基于化学学科理解的元素化合物教学探究

福建省福州格致中学（350001）陈敏琛

一、问题的提出

元素化合物知识是高中化学必修课程的主要内容之一，在教材中占有较大的比重。元素化合物教学中存在的主要问题有：（1）以去情境化的教学代替真实的学习情境；（2）以碎片化学习代替整体性学习；（3）以单一代表物的性质学习代替基于元素观的物质性质学习［1］。这导致学生对知识点的理解过于狭隘和对反应方程式的记忆过于机械，在解决化学实际问题过程中表现为知识迁移能力欠缺，学科核心素养水平低下。造成以上教学偏差的一个主要原因是教师对元素化合物的学科理解片面或存在一定的局限性。

《普通高中化学课程标准（2017 年版2020 修订）》（以下简称新课标）提出“要求教师进一步增进化学学科理解。化学学科理解是指教师对化学学科知识及其思维方式和方法的一种本原性、结构化的认识，它不仅仅只是对化学知识的理解，还包括对具有化学学科特质的思维方式和方法的理解”［2］。本原性的认识离不开在真实情境中产生的真实问题，学科知识及学科思维方式和方法的结构化是解决真实问题的“金钥匙”。本文以2019 年苏教版化学必修第一册（以下简称新教材）“从海水中提取溴”的教学为例，从化学学科理解层面，分析元素化合物教学内容的本原性问题和功能价值，构建元素化合物的认识模型，基于教学实践提炼教学策略，探寻元素化合物教学新样态。

二、基于化学学科理解的元素化合物教学内容分析

要厘清元素化合物知识的产生、发展和应用的脉络，可从“化学知识本质”“化学知识获取”“化学知识结构”三个维度获得关于元素化合物的接近本原性问题的理解；要挖掘元素化合物的学科价值、社会价值和育人价值，可从“化学学科方法”“化学学科价值”两个方面进行凝练。因此，有必要从化学学科理解的五个维度——“化学知识本质”“化学知识获取”“化学知识结构”“化学学科方法”“化学学科价值”［3］，对元素化合物教学内容的本原性问题和功能价值进行全面了解。具体的元素化合物教学内容分析见表1。

表1 基于化学学科理解的元素化合物教学内容分析

三、基于化学学科理解建构元素化合物认识模型

基于化学学科理解的化学教学，要求教师重视学科本原性问题的凝练、化学认识视角的抽提以及化学认识思路的建构［5］。

（一）凝练学科本原性问题

在元素化合物的教学中，教师可基于“化学知识本质”，凝练3 个学科本原性问题：它是什么物质？它发生了什么变化？它为什么会发生变化？如“从海水中提取溴”一课要解决的3 个学科问题是：溴元素的存在形式是什么？不同价态含溴物质之间如何转化？物质的组成、结构、分类和变化与认识视角有何关联［6］？

（二）抽提化学认识视角

化学认识视角是“从哪儿想”的切入点。宏观和微观相结合是建构认识对象之间的关联性的重要化学学科视角。在元素化合物教学中，教师一方面要基于物质类别和元素价态、原子结构的视角预测物质的化学性质，初步建构价类二维认识模型；另一方面要从实验验证的视角对实验现象做出合理解释，并用化学符号进行恰当表征，发展学生“宏—微—符”三重表征这一化学学科特有的思维方式。

（三）建构化学认识思路

化学认识思路实质是形成“怎么想”的逻辑框架，它的价值在于知识的运用。如本节课先通过建构预测陌生物质性质的思维模型，再创设“模拟工业上热空气吹溴”的问题情境，引导学生运用模型尝试解决实际问题，并在此过程中完善模型，形成化学认识思路的结构化，旨在提高学生基于化学认识思路的迁移能力。

基于化学学科理解的元素化合物教学着力点不再是知识的机械传递和简单应用，而是强调形成知识关联和学科思维方式和方法的结构化。就学科知识来讲，就是将化学知识关联起来形成有机整体，从横向维度体现知识关联和认识思路的结构化，即建构价类二维认识模型，预测物质的化学性质，通过实验证实或证伪，使物质转化的路径显性化，使知识从碎片化走向结构化。就学科思维方式和方法来讲，就是抽提学科思想方法、观念，从纵向维度形成核心观念的结构化，即将“结构决定性质，性质决定用途”的学科思想方法贯穿教学始终，用元素观、微粒观等学科观念统领学科知识的学习。

综上，基于化学学科理解的元素化合物的认识模型如图1 所示。元素化合物教学宜从化学史实、实验探究、生产实际等方面有序铺陈，创设真实情境和相关联的学习任务，引导学生运用学科知识和核心观念解决真实情境下的化学实际问题，形成认识思路的固化和迁移，提升学生元素化合物的认知进阶水平，发展学生的化学学科核心素养。

图1 基于化学学科理解的元素化合物认识模型

四、基于化学学科理解提炼元素化合物的教学策略

基于化学学科理解的元素化合物教学主要体现在教师运用适切的情境素材，在情境、任务、活动“三位一体”下，以实验为主的多样化活动为载体，从宏微结合、定性定量、变化守恒等多重视角，引导学生运用类比推理、抽象概括的思维方式，建构结构化的化学核心知识图谱，形成由知识向真实情境迁移的关键能力。

（一）创设真实情境，搭建素养形成和发展的平台

“真实、具体的问题情境是学生化学学科核心素养形成和发展的重要平台，为学生化学学科核心素养提供了真实的表现机会。”［2］因此，创设真实且体现学科知识功能与价值的问题情境是“素养为本”课堂教学的重要取向。从“化学知识获取”“化学学科价值”维度的学科理解来看，选择生产生活、科研以及化学史实中有意义的化学问题，将其改造成适合学生探究的学习情境，并贯穿课堂始终，不但能激发学生探究问题的欲望，还能驱动学生持续深度学习，避免情境流于形式成为“花架子”。例如在“从海水中提取溴”的教学中，若只是让学生罗列生活中使用的含溴药物、高效低毒的含溴农药、含溴消毒剂等，而没有挖掘这些物质的来源、合成、用途等体现化学学科思想方法的内容，显然对学生学科思维方式的培养和结构化知识的构建没有太大的价值。为此，教师应着重以“溴的发现史”创设情境，介绍巴拉尔发现溴的经过和李比希与溴元素失之交臂的故事，提出“盐湖里的溴是以什么形式存在的？”“如何将新物质从母液中提取出来？”等问题，促使学生了解溴的转化过程，为后续概括从海水中提取溴的思路做好铺垫。同时，让学生体会到批判精神和直觉思维对科学发现的积极作用，发展学生的“科学态度与社会责任”核心素养，使情境的功能价值——激趣、激思、激疑得到真正发挥。

（二）建构认识模型，形成知识关联和认识思路的结构化

从“化学知识结构”维度的学科理解来看，在元素化合物教学中，教师应充分利用物质分类、氧化还原反应、离子反应等基础理论指导学生学习元素化合物，使其实现从感性认识到理性认识的跨越。“化学学科方法”维度的学科理解注重从宏微结合的角度预测物质的化学性质，并通过实验引导学生进行方案设计、概括解释等深层次的探究活动，进而形成对物质性质及转化的结构化认识。如在“实验室提取溴”的教学环节中，引导学生对比氯原子的结构，预测Br2有氧化性，再通过绘制含溴物质的价类二维图（如图2），外显Br-与Br2之间的转化路径，并通过实验进行验证，建构关于物质转化的一般认识思路；设置“如何检验Br-”这一关联性学习任务，旨在诊断学生能否运用氧化还原反应原理选择合适的氧化剂将Br-氧化成Br2，再用四氯化碳将Br2从水中萃取出来。在实验教学过程中，教师应改变学生照搬教科书做实验的现状，鼓励学生做出有依据的假设，对实验现象和结果进行比较、分析、解释、概括，在一系列活动中经历想象、批判性思考等创新思维活动，形成“氯、溴的性质既有相似性又有差异性”的结构化知识关联。

图2 含溴物质的价类二维图

（三）解决实际问题，提升认识思路的迁移水平

元素化合物知识认识功能的落脚点是提升认识思路和核心观念的结构化水平。认识思路结构化的形成有赖于在陌生情境中运用认知模型，预测陌生物质性质并通过实验证实或证伪，进而巩固、提升认识思路的迁移水平，发展“科学探究与创新意识”核心素养。在本节课中，教师进一步提出“工业上制溴与实验室制溴有何不同？”的问题，让学生从反应原理、原料成本、设备要求、环境保护等多角度发表自己对问题的见解，提出模拟工业空气吹出法制溴的实验设想。在教师提供化学知识和实验仪器的支持下，由学生自主设计实验方案，并最终选择一个较优方案：如图3，加热三颈烧瓶至蒸馏水沸腾，不断挤压鼓气囊将水蒸气赶至第一个装有稀硫酸酸化的NaBr 和新制氯水混合溶液的洗气瓶中，生成的溴单质在水蒸气带动下被吹到第二个装有NaOH 溶液的洗气瓶中。由于溴单质易挥发，因此暂时以化合物的形式存在。怎样将化合态的溴转化成游离态的溴？学生对此展开探讨。有的学生从含溴物质的价类二维图入手，猜想在碱性介质中Br2转化为Br-、BrO-，那么反过来，在酸性介质中Br-、BrO-则应转化为Br2；有的学生从氧化还原的角度推测可用其他氧化剂实现转化，就此再次通过实验验证自己的猜想，并用离子方程式表示相应物质的转化。当教材上一句空洞的描述变为实验现实，学生的内心充满了愉悦，不仅真切地感受到了工业提溴的过程，而且知识迁移能力也得到了提升，宏微结合、变化守恒等核心观念得到了巩固，同时还体会到了化学对社会发展的重要价值。

图3 模拟工业空气吹出法制溴的实验装置

总之，基于化学学科理解的元素化合物教学不应拘泥于细碎的知识点和方程式的机械记忆，应让学生置身于真实情境，亲临科学实践的现场，通过比较、推理、预测、解释等思维活动和实验活动，亲身经历知识产生、发展和应用的过程，形成运用结构化的化学知识解决实际问题的关键能力，同时涵养自身对化学学科价值的欣赏，体悟化学学习的有趣、有味、有用。