學習化學有進階，設計作業要分層

◎ 海南省海南中學 羅書昌

所謂學習進階理論，“進”就是學生認知水平和思維能力螺旋提升的進展，“階”就是把學生學習某些重要必備知識的起點和終點依據某些標志性的要求劃分成各個階層，既要注重必備知識的整體性系統性，又要必備知識在不同學習階段的層次性。學習進階理論對教材研究和作業設計都有一定的指導作用。

一、教材研究

教材是培養學生核心素養的載體。運用學習進階理論對教材中重要的必備知識進行整體系統地研究，將教材劃分為初中化學、高中化學必修、高中化學選擇性必修和高中化學強基計劃等四個階段，每個階段都有相應的目標和要求，進行針對性教學，有利于提高教學質量。以下選取物質結構、守恒觀念和有機化學進行舉例闡述。

宏觀辨識和微觀探析是中學化學最基礎最重要的核心素養，結構決定性質是貫穿化學的核心觀念，教學中要遵循螺旋上升循序漸進原則。初中階段，初步了解分子、原子和元素的概念，原子的結構及其核外電子排布簡單規律（了解1—20號元素原子結構示意圖）、化合價、元素周期表的周期和族等。高中化學必修階段，熟練掌握原子的結構及其核外電子排布規律，元素周期表的構造以及與核外電子排布的關系，元素周期律以及與核外電子排布的關系等，化學鍵以及與化學反應能量變化的關系等。高中化學選擇性必修階段，從能層、能級、原子軌道等多角度理解原子核外電子運動狀態及其核外電子排布規律；豐富元素周期表的知識（周期、族、區）以及與核外電子排布的關系；深度認識原子半徑、電離能、電負性等元素性質的意義及其周期性變化規律；深入了解共價鍵的形成、類別和特點，并能從鍵的極性角度認識有機物的性質及其反應機理；以微粒間的作用力為線索認識分子的結構與性質，認識晶體的結構、類型與性質。高中化學強基計劃階段，熟練運用主量子數、角量子數、磁量子數、自旋方向等四個量子數描述原子核外電子運動狀態并能解釋相關規律；能夠準確判斷復雜分子中某些原子的雜化方式及其一些鍵角的相對大小；能從微粒堆積方式的角度認識晶體結構的對稱性和周期性，理解四面體空隙、八面體空隙、立方體空隙等，利用空間想象能力確定微粒的三維原子坐標、以及計算鍵長、鍵角、配位數、晶體密度和空間利用率等復雜問題。

養成守恒觀念也要遵循螺旋上升循序漸進過程。初中階段，初步認知質量守恒定律，宏觀上了解參加反應的反應物總質量等于生成物總質量；知道溶液稀釋過程中溶質的質量保持不變；原子呈電中性即原子核（質子）所帶正電荷總數等于核外電子所帶負電荷總數；分子呈電中性即分子中所有元素的化合價的代數和等于零。高中化學必修階段，熟練掌握質量守恒定律，微觀認知化學變化前后原子種類和個數保持不變是質量守恒定律的原因；理解電子守恒，氧化還原反應中氧化劑的電子總數等于還原劑失電子總數或化合價升高總數等于化合價降低總數；理清電荷守恒，離子反應中等號兩側離子所帶電荷數相等，溶液呈電中性即陽離子所帶正電荷總數等于陰離子所帶負電荷總數；感知能量守恒：在化學反應過程中總能量的變化量與斷鍵吸收的能量成鍵釋放的能量的加和性近似相等；運用溶液稀釋過程中溶質的物質的量保持不變進行簡單計算。高中化學選擇性必修階段，運用能量守恒在化學反應過程中總能量的變化量與斷鍵吸收的能量成鍵釋放的能量的加和性近似相等進行簡單計算，判斷反應方向；理清物料守恒，某組成元素電離水解等物質轉化中其種類和數目保持不變，以及組成元素間存在的定量關系保持不變；掌握電荷守恒，電解質溶液陰離子所帶負電荷總數等于陽離子所帶正電荷總數。高中化學強基計劃階段，熟練運用能量守恒，計算吉布斯自由能并判斷反應的方向和程度；綜合物料守恒、電荷守恒和質子守恒規律，能解決有關分布系數等復雜問題。

學習有機化學也是有進階的。初中階段，初步知道有機物的概念和組成元素；初步了解與生活密切相關的甲烷、乙醇等有機物的組成元素、化學式，蛋白質、糖類、油脂、維生素等基本有機營養成分的組成元素、化學式和營養功能；認知塑料、合成纖維、合成橡膠等高分子材料對日常生活、現代工業、國防科技等的貢獻，同時由于過量不當地使用造成白色污染危害。高中化學必修階段，知道有機分子的空間結構、碳原子的成鍵特點和常見官能團，認識甲烷、乙烯、乙醇、乙酸等典型有機物的性質，知道常見的氧化還原、加成取代、加聚縮聚等有機反應類型，結合實例感悟有機高分子、糖類、油脂、蛋白質等有機物的重要應用價值。高中化學選擇性必修階段，通過深入學習有機物的組成與結構，烴及其衍生物、生物大分子、有機高分子的結構、性質和應用，建立“組成、結構決定性質”的基本觀念；形成基于官能團、化學鍵、共價鍵的極性與反應類型認識有機物思維模型；設計科學綠色的重要有機物的合成路線，培養化學學科核心素養。高中化學強基計劃階段，運用共軛效應和誘導效應等電子效應理論理解有機物的結構和有機反應機理，能設計出重要有機物的復雜科學綠色的合成路線，解決復雜的有機問題。

二、作業設計

在教材研究的基礎上，設計出分層的適合學生需求的典型作業，有利于提質減負。以下提供教師設計的兩道作業和學生設計的兩道作業進行舉例說明。

作業1：金屬活動性順序表在中學化學中應用較為廣泛，請結合金屬活動性順序表回答下列問題。

（1）實驗室用鋅與稀硫酸制取氫氣，請寫出對應的化學方程式______；（2）晉葛洪《抱樸子內篇·黃白》中記載“以曾青(CuSO4溶液)涂鐵，鐵赤色如銅”，請寫出所涉及化學方程式______；（3）寫出金屬銅與稀硝酸反應的離子方程式______；（4）寫出硝酸銅受熱分解的化學方程式______；（5）寫出工業上冶煉金屬鋁的化學方程式______；（6）設計一個實驗，使銅和稀硫酸溶液能發生化學反應______；（7）寫出金屬活動性順序表中位于第三周期的元素符號______；（8）寫出金屬活動性順序表中最外層只有一個電子的元素有______種；（9）解釋王水能夠溶解金的原因______；（10）金屬鋰若放在金屬活動性順序表中，你認為放在什么位置比較合理，并說明理由______。

【參考答案】

（1）Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑（初中階段）；（2）Fe+CuSO4=FeSO4+Cu（初中階段）；（3）3Cu+2NO3-+8H+=3Cu2++2NO↑+4H2O（高中化學必修階段）；(4)2Cu（NO3）2CuO+4NO2↑+O2↑（高中化學必修階段）。依據金屬活動順序表掌握硝酸鹽受熱分解規律：鉀鈣鈉的硝酸鹽受熱分解生成亞硝酸鹽；金屬活動順序表中從Mg到Cu對應的鹽受熱時生成金屬氧化物、NO2和O2；金屬活動順序表中Cu以后的金屬對應的鹽受熱時生成金屬單質、NO2和O2。（5）2AL2O34 AL+3O2↑（高中化學必修階段）。依據金屬活動順序表掌握金屬冶煉的規律：鉀鈣鈉鎂、鋁因其金屬還原強常采用電解法制備；金屬活動順序表中從Zn到Cu常采用熱還原法制備；金屬活動順序表中Ag以后的金屬常采用熱分解法制備；（6）方案1：加熱蒸發稀硫酸，增大硫酸濃度，使稀硫酸變為濃硫酸，銅與濃硫酸反應生成硫酸銅和二氧化硫（高中化學必修階段）方案2：設計成電解池，銅作陽極，稀硫酸作電解質溶液，總反應為：銅與稀硫酸反應生成硫酸銅和氫氣（高中化學選擇性必修階段）；（7）Na、Mg、Al（高中化學必修階段）；（8）7（K、Na、H、Cu、Ag、Pt、Au）（高中化學選擇性必修階段）；（9）Au+4HCl+HNO3=H[AuCL4]+NO+2H2O，金不溶于濃硝酸，金能溶于王水，王水是濃硝酸和濃鹽酸按照體積為1：3混合的。由于氯離子的配位作用，形成[AuCL4]-，降低了金的電極電勢，增強金的還原能力；同時增大氫離子濃度，增強濃硝酸的氧化性。（高中化學強基計劃階段）；(10)依據E-(Li+/Li)=-3.04VE-(K+/K)=-2.93V,金屬鋰應排在金屬活動性順序表的首位，鉀的前面。依據元素周期表可知金屬性：K＞Na＞Li，根據斜對角線相似性，鋰的金屬性與鎂相似，但依據電極電勢可知在金屬活動性順序表鋰的金屬性強于鉀。因為金屬活動性順序主要依據金屬在水溶液中的標準電極電勢大小排列的，既考慮金屬單質金屬鍵的強弱和金屬原子失電子能力，又考慮金屬離子在水溶液中的水合焓，因為Li+的半徑比K+的半徑小得多，即Li+的離子勢比K+的離子勢大得多，水合焓對電極電勢的影響程度較為顯著造成的。（高中化學強基計劃階段）

作業2：碳酸氫鈉可用于治療胃酸、發酵焙制糕點、泡沫滅火劑等。回答下列有關碳酸氫鈉的問題：

（1）碳酸氫鈉俗名為__________；屬于哪類物質__________(填“酸”“堿”或“鹽”)；（2）碳酸氫鈉可用于治療胃酸，請寫出碳酸氫鈉與胃酸（鹽酸）反應離子方程式 ；（3）碳酸氫鈉與明礬混合產生大量的二氧化碳，可用于滅火劑，請寫出對應的離子方程式 ；（4）澄清石灰水中加入過量的碳酸氫鈉溶液，會變渾濁，請寫出對應的離子方程式 ；（5）碳酸氫鈉受熱易分解，已知：①2NaOH(s)+CO2(g)==Na2CO3(s)+H2O(g)ΔH1=-127.4 kJ·mol-1， ②NaOH(s)+CO2(g)==NaHCO3(s)ΔH1=-131.5 kJ·mol-1反 應2NaHCO3(s)==Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g)的ΔH= kJ·mol-1；（6）已知常溫下碳酸的兩級電極常數：H2CO3，Ka1=4.3×10-7，Ka2=5.6×10-11，在0.1mol/L碳酸氫鈉溶液中，①其質子守恒關系式為 ；②判斷該溶液中c(H+)與c(OH-)大小關系并通過計算說明理由 ；③判斷該溶液中c(CO32-)與c(OH-)大小關系并通過計算說明理由 ；（7）人體血液中的碳酸和碳酸氫鹽存在平衡：H++ HCO3-H2CO3，當有少量酸性或堿性物質進入血液中時，血液的pH變化不大。測得某人體血液的pH=7.40（100.4≈2.5），求該人體血液中的碳酸和碳酸氫根濃度之比為 ；（8）已知，H2CO3，Ka1=4.3×10-7，Ka2=5.6×10-11；H2CO3(aq)H2O(l)+CO2(g)，K(H2CO3)=600；Ksp(BaCO3)=2.6×10-9。請通過計算判斷0.1mol/L碳酸氫鈉溶液與0.1mol/L氯化鋇溶液混合是否有沉淀生成？ 。

【參考答案】

（1）小蘇打、鹽（初中階段）；（2）HCO3-+H+=CO2↑+H2O（高中化學必修階段）；(3)3HCO3-+ Al3+=3CO2↑+Al(OH)3↓（高中化學選擇性必修階段）；(4)Ca2++2HCO3-+2OH-=CaCO3↓+CO32-+2H2O（高中化學必修階段）；（5）+135.6（高中化學選擇性必修階段）；(6)c(CO32-)+c(OH-)=c(H2CO3)+c(H+)c(H+)＜c(OH-)Kh=Kw/Ka1=2.3×10-8＞Ka2水解大于電離c(CO32-)＞c(OH-)HCO3-+HCO3-H2CO3+CO32-K=Ka2/Ka1=1.3×10-4＞Kh=Kw/Ka1=2.3×10-8自耦電離大于水解電離（高中化學選擇性必修階段）。

作業3：化合物M（圖1）是一種從海南諾麗果中提取出的有機新物質，具有降血糖等功效。假設你是一位高考命題專家，以下面兩個有機合成路線為情景，模仿海南高考化學試題命制一道選擇題和一道有機綜合高考試題，并分享你的設計思路，考查其他小組，請對方給予評價。

圖1

學生命題Ⅰ：化合物M（圖1）是一種從海南諾麗果中提取出的有機新物質，具有降血糖的功效。下列說法錯誤的是（ ）

A.M的分子式為：C12H19O2

B.1mol M最多與4mol H2發生加成反應

C.M分子式中存在1個手性碳原子D.M分子中含有2種官能團

【參考答案】 A

A選項考查鍵線式與分子式的關聯，以及不飽和度（高中化學必修階段）；B選項考查官能團的定量反應，羰基、碳碳雙鍵與氫氣反應均為1：1（高中化學必修階段）；C選項考查碳原子的成鍵特點，手性碳原子的特點和判斷（高中化學選擇性必修階段）；D選項考查常見官能團的認知（高中化學選擇性必修階段）。

學生命題Ⅱ：

（1）有機物B的名稱是 ；A與足量H2反應的產物是 。（2）B的核磁共振氫譜有 組峰；（3）C→D的反應類型是 。（4）M中所含官能團名稱為： ；（5）有機物X的結構簡式： 。

【參考答案】

（1）3-氧代丁醛(CH3)2CHCH2CH(OH)CH3（高中化學必修階段）；（2）3（高中化學選擇性必修階段）；（3）羥醛縮合反應（高中化學選擇性必修階段）；（4）羰基、碳碳雙鍵（高中化學選擇性必修階段）；（5）(CH3)2CH=O（高中化學選擇性必修階段）。