淺析化學大概念的凝煉與建構

吳慶生

摘要：分析了化學大概念的教學意義，結合具體教學案例闡述了化學大概念的五種凝煉方式和三個凝煉原則，并指明了化學大概念的建構策略。

關鍵詞：化學大概念; 概念建構; 化學教學

文章編號：10056629（2021）11003704

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

《普通高中課程方案》（2017年版2020年修訂）指出，“進一步精選了學科內容，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引導，使課程內容情境化，促使學科核心素養的落實”。在化學教學過程中，根據知識內容的內在本質關聯，通過創設問題情境，凝煉出能夠統攝不同知識內容的大概念，以建構知識的結構化，藉以發展學生認識問題和分析問題的深度、廣度和高度，從而提升學生的核心素養。

1 大概念的教學意義

1.1 提升認識問題的深度和廣度

通過對化學教學內容的抽象概括凝煉出大概念，既要深度分析知識內容的本質涵義，又要與相關的知識內容進行橫向整合。化學大概念不僅能夠促進學生認識和理解問題的本質，還有助于擴展知識之間的橫向聯結。由于同一大概念統攝的不同教學內容，其本質相同，所以不同教學內容之間可以相互鋪墊和詮釋，這樣既能夠降低問題的難度，又同時豐富了大概念的內涵。

比如，向FeBr2溶液中滴加幾滴氯水，只發生Cl2+2Fe2+2Cl-+2Fe3+反應，為什么Fe2+優先于Br-反應呢？本質原因是Fe2+比Br-更容易失去電子。再結合原電池和電解池電極反應的放電順序，可以凝煉出“得失電子能力強的粒子優先反應”大概念，并據此把這些教學內容整合重組在一起。

1.2 有助于知識結構的重組與完善

化學大概念將瑣碎、零散的知識通過橫向聯結而形成知識網絡。以深刻和簡約為特征的大概念知識層級結構有助于學生將知識結構化，而知識結構化是發展學生核心素養的錨點和關鍵[1]。

化學教材內容的編排順序通常只能兼顧邏輯性和系統性，這樣有助于學生循序漸進地建構化學知識。教材的這種邏輯編排順序，會導致前后知識內在關聯的缺失，而化學大概念恰好能夠彌補教材編排順序的不足。化學大概念打破了模塊、章節和課時的界限，以知識的內在關聯為紐帶，將化學知識進行重組，以形成有機的結構化知識。大概念支線作為教材邏輯順序主線的補充和完善，兩者相互交織，相互補充，相得益彰。

1.3 提升應用遷移能力

化學大概念具有極其廣泛的遷移價值，不僅能夠遷移至學科內情境和學科間情境，以打通學科內和學科間的學習路徑;而且還能夠遷移至學校外新的情境，以打通學校教育與外部世界的路徑。學生綜合能力的提升有助于學生解決現實生活中的各種問題。

比如，“結構決定性質”大概念，不僅是化學學科常見的學科觀點，而且還是跨學科、超學科的大概念，具有一定的哲學意義。當學生領悟了“結構決定性質”的普適意義后，在面對現實生活中具體問題時，就會從問題的微觀結構進行分析和改進，從而去影響和改變宏觀表象。

2 化學大概念的凝煉方式

2.1 教學內容之間的定量關系

按照教學內容之間存在著的定量關系，采用與此皆有關系的表述作為大概念進行統攝。比如，用“物質的量”來統領阿伏伽德羅常數、摩爾質量、氣體摩爾體積和物質的量濃度等，見表1。

再比如，用“溶質不變”來統攝溶液稀釋問題，即溶質的質量不變和溶質的物質的量不變，分別得出m（濃）·w（濃）=m（稀）·w（稀）和c（濃）·V（濃）=c（稀）·V（稀）。

2.2 教學內容的因果關系

根據教學內容存在的因果關系，采用能夠反映相互關系的表述作為大概念。比如，采用“結構決定性質”大概念來統攝金剛石和石墨的物理性質、簡單粒子的性質以及有機物的性質等，見表2。

再比如，用“物質的性質受反應對象影響”來統攝中間價態物質的氧化還原性，H2O2、 SO2和Fe2+遇到強氧化劑如KMnO4表現出還原性，而遇到還原劑則表現為氧化性。

2.3 教學內容的分類關系

根據教學內容與大概念之間的分類關系，采用樹狀分類來統攝教學內容。比如，用“物質化學性質”作為元素化合物的大概念。“物質化學性質”大概念可分為類別通性、物質特性兩個次級大概念，類別通性包含金屬單質通性、非金屬單質通性、金屬氧化物通性、非金屬氧化物通性、酸的通性、堿的通性以及鹽的通性等基本概念。物質特性是指該物質具有不同于類別通性的化學性質，根據核心元素的價態是否變化，又分為價態特性和非價態特性。比如金屬單質、金屬氧化物一般不與堿（如NaOH）反應，而Al、 Al2O3卻能夠與NaOH反應，前者Al元素的價態發生了變化，屬于單質鋁的價態特性;后者Al元素的價態沒有發生變化，屬于氧化鋁的非價態特性，見表3。

再比如“氣體實驗室制法”大概念，“氣體的實驗室制法”又可分為反應原理、氣體發生器、除雜裝置、收集裝置和尾氣處理裝置等，并以此來統攝O2、 CO2、 Cl2、 CH2CH2和CHCH等氣體的實驗室制法。

2.4 教學內容的同源關系

當教學內容依托的原理本質同源時，可以用同源內容作為大概念。比如，用“得失電子能力強的粒子優先反應”大概念統領氧化劑與多種還原性粒子反應、原電池和電解池等，見表4。

再如，用“電子得失難易決定性質強弱”大概念統領物質的氧化性、物質的還原性、元素的性質、金屬冶煉、原電池和電解池等。

2.5 教學內容的原理（或規則）關系

對于化學程序性知識，首先要厘清程序性知識所遵循的原理，然后再按照一定的步驟和規則進行推進。既可以用程序性知識所遵循的原理作為大概念，也可以采用關鍵環節作為大概念。比如用“方程式遵循守恒原理”來統領方程式的書寫，而方程式守恒又分為原子守恒、電子轉移守恒（即化合價升降相等）和電荷守恒等，見表5。

又如，用“碳鏈異構、位置異構和官能團異構”大概念來統領烴及其衍生物同分異構體的書寫。

再如，用“先下后上、上下一致”大概念來統領方程式的計算、關系式的計算以及溶解度的計算等。

3 大概念的凝煉原則

教師的知識結構和專業素養不同，對化學知識認識和理解的層級也不同，當然對大概念的抽象和凝煉也會不同。雖然化學大概念的凝煉和表述可以有多種形式，但都要遵循一定的原則。

3.1 統攝性

化學大概念不是基礎概念，而是聚合概念。大概念就如同一個文件夾，提供了歸檔無限小概念的有序結構或合理框架[2]。引入化學大概念，是為了將分散的化學知識進行整合重組，以形成結構化、精煉化和上位化的知識，所以，大概念應該具有一定的統攝性。如果是超學科、跨學科的大概念，還要具有一定的哲學意義。

3.2 適宜性

化學大概念的構建，依賴于教師對化學知識本質內涵的把握，以及據此形成的對學生知識理解、思維發展和能力培養的期待及系統考慮[3]。教師只有根據個人對知識內涵的理解和橫向關聯來抽象出大概念，這樣在教學實踐中才能夠神形兼備、得心應手。如果只是簡單的“拿來主義”而不加以吸收內化，就會導致大概念和教學內容貌合神離、形似而神非。

抽象出來的大概念要適宜學生的思維能力，不能過高也不能過低，過低統領性不強，過高則會太過抽象。當然，如果采用抽象程度較高的大概念，可以借助于次級大概念來搭建臺階，以降低大概念的抽象程度。比如，采用“類別通性、物質特性”作為次級大概念，來降低“物質化學性質”大概念的抽象程度。

3.3 實用性

化學大概念是整合重組化學知識的工具，是粘合劑，是化學知識的凝煉和精華，同時也是分析問題和解決問題的工具，所以，凝煉出來的化學大概念應該體現其實用性。

比如，用“方程式遵循守恒原理”大概念書寫缺項型氧化還原反應離子方程式，采用“一推三恒”的書寫步驟，以“酸性KMnO4氧化H2O2”為例：

（1） 一推： 根據化合價升降原理推導出氧化產物與還原產物，

MnO-4+H2O2—Mn2++O2↑;

（2） 電子轉移守恒（即化合價升降相等）：

2MnO-4+5H2O2—2Mn2++5O2↑;

（3） 電荷守恒：

2MnO-4+5H2O2+6H+—2Mn2++5O2↑;

（4） 原子守恒：

2MnO-4+5H2O2+6H+2Mn2++5O2↑+8H2O。

4 大概念的建構策略

由于化學大概念統攝的教學內容分布在不同模塊、不同章節和不同課時，所以根據知識內容出現的階段不同，化學大概念建構的側重點也有所不同。

4.1 抽象與凝煉

對于初次涉及到大概念的教學內容，通過創設問題情境，借助于對問題的本質的抽象概括，然后凝煉出大概念，以建構對大概念的初步認知。

案例1 大概念的凝煉

[實驗]取5mL 0.1mol·L-1 FeBr2溶液于試管中，滴加氯水5～6滴，繼續加入2mL CCl4，充分振蕩，靜置后觀察現象。然后取上層溶液于另一支試管中，滴加KSCN溶液，振蕩，觀察現象。

[實驗現象]靜置后溶液分層，下層為無色;上層溶液滴入KSCN溶液后變紅。

[設問]該實驗說明了什么？

[回答]Fe2+被Cl2氧化，而Br-沒有被Cl2氧化。

[設問]Fe2+、 Br-都具有還原性，如何設計實驗方案比較Fe2+和Br-的還原性強弱？

[設計實驗]向盛有5mL FeCl2溶液的試管中滴加幾滴KSCN溶液，振蕩，無現象;然后再滴加幾滴溴水，振蕩，溶液變紅。

Br2+2Fe2+2Br-+2Fe3+

根據還原劑的還原性強于還原產物的還原性，得出還原性： Fe2+>Br-。

[追問]為什么Fe2+比Br-優先被Cl2氧化？

[分析]氧化劑Cl2要得到電子，而Fe2+和Br-都能夠失電子，由于Fe2+比Br-更容易失電子（還原性更強），故優先反應。

[抽象]失電子能力強的還原性粒子優先被氧化劑氧化。

[凝煉]結合得電子能力強的氧化性粒子優先被還原劑還原，可以概括凝煉出大概念： 得失電子能力強的粒子優先反應。

4.2 應用與演繹

當大概念涉及到的教學內容再次出現時，可以應用已經建構的大概念進行演繹。

案例2 大概念的演繹

[設問]金屬Zn和Fe比較，哪種失電子能力強？

[回答]Zn比Fe更容易失電子。

[設問]如果用導線把Zn片和Fe片連接在一起，置于稀H2SO4溶液中，何種金屬優先反應？為什么？

[回答]Zn片優先反應，因為“得失電子能力強的粒子優先反應”。

[追問]預期實驗會出現何種現象？反應前后Zn片和Fe片的質量如何變化？

[實驗預期]Zn片會產生氣泡，Fe片無現象;反應前后Zn片質量減少，Fe片質量不變。

[實驗驗證]首先分別稱量Zn片和Fe片的質量，然后用導線依次把Zn片、電源、電流計和Fe片連接起來，最后把Zn片和Fe片置于稀H2SO4溶液中，觀察現象。

電流計指針發生偏轉，Fe片產生氣泡，而Zn片沒氣泡。

反應一段時間后，將Zn片和Fe片洗凈、干燥、稱量，發現Zn片質量減輕，而Fe片質量不變。

[追問]Zn片質量減輕，而Fe片質量不變，說明了Zn比Fe優先反應。但既然Fe片沒有參與反應，那么Fe片上面的H2是怎樣產生的呢？Zn片反應失去的電子又去了哪里呢？

[分析]Zn片失去的電子移動到Fe片上，溶液中的H+在Fe片上獲得電子而產生H2。從電流計指針的偏轉方向可以判斷電子由Zn片流向Fe片。

[強化]金屬Zn比Fe失電子能力強，Zn片作為原電池的負極，而Fe片則作為原電池正極。

4.3 歸納與總結

當大概念統攝的知識內容多次出現后，就可以對這些知識內容進行歸納總結，既可以采用樹狀分類模式，也可以采用思維導圖模式。通過打通不同知識內容之間的本質聯結路徑，以形成對大概念所統攝知識內容的整體認知與內在聯系。

比如，原電池和電解池的放電順序，實質上是優先反應順序，即得失電子能力強的粒子優先反應。具體內在聯系總結如下：

金屬單質的還原性強弱順序： Na>Al>Zn>Fe>（H）>Cu>Ag;

金屬陽離子的氧化性強弱順序： Na+

原電池：

（1） 還原性強的金屬單質做負極;

（2） 陽離子在正極放電順序為： Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+。

非金屬單質的氧化性強弱順序： Cl2>Br2>I2>S;

非金屬陰離子的還原性強弱順序： Cl-

電解池：

（1） 金屬做陽極，優先于陰離子放電;

（2） 陽離子在陰極放電順序為： Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+;

（3） 陰離子在陽極放電順序為： S2->Br->Cl->OH-。

參考文獻：

[1][3]何彩霞. 化學學科核心素養導向的大概念單元教學探討[J]. 化學教學， 2019， （11）： 44～48.

[2]李剛， 呂立杰. 大概念課程設計： 指向學科核心素養落實的課程架構[J]. 教育發展研究， 2018， （15）： 35～42.