基于科學探究中構建元素化合物的認知模型

饒清祥 王美清

摘 要：鐵及其化合物的氧化性及還原性是高中化學知識的重點、難點。氧化還原反應知識點多且易混淆，利用探究鐵及其化合物學習能很好地將氧化還原理論化為實踐，化抽象為具體，在探究過程中，利用價類二維圖幫助學生構建各物質的性質空間網絡關系，形成價類認知的思維模型，幫助學生突破元素知識與氧化還原知識的相結合。

關鍵詞：認知模型 實驗探究 小組合作

隨著新課程的實施，在化學教學中要培養學生的核心素養，學科核心素養的對象是學生，只有通過實際的課堂教學，才能培養學生適應終身發展和社會發展的必備品格和關鍵能力，筆者以鐵及其化合物為例，探討指向核心素養的教學方法，幫助學生構建元素化合物的認知模型。

一、素養為本的教學設計思路

證據推理與模型認知是高中化學學科的核心素養之一，在探究鐵及其化合物的教學中，引導學生利用元素化合價、物質類別的價類二維圖構建物質的性質、化合價之間的轉化知識建立聯系，形成價類認知的思維模型，構建模型，并利用模型突破元素知識與氧化還原知識。在實驗探究過程中，通過小組合作，培養學生的發散性思維、創新意識、科學探究精神，從而提升學生的化學核心素養。

根據化學學科核心素養及化學教學要求，確定了本節課具體核心素養的教學目標。

（一）宏觀辨識與微觀探析——掌握鐵、亞鐵離子、鐵離子的化學性質，了解亞鐵離子、鐵離子的常用檢驗方法。

（二）證據推理與模型認知——能依據實驗證據推出合理的結論，構建價類二維圖的思維模型，運用模型合理預測未知物質的性質。

（三）科學探究與創新意識——通過小組合作，設計實驗方案，探究實驗得出結論，培養學生解決問題及實驗探究的能力。

（四）科學精神與社會責任——了解鐵對人類生活的應用。

二、基于化學核心素養的教學實施

教學環節一：身邊的化學

當一個人頭昏乏力、精神行為異常，如煩躁、易怒、注意力不集中;體力、耐力下降;口腔炎、舌炎;毛發干枯、脫發等，可能患有缺鐵性貧血，假設你是醫生，你會給什么建議？

設計意圖：學生根據生活常識，缺鐵可以同時服用乳酸亞鐵片和維生素C。通過一個真實的生活情境，讓學生知道到在人類多姿多彩的生活中，化學無處不在，激發學生的求知欲，引出本節課的內容。

教學環節二：構建價類二維圖

[學生小組討論]：生活中含鐵的物質有哪些？這些物質可以從什么角度將它們進行分類？從什么思路去預測它們的性質并加以驗證掌握？

設計意圖：元素化合物知識多且雜，如果只是讓學生單一地去學習某元素化合物知識，而沒有培養學生過程性知識和程序性知識，就無法理清知識的潛在活力與學生內在發展的邏輯關系，學生在學習過程中覺得易學但難記且費時，也不可能將所有已發現的物質一一學完，若能掌握一種較簡易實用學習元素化合物知識的認知模型，形成分析理解元素化合物的基本思路和方法，必將達到事半功倍的作用。通過這節課引導學生把所學的知識構建成元素及化合物的認知模型，并把元素及化合物知識與氧化還原的知識相結合。幫助學生建立學習物質的性質認知模型，理清元素及化合物性質的學習規律并把此認知模型遷移運用于碳、氮、硫等變價元素知識的學習中。

“價類二維圖”是以物質類別為橫坐標，以核心元素化合價為縱坐標的二維平面圖像，它直觀、形象地體現了以某元素為中心的“分類觀”“轉化觀”“元素觀”，容易讓學生將元素化合物知識系統化、結構化，有助于學生形成學習元素化合物的基本思路和形成化學的基本概念。通過“價類二維圖”可以根據物質類別分析物質的通性，再依據核心元素化合價可以預測、分析物質的氧化性、還原性，最后學習物質“特性”的學習模式。

教學環節三

問題1：寫出下列關于鐵的物質的化學式

鐵、氧化鐵、氧化亞鐵、四氧化三鐵、氫氧化鐵、氫氧化亞鐵、氯化鐵、氯化亞鐵

問題2：請將“問題1”關于鐵的物質進行分類，分類的標準是什么？

設計意圖：分類觀指的是在學習和研究化學物質過程中，遵照物質變化的規律對研究對象的特點進行系統、規律性的思維導向。它可以更好地理解化學學科的基本概念，又可以整體把握知識體系，對輕松系統掌握化學各模塊知識具有事半功倍的作用。

問題3：請將“問題1”關于鐵的物質放入“價類二維圖”，各物質之間能否反應？如何反應？

教學環節四：科學探究——設計實驗探究鐵及其化合物的氧化性或還原性

[閱讀]方法引導——預測某物質具有氧化性，尋找具有還原性（或氧化性）的另一物質，通過實驗證實兩者能發生氧化還原反應。小組討論如何探究物質的氧化性或還原性？

氧化還原認知模型

設計意圖：從探究元素化合價的變化情況探析，分析得出氧化還原的本質和規律，鞏固氧化還原的認知模型。建立氧化還原概念，發展宏觀微觀辨析的素養。

實驗探究1：探究氯化鐵的氧化性

氧化還原認知模型1：氧化性（氧化劑）+ ？還原性（還原劑）

有現象，則證明

預測某物質具有氧化性，加入具有還原性的物質，才能發生氧化還原反應，且預期要有明顯的實驗現象，證實兩者能發生氧化還原反應，才能證明這個物質具有氧化性。

學生活動：學生小組合作設計實驗方案，討論優化實驗方案，動手實驗，得出結論。

實驗探究2：探究氯化亞鐵的還原性

氧化還原認知模型2：還原性（還原劑）+？氧化性（氧化劑）

有現象，則證明

預測某物質具有還原性（做還原劑），加入具有氧化性的物質（做氧化劑），才能發生氧化還原反應，且預期要有明顯的實驗現象，證實兩者能發生氧化還原反應。才能證明這個物質具有還原性。

學生活動：學生小組合作設計實驗方案，討論優化實驗方案，動手實驗，得出結論。

設計方案應從原料的來源的難易、價格高低、環保、實驗操作、實驗現象等多種角度思考得出最優方案，最后教師進行引導小結。

設計意圖：化學是一門實驗的科學，在教學中突出學生為主體，教師為主導，學生通過自行設計實驗方案、優化方案、合作探究、分析現象、得出結論。從而增加學生的情感體驗，調動學生學習化學的興趣。

教學環節五：構建體系，提升思維，遷移應用——針對實驗結果，引導學生總結價類二維圖，利用模型運用后面的教學

遷移應用——氯化鐵制作印刷電路板。

先在塑料板上鍍一層銅，在設計好的銅線路上涂上一層石蠟，把板浸到氯化鐵溶液中，沒有被石蠟覆蓋住的銅就被反應掉。試著寫出有關的化學方程式？

設計意圖：引導學生構建完整的知識體系，總結氧化還原的知識與變價元素性質的思路方法，利用價類二維圖為分析工具，將物質間的性質與轉化巧妙聯系，形成系統的認知模型。并能基于認知模型，對探究其他物質性質提出合理可行的借鑒。

教學環節六：學以致用——生活中的化學

補鐵劑的主要成分是乳酸亞鐵片，為何還要加入維生素C？

設計意圖：前后呼應，通過補鐵劑、Vc的學習，引導學生再次體會化學在生活中的價值，培養學生的科學態度和社會責任感。化學已滲入每個人的日常生活，在改善人類的生活方面是一門實用和創造性的科學。性質決定用途，只有熟知物質的性質，才能把他更好地用于我們的生活。

三、教學反思和結束語

從微觀角度認知氧化還原反應的本質，構建氧化還原反應的認知模型。結合元素的價類二維圖和實驗探究教學，提高了學生分析問題，解決問題的能力，培養學生的創新思維和科學探究能力，充分體現了以素養為本的教學理念。

學生通過模型認知，學生能夠運用價類二維模型陌生物質進行有效的推理，提升學習化學學科的方法。在教學過程中把實驗放在核心的位置，學生設計實驗方案、交流討論、完成實驗、得出結論，通過思考問題、解決問題，突出學生的主體地位，使得課堂不再單調與枯燥，同時增強了同學之間的交流與合作能力。

核心素養時代，要求化學教師要不斷地進行知識的學習，提高自身的專業素養，拓展知識面，提高課堂的應變能力，更好的駕馭課堂，這樣才能更好地培養學生的創造力，提升學生的核心素養。

參考文獻

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