建构“元素守恒”模型化思维，发展学生的化学学科核心素养

文/ 广州市番禺区市桥桥城中学 彭敏儿

一、问题的提出

化学计算是从量的方面来加深对化学概念和原理的理解，进一步掌握物质的性质及其变化规律，有助于培养分析问题和解决问题以及运用化学知识进行有关量的计算能力。化学计算与知识和实验密切相关，是学生对化学知识自觉进行综合应用的一种能力。初中阶段的化学计算常常会遇到“多步反应”的问题，近四年广州中考化学试卷中，涉及化学变化“多步反应”计算。这类计算涉及一定的情境信息，大量元素化合物知识，纷繁复杂化学方程式，其重点是考查学生元素观即元素守恒思想，考察学生对元素化合物知识的灵活应用和迁移能力，对信息的采集和整合能力，对问题的分析和解决能力。要求学生能运用质量守恒定律，从题目特定的情境的角度去分析物质间的转化关系，及核心元素的流向。学生对这类计算，完成的效果不理想。

1.学生在解决“多步反应”计算时表现出来的问题

在心理层面：学生面对陌生情境、众多的物质和化学方程式，特别是涉及陌生的化学方程式时就会方寸大乱，无从下手。从而对此问题产生了恐惧心理，畏难情绪，大部分学生考试时只要看到这种计算，总是把它留到最后做，或者随便做做或直接放弃，导致得分率低。

在解题策略层面：学生对教材的化学方程式不够熟练，对题目情境、素材、信息等涉及的陌生化学方程式，由于信息提取、整合不当，导致方程式书写不正确。解题时只关注宏观物质的质量关系，目光只停留在核心元素的质量不变情况。不理解计算原理，不能用元素守恒进行简洁运算，忽略了从微观层面分析物质的变化，导致不懂得从多步反应过程中核心元素的原子种类、数目不变的角度分析问题、解决问题。出现这样的结果，都是源于学生没有掌握一种好的思维模式、解题思路和方法。没有对所学知识进行分类、归纳，没有对知识形成模式化方法、模式化思维、模式化过程。

2.“元素守恒”是发展学生化学学科核心素养的一种载体

从广州中考的试题分析，发现题目虽然涉及“多步反应”的物质众多，但是其中涉及计算的元素并不多，所以顺着“元素守恒”的线索来分析，可以使看似复杂的计算问题简单化，模型化。

“元素守恒”即化学反应前后各元素的种类不变，各元素的原子个数不变，其物质的量、质量也不变。即宏观上物质在化学反应前后种类发生变化，但是元素是守恒的，微观上原子种类和数目也是守恒，保持不变的。不管是一个反应还是多个反应，不管给定的是反应物还是生成物，不管过程转化是完全的还是部分的，只要学生形成自觉跟踪核心元素，寻找转化过程，找出核心元素的质量守恒或核心元素的原子守恒关系，就能快速理清头绪，结合“三重表征”思维方式分析问题，对此类型计算形成模型化思维，发展学生“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”的学科素养。

在中考复习中，如果教师能引导学生对“多步反应”计算，运用“元素守恒”的原则进行思考，形成模型化思维，开扩学生的解题思路。在解题的思路和方法上助学生从新建立信心，对提高成绩和综合能力是非常有效的。笔者一直坚持用“元素守恒”对“多步反应”的化学计算进行教学实践，自身的教学经验证明效果不错。

二、“元素守恒”的思维建模

“元素守恒”解题的核心是找到核心元素，利用核心元素的质量守恒或该元素的原子守恒来分析，这里所说的核心元素是指已知物质和所求物质中的守恒元素。虽然“多步反应”计算涉及的物质和化学方程式多，但是涉及计算的元素就那么几种，一般情况下学生是可以跟踪到核心元素，寻找到转化后的物质，从而找出物质间守恒元素的质量关系或核心元素的守恒原子间的关系，从而建立起物质间的关系来解决问题。

1.“多步反应”过程没有引入或消耗含核心元素物质

宏观角度分析，已知物质中核心元素的质量和所求物质中核心元素的质量相等。微观角度分析，核心元素在已知物中的原子个数和所求物中该元素的原子个数相等。思维模型如图1 所示。

图1 “元素守恒”思维模型1

2.“多步反应”过程引入或消耗含核心元素物质

宏观角度分析，核心元素在已知物质中的质量和所求物质中的质量不相等。在整个过程中引入或消耗含该元素的物质，如果引入：引进元素的质量和原该元素的质量要相加才和最终该元素的质量相等；如果消耗：原该元素的质量要减去损失元素的质量才和最终该元素的质量相等。微观角度分析，核心元素在已知物质中的原子数目加上引进的核心元素的原子数目（或减去消耗的核心元素的原子数目），就是所求物质中该元素的原子数目。思维模型如图2 所示。

图2 “元素守恒”思维模型2

解题步骤如下：

（1）仔细阅读，熟悉整体。将题目仔细阅读一遍，找出已知物质和所求物质中的元素，熟悉“多步反应”涉及已知物质和所求物质的化学方程式。

（2）结合情境，准确定位。根据题目的情境、信息，观察涉及的化学方程式，准确跟踪核心元素，理清转化过程核心元素的原子守恒关系。

（3）确定关系，代入数据，解决问题。

运用“元素守恒”解决这类计算问题就能化繁为简，可以减少很多不必要的麻烦。

三、“元素守恒”解“多步反应”计算例谈

例题.已知向饱和澄清石灰水中通入CO2直至过量，先生成CaCO3，再转化为Ca（HCO3）2。理论上吸收4.4g CO2，需氢氧化钙的质量为 g。（计算结果精确到0.1g）

运用“元素守恒”分析步骤如下：

（1）题目给出的已知物质是CO2含有C、O 元素，所求物质是Ca（OH）2含有Ca、O、H 元素。涉及反应的化学方程式CO2+Ca（OH）2＝CaCO3↓+H2O，CO2+CaCO3+H2O＝Ca（HCO3）2。

（2）根据题干信息，CO2和澄清石灰水反应后，最终会转化成Ca（HCO3）2，观察、分析涉及反应的化学方程式，跟踪核心元素，推理出两种物质中核心元素是C 元素，根据C 原子守恒，找出关系：2 CO2～Ca（HCO3）2。但是题目要求的是Ca（OH）2的质量，在Ca（HCO3）2和Ca（OH）2两种物质中，核心元素是Ca 元素，根据Ca 原子守恒，找出关系：Ca（HCO3）2～Ca（OH）2。追踪C元素和Ca 元素，找到C 原子和Ca原子的守恒关系。

（3）综合分析，得到CO2和Ca（OH）2的如下关系：