以實驗為基礎的分層建構元素化合物轉化關系的研究

陳志剛 李毅 常曉燕

摘 要：化學是在原子、分子層次上研究物質。元素化合物轉化關系是高中化學學習的重要內容。從認識規律出發，分層建構元素化合物轉化關系有利于學生的化學學科素養的發展。實驗在分層建構元素化合物轉化關系過程中發揮重要作用。本研究以鈉元素化合物為例，開展以實驗為基礎的分層建構元素化合物轉化關系研究。

關鍵詞：元素化合物;實驗;轉化關系;分層建構

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化。實驗是認識元素化合物轉化的極為重要的方法。實踐中，中學化學實驗教學效果不理想主要表現為：其一，實驗教學完成率低。很多學生實驗變成演示實驗，演示實驗變成講實驗或者放視頻;實驗教學相對較復雜，拓展實驗少。其二，實驗教學學生參與度低。學生分組實驗少;能實施的實驗，照方抓藥的情況多。實驗未能激發學生深度參與。其三，實驗教學創新度低，實驗間缺乏聯系，碎片化的實驗沒能有效指向學生知識的整體建構。

經過大量的研究并結合實踐，我們將實驗融會貫穿到整體化學教學，形成了“實驗——理論——實驗”范式，并形成一系列實驗策略，使化學實驗教學價值較好顯現出來，得到了區域同行的認可。本研究以高中鈉元素化合物轉化關系建構為例進行說明。

一、 初中元素化合物轉化關系認知基礎分析

進入高中前，學生的認知基礎來自生活和初中化學學習。具體來看，學生對元素化合物的認知是依托個別案例進行關聯學習。學生生活經驗中的鈉元素化合物主要是氯化鈉。氯化鈉是生活必需品食鹽的主要成分。氯化鈉在生活中應用廣泛，氯化鈉是學生認知鈉元素化合物的天然錨點。

初中含鈉元素物質主要有氫氧化鈉和氯化鈉。（1）氫氧化鈉是實驗室常用強堿。學生通常使用氫氧化鈉溶液。這與生活中使用氯化鈉固體不同。固體氯化鈉可分類為純凈物，而常使用的氫氧化鈉溶液則是混合物。研究認為：展示氫氧化鈉固體，配制和展示氫氧化鈉溶液十分必要。這有利于學生結合情境理解“NaOH”表示的物質是什么。常用實驗情境下，教師學生使用的是氫氧化鈉溶液，因此學生對于“NaOH”符號通常理解為氫氧化鈉溶液;而脫離情境，“NaOH”通常表示的是純凈物固體。（2）粗鹽提純是初中的重要實驗。將粗鹽固相混合物溶于水形成液相粗鹽水混合物，再通過過濾、蒸發的方法進行簡單提純。這個實驗可以更好地將學習和生活關聯。

從轉化關系看，需要掌握氫氧化鈉這種最常見的堿與鹽酸中和生成氯化鈉和水，這個轉化可以通過不同的實驗形式進行。氫氧化鈉與二元弱酸碳酸（或二氧化碳）反應生成碳酸鈉的酸堿反應要求層次高一些。碳酸鈉與氫氧化鈣生成氫氧化鈉的沉淀反應相對更難一些。從一元到二元，從酸堿反應到沉淀反應再到復分解反應歸類，學生認知的范圍在拓展，認知的方法在增多，認知的能力在提升，學生從簡單中和實驗學習歸納認知了酸堿中和反應并進行了遷移。總結來看，初中鈉元素化合物雖然量少，但其學習方式較全面地體現了化學學習特點。

二、 高中元素化合物認知建構分析

高中認知元素化合物除了生活外，要依托實驗室實驗、部分工業生產以及思維工具進行，其中實驗極為重要?？傮w來看，學生對元素化合物的認知具有指向系統區域建構、深度關聯思維拓展、整體輸出指向應用等特點。

（一）指向系統，區域建構

高中化學學習具有明顯的系統指向。從分類出發，通過典型代表物進行區域建構，最終具備一定程度系統性。在必修階段，學生常見的含鈉元素物質并不多，包括鈉、氧化鈉、過氧化鈉、氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氯化鈉等。但所涉及的分類全面：單質、氧化物、過氧化物、堿、鹽。

指向系統，通過區域教學建構，符合認識規律。根據學生的認識基礎，高中教材（人民教育出版社2019年版，下同）結構排布是先單質，再氧化物、過氧化物、最后是鹽，堿類物質氫氧化鈉作為已學內容直接應用。

（二）依托實驗，區域建構

化學是以實驗為基礎的自然科學。依托實驗，建構物質關聯，能夠充分調動學生的學習自主性，符合認識規律。實驗教學能較好促進宏觀辨識和微觀探析化學學科素養養成。基于含鈉元素物質實驗教學建構物質轉化關系簡要分析如下。

1. 鈉單質實驗建構轉化關系

鈉的切割實驗通過光澤由亮變暗，建構鈉與氧化鈉的轉化關系。鈉的加熱燃燒生成過氧化鈉。鈉與水反應生成氫氧化鈉。從實驗策略看，以上實驗成組設計，連續開展效果較好。鈉的實驗存在風險，實踐中，教師先將鈉預先切成安全小塊，再由學生現場取用進行分切，并完成鈉的燃燒及鈉與水的實驗。此項實驗策略不僅確保了安全，而且效率高，效果好。鈉與氯氣加熱燃燒生成氯化鈉，這項實驗是在氯氣以及離子鍵形成部分按需要逐層開展的，可以作內容模塊系統關聯使用。

2. 過氧化鈉實驗建構轉化關系

過氧化鈉與水反應實驗內容豐富，從宏觀現象上容易辨識生成氫氧化鈉和氧氣。通過機理分析可以建立與過氧化氫的關聯。過氧化鈉與二氧化反應，和過氧化鈉與水反應相似，機理較為復雜，同樣可以開展探究分析，關聯生成碳酸鈉。從實驗策略看，過氧化鈉的供氧實驗可通過滴水燃燒和吹氣燃燒的強表現實驗進行隨堂演示開展，激發學生的學習興趣，實踐證明了此策略的有效性。

3. 碳酸鹽實驗建構轉化關系

從物質轉化看，水溶液呈堿性的正鹽碳酸鈉到水溶液呈堿性的酸式鹽碳酸氫鈉到碳酸（二氧化碳）的相互轉化具有酸堿反應的模型特征。碳酸氫鈉遇酸或受熱生成二氧化碳用于滅火、發泡、膨松劑等，策略上可以依托開展小的實踐實驗進行。碳酸鹽實驗承載了離子反應本質、酸堿反應本質、反應速率、反應溫度條件、反應量控制等多個化學關鍵知識教學。

（三）依托工業生產和思維拓展建構

1. 氯化鈉工業生建構轉化關系

電解熔融氯化鈉可以制取單質鈉。電解飽和氯化鈉溶液制取氫氧化鈉。純堿工業用飽和氯化鈉制取碳酸氫鈉，再受熱分解制取碳酸鈉。必修教材中通過研究與實踐和課后練習體現。策略上，電解氯化鈉可以嘗試提前演示開展，這個實驗還可以強化電解質概念學習。