)構(gòu)的類比，描述ⅠA族元素原子電離能的一般規(guī)律。

必修1“鈉及其化合物”以“金屬鈉置換出其他金屬單質(zhì)的工業(yè)流程”為真實情境，引導學生分析“該反應(yīng)是否能在水中進行”，強調(diào)鈉的強金屬活動性。了解無水條件下的置換反應(yīng)，體會鈉的強金屬活動性。

選修模塊1“化學反應(yīng)原理”中的“化學反應(yīng)的方向”以“金屬鈉置換出其他金屬單質(zhì)的工業(yè)流程”為真實情境，呈現(xiàn)金屬的物化性質(zhì)，引導學生從焓變、熵變的正負性角度分析該反應(yīng)能夠自發(fā)進行的原因。利用焓變、熵變及吉布斯自由能的知識分析具體化學反應(yīng)的自發(fā)性問題，理解影響化學反應(yīng)方向的相關(guān)因素。

選修模塊1“化學反應(yīng)原理”中的“化學平衡”以“金屬鈉置換出其他金屬單質(zhì)的工業(yè)流程”為真實情境，引導學生分析工業(yè)生產(chǎn)中“移去產(chǎn)物”的目的。理解勒夏特列原理并推測該反應(yīng)的平衡移動方向，從平衡移動角度討論化學反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化，體會平衡移動原理在工業(yè)生產(chǎn)中的功能價值。

必修1“鈉及其化合物”以學生易懂的方式對“鍵能”、“晶格能”的概念進行模糊表達。了解鍵能、晶格能對物質(zhì)穩(wěn)定性的影響，體會化學微粒觀與能量觀。

必修2“元素周期律”呈現(xiàn)堿金屬穩(wěn)定氧化物的組成變化，引導學生了解同族元素氧化物的穩(wěn)定性變化趨勢。結(jié)合有關(guān)數(shù)據(jù)和實驗事實認識原子結(jié)構(gòu)、元素性質(zhì)的周期性變化規(guī)律，了解原子半徑大小對同族元素原子性質(zhì)的影響。

選修模塊1“化學反應(yīng)原理”中的“化學反應(yīng)的方向”以該實驗事實為真實情境，呈現(xiàn)吉布斯自由能數(shù)據(jù)，引導學生從吉布斯自由能的角度預(yù)測不同條件下生成不同產(chǎn)物的原因。能夠利用化學熱力學知識預(yù)測分析具體實例中不同產(chǎn)物的成因，體會吉布斯自由能對反應(yīng)方向的決定作用。

選修模塊2“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”中的“離子鍵離子晶體”以該實驗事實為真實情境，呈現(xiàn)晶格能數(shù)據(jù)，引導學生從晶格能的角度預(yù)測并解釋鈉的氧化物與過氧化物的穩(wěn)定性。能夠利用晶格能的知識預(yù)測并解釋氧化物與過氧化物的熱穩(wěn)定性，體會晶格能對離子晶體穩(wěn)定性的影響和作用。

5 ?結(jié)語

高中化學事實性知識在新課標中的內(nèi)容縮減，卻要承載更多的教育功能，如知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀、化學思想與化學觀念等。深度學習旨在改變課堂對話的膚淺化、課堂活動的單一化以及課堂理解的淺層化[30]。因此，新課標背景下強調(diào)深度學習要求教師在事實性知識的教學中注重知識內(nèi)涵的滲透，并基于學生認知水平提出不同的學業(yè)要求，采取不同的教學策略。盡管深究知識內(nèi)涵需耗時較長，但這正是新課標背景下對教師的教研能力提出更高的要求，同時也督促教師的專業(yè)水平進一步發(fā)展。

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