基于學科理解的高中化學“配合物”的教學探討*

富 丹

（中山市第一中學 廣東 中山 528403）

一、問題的提出

1.教學應然

“配合物”是化學學科的重要概念之一，在新課標（2020年修訂版）中“配合物和配位鍵”在內(nèi)容要求、學業(yè)要求、質(zhì)量水平描述和教學建議、實驗活動等方面有明確說明或規(guī)定，詞頻共計10次。且在2019年人教版新教材《普通高中教科書 化學 選擇性必修2》第三章第四節(jié)“配合物與超分子”第95-104 頁合計占近6 個頁面，多處呈現(xiàn)為小專題或習題組的形式，并設(shè)計了4個實驗活動進行了豐富的說明和深入探究。近年來的高考卷中有關(guān)“配合物和配位鍵”的判斷、辨析、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)特征也時有涉及；而高中學生化學競賽中有關(guān)配合物的教學和考查，更是作為一個重要的專題內(nèi)容來研究與命題。由此可見“配合物”的教學在中學化學整個教學過程中本應具有舉足輕重的地位。

2.教學實然與目標

但在實際教學中發(fā)現(xiàn)：對于此重要內(nèi)容的處理，高中一線教師大多數(shù)采取了以下幾種典型的應對措施或手段：第一，整個“配合物”主題往往只用1個教學課時完成；第二，相關(guān)重要的探究實驗采用播放視頻甚至只是口述實驗形式，更無開展學生實驗活動；第三，對配合物教學的整體設(shè)計側(cè)重于讓學生了解和識記相關(guān)概念和實驗現(xiàn)象；第四，在教學評價方面很少涉及甚至回避有關(guān)“配合物和配位鍵”的學科理解性問題和測評試題。其教學成效不足主要有兩點：一是學生對相關(guān)概念一知半解甚至一頭霧水；二是不清楚教材為何穿插安排這一關(guān)鍵的教學內(nèi)容，無法與前后所學習的內(nèi)容或章節(jié)建立聯(lián)系。這些教學實際與新教材相關(guān)內(nèi)容的編排布局、新課標的有關(guān)要求和中學、大學相關(guān)內(nèi)容的教學銜接的需要明顯不符，如何有效地落實新課標的有關(guān)教學內(nèi)容和學業(yè)水平及其質(zhì)量要求，使學生能在實驗探究的基礎(chǔ)上，更好地理解“配合物和配位鍵”的相關(guān)概念，并能從“微粒間的作用力”和“物質(zhì)的多樣性”等上位的大概念上找準關(guān)聯(lián)、融會貫通和遷移應用是當前教學的努力方向。

二、有關(guān)“配合物”教學的相關(guān)研究

在中國知網(wǎng)以“配合物、高中化學、核心素養(yǎng)”等為關(guān)鍵詞進行檢索，共搜到有參考價值的相關(guān)文獻28篇，其中以配合物為中心關(guān)鍵詞的不同的組合的分布情況如圖1所示。經(jīng)過對其探討的主題和內(nèi)容特點分類整合，可歸為下述四大類：素養(yǎng)導向下配合物的教學研討、配合物的形成與應用的實驗探究、計算機軟件輔助配合物教學、配合物相關(guān)概念模型的構(gòu)建。

圖1 當前高中化學配合物教學的相關(guān)研究文獻中熱點關(guān)鍵詞分布

圖2 CASES-T模型概念教學要素

2.1 素養(yǎng)導向下配合物的教學研討

如文獻［1-9］針對2017版新課標頒布實行和實施素質(zhì)教育以來，就2009版化學教材中有關(guān)配合物的教學過程中“如何有效落實化學學科核心素養(yǎng)”的主要問題，以不同素養(yǎng)發(fā)展指標為重要教學目標進行教學設(shè)計和實踐，并展開了不同方式、不同程度的探討與研究。研討中比較有代表性的是諶冰潔在文獻1 中指出：當前高中階段有關(guān)“配合物”教學中存在的教、學、考等環(huán)節(jié)及測評中的主要問題，通過對“應用雜化軌道理論來解決配合物中心原子的空軌道問題、嘗試判斷配位原子、用平衡思想去理解配合物的內(nèi)界組成”等3個核心問題的解決，闡述了如何在化學學科核心素養(yǎng)的指導下，引導學生更好地進行“配合物”相關(guān)知識的學習；并在該文中提出如下教學建議：教師在處理配合物的內(nèi)容時要盡量避免孤立地看待相關(guān)知識點，且要采用學生已有的知識基礎(chǔ)去呈現(xiàn)新知，體現(xiàn)出“螺旋式”的教學方法。在具體實施過程中以NH4+、H3O+、Fe（SCN）3、Na3AlF6（冰晶石）等這些物質(zhì)為切入點，以學生熟悉的微粒中的成鍵情況來認識配位鍵和配合物，從而減輕學生在初次面對新知時可能出現(xiàn)的畏難情緒和心理焦慮，同時通過串聯(lián)好舊知與新知之間的關(guān)系來構(gòu)建和完善知識體系，讓學生認識到“溫故而知新”在認清事物表象和本質(zhì)上帶來的便利。

而惠海濤、倪霞等學者則在文獻［4-8］中指出：在實驗探究基礎(chǔ)上，可通過初識配合物的基本結(jié)構(gòu)進一步發(fā)展宏觀辨識與微觀探析的核心素養(yǎng)；在深化配合物的成鍵特征活動中提升證據(jù)推理和模型認知能力；在感受配合物的變化中體會科學探究和創(chuàng)新意識的意義；在欣賞配合物的應用中領(lǐng)悟真實情境問題的解決之道。并且基于對學生批判性思維和實驗探究科學品質(zhì)培養(yǎng)的目標，通過設(shè)計不同的教學環(huán)節(jié)和活動來提高學生在提出假設(shè)、搜集證據(jù)、證實結(jié)論、建立模型、解決問題等不同維度的能力。

2.2 配合物的形成與應用的實驗探究

如文獻［10-14］則通過設(shè)計或改編不同的實驗體例，從宏觀現(xiàn)象、微粒變化、數(shù)據(jù)特征等視角促進學生對配合物與配位鍵的抽象概念與形成過程的理解。其中赫娜在文獻13中通過將課本中的實驗肢解為更加精準的多個平行的定量化實驗，得出了形成和溶解“銅氨配合物”時，為取得最佳實驗效果時對應的試劑的用量與濃度，有效地增強了所學知識的趣味性和科學性，并且有助于教師更好地認識所授知識，也能幫助學生更好地學習相關(guān)概念，在探究實驗中培養(yǎng)學生細致入微的觀察能力和嚴謹務(wù)實的科學態(tài)度。

2.3 計算機軟件輔助配合物教學

文獻［15-17］中分別提到了當前主流的化學結(jié)構(gòu)作圖和顯示軟件，從而在不同層面、不同側(cè)重點上讓物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)可視化，使抽象的概念更加直觀化。如應用Diamond 軟件來輔助配位化學課程教學，可以幫助學生更便捷地學習和理解相關(guān)的基本概念、配位模式、空間構(gòu)型、化學鍵理論、鍵長和鍵角等相對枯燥抽象的理論知識。不僅有助于教師使教學過程形象化、直觀化，還能擴寬學生的視野，激發(fā)學生學習配位化學的興趣，培養(yǎng)他們學習化學的積極性，提高了學生的空間想象能力和深層次的思維水平，而且為他們將來從事科研工作奠定了素養(yǎng)基礎(chǔ)。又如運用功能豐富、操作方便簡捷的Mercury軟件輔助教學，向?qū)W生現(xiàn)場演示其配位環(huán)境、氫鍵作用、鍵長、鍵角、二面角及粉末衍射等信息，其教學過程操作簡單，內(nèi)容逐步深入，把傳統(tǒng)教學中多個孤立的知識點生動活潑地串聯(lián)起來，并能與相關(guān)教育科研成果相結(jié)合，使有關(guān)內(nèi)容中抽象的結(jié)構(gòu)更為形象化、直觀化，增強教學活動的生動性，提升學生的理解水平。

2.4 配合物相關(guān)概念模型的構(gòu)建

而文獻［18-28］中通過聚焦不同的核心問題，在不同的主流理論基礎(chǔ)上，提出了構(gòu)建配合物相關(guān)概念的模型的詳盡步驟、實踐過程和施教效果，劍指學科理解的本質(zhì)要害。其中極具代表性的有文獻18報道的基于CASES-T 模型的概念建構(gòu)，該模型通過對教學內(nèi)容、活動、策略、情境以及評價等進行合理的設(shè)計整合，所設(shè)計出的課堂可以有效達成“素養(yǎng)為本”的教學目標。問題是如何在實際課堂教學中解決“基于CASES-T 模型來整合好教學內(nèi)容、教學活動、教學情境、教學評價和教學策略最終為教學目標服務(wù)”這一核心問題呢？筆者認為應該在教學一線不斷嘗試，通過教學實踐活動豐富和發(fā)展CASES-T 模型的內(nèi)涵。如以“配合物的形成與應用”這一課例的課堂教學設(shè)計為例，闡述基于CASES-T模型構(gòu)建以“素養(yǎng)為本”的有效課堂的最佳實踐路徑，同時設(shè)置了層層遞進式的問題將教學任務(wù)問題化，在任務(wù)推進中引導學生思維逐步向前發(fā)展，再強調(diào)此類配位鍵正是配合物與其他物質(zhì)最本質(zhì)的區(qū)別，最后使配位化合物的概念呼之欲出。具體設(shè)計時將教學內(nèi)容進行任務(wù)分解與任務(wù)協(xié)同，按照“配合物”相關(guān)知識獲得的邏輯順序，將教學內(nèi)容“分解”成“配合物的制備實驗探究與分析、配合物形成的理論分析、配合物的概念界定與組成分析、配合物的性質(zhì)探討、配合物結(jié)構(gòu)的異構(gòu)分析”等五個思維關(guān)聯(lián)的教學任務(wù)，這五個教學任務(wù)層層遞進，層次分明，任務(wù)的逐一分析和解決過程也是整個教學目標達成的過程。通過對教學案例的總結(jié)得出如下結(jié)論：基于CASES-T模型可使“教學目標素養(yǎng)化、教學情境真實化、教學內(nèi)容任務(wù)化、教學活動多樣化、教學評價適時化、教學策略智慧化”，成就發(fā)展學生素養(yǎng)的化學課堂。

又如李綺琳等在文獻19中報道：從“配合物”概念教學中值得探討的疑難問題出發(fā)，以認知-建構(gòu)主義學習理論為理論基礎(chǔ)，以手持數(shù)字化技術(shù)為技術(shù)支持，構(gòu)建了如圖3所示的TQVC概念認知模型，通過精心設(shè)計的手持技術(shù)實驗，以pH 和電導率為重要測量參數(shù)，用相應傳感器對“銅氨配合物”的形成與破壞兩個過程進行了深入探究。并根據(jù)四重表征模型，從宏觀、微觀、符號、曲線4個視角對反應過程進行了詳盡而極具說服力的分析和深入討論，從而揭示了配位和解離反應的本質(zhì)，論證了基于TQVC 概念認知模型設(shè)計促進學生對“配合物”概念學習的手持技術(shù)數(shù)字化實驗的科學有效性，幫助學生實現(xiàn)了對“配合物”概念的多維度的有效建構(gòu)。

圖3 配合物的TQVC概念認知模型

三、研究啟示與問題解決的設(shè)想

3.1 已有研究的啟示

從暫時搜到的相關(guān)有參考價值的文獻的數(shù)量來看，遠遠低于以“化學鍵+高中化學”為“篇關(guān)摘”進行搜索時的文獻數(shù)量（共162篇），表明當前高中教學關(guān)于“配合物”主題的相關(guān)研究范圍還不夠廣泛，筆者認為這與新課標頒布和新教材使用的時間還不長有關(guān)。同時發(fā)現(xiàn)以“配合物+高中化學、配合物+核心素養(yǎng)、配合物+概念教學”等組合為關(guān)鍵詞搜索的文獻中重合率較高，表明當前高中教學對“配合物”主題的相關(guān)研究過于集中、視角較窄；筆者認為這與當前大多一線教師對“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這本選修教材開設(shè)和探討不充分，對配合物的教學實施過程淺嘗輒止的現(xiàn)狀聯(lián)系密切。但讓人欣慰的是這28篇中近20篇集中探討了“配合物”相關(guān)學科素養(yǎng)發(fā)展、概念模型的構(gòu)建與實施過程，這些研究深入探討了所選體例或模型的理論基礎(chǔ)、模型原理或?qū)嶒炋骄康膭?chuàng)新點，對高中學生學習“配合物和配位鍵”這一主題的思維水平的發(fā)展有很好的啟迪作用，同時也為一線高中化學教師及大專院校師范生進行“配合物”概念教學提供了樣本，有很好的參考或借鑒價值。

3.2 問題解決的設(shè)想

為了使有關(guān)“證據(jù)推理和模型認知”“變化觀念和平衡思想”“宏觀辨識與微觀探析”等化學學科核心素養(yǎng)在“配合物”的概念教學中進一步落地與發(fā)展，筆者認為概念教學應該以促進學生的認知和理解水平為基點，并必備如下四個要素：1.教學設(shè)計中有清晰的目標導向；2. 需要有科學的實驗和規(guī)范的符號等豐富的證據(jù)和視角；3. 需要現(xiàn)代化的信息技術(shù)手段作支撐；4. 鋪墊好必要的問題臺階和腳手架，幫助學生突出建構(gòu)過程和思維方法的提升。進一步考查對上述這些文獻所整合的四個類別，它們之間的對應關(guān)系可簡化為如下表1所示，從而形成對相關(guān)概念的“四位（4個必備要素）一體（1個基點）”的整體認知。

表1 概念教學必備要素與文獻類別對應關(guān)系表

同時，對“配合物和配位鍵”概念的深度學習和理解，有助于幫助學生構(gòu)建或生成上位的學科大概念——物質(zhì)的多樣性和微粒間的作用力，而與此相關(guān)的宏觀與微觀視角學科大概念分析整理如表2所示。

表2 不同視角下與配合物相關(guān)的學科概念

從宏觀上認識到配位化合物與離子化合物和共價化合物有一定關(guān)聯(lián)但又有差別，與無機化合物及有機化合物存在交集但側(cè)重點又不一樣，體現(xiàn)了物質(zhì)特別是化合物的多樣性特點；而從微觀層面來看，配合物中除“必含配位鍵”這類特殊的共價鍵外，還可能含有離子鍵、金屬鍵等化學鍵，以及氫鍵和范德華力等分子間的作用力，體現(xiàn)出構(gòu)成物質(zhì)的微粒的多樣性及它們之間作用力的復雜性。從而更好地促進師生形成結(jié)構(gòu)觀、微粒觀、變化觀和平衡觀等化學學科觀念，其基本模型及相互關(guān)聯(lián)如圖4所示。

圖4 化學學科觀念形成的高中化學概念教學模型

通過理順它們的邏輯關(guān)系，鼓勵學生聯(lián)想初中化學學習以來的關(guān)于物質(zhì)類別與微觀結(jié)構(gòu)、屬性和用途等所學習的內(nèi)容的前后聯(lián)系和因果關(guān)系，畫出思維導圖或概念地圖，從而把握相關(guān)概念的本質(zhì)與特征，提升融會貫通和遷移應用的學科理解能力。