“价类二维”视域下元素化合物知识的深度学习

黄华文 张贤金 吴新建

摘   要 “价类二维”是认识和学习高中化学元素化合物知识的重要方式。基于“价类二维”认识元素化合物的教学，可依托单元教学思想统筹课时，从“类维”“价维”“原理维”三个角度逐层分析物质性质、解释物质间的反应，结合实际问题选择合适主题展开教学，同时融合反应原理从反应本质认识物质间的反应，让学生经历“价类二维”“构性二维”“量性关联”三个认知阶段，促进学生形成“价类二维”认知模型。

关键词 价类二维  元素化合物  深度学习  认知模型

元素化合物知识是高中化学课程的重要组成部分，是学习其他知识的基础，是学生获得感性认识的重要素材，是原理迁移应用的对象，是为后续学习和研究未知物质提供依据的参照对象[1]。高中化学课程中元素化合物知识主要集中在《必修1》，通过一定的逻辑关系将众多繁杂的元素化合物置身于价类二维的关系网中，抽离出物质之间变化的本质，从学生发展的深远价值挖掘元素化合物模块的教学价值，建构认识元素化合物的认知模型和学习方法，在学生遗忘具体知识之后，能通过模型重新学习模块知识，拥有终身学习能力。

一、三个维度建构“价类二维”认知模型

基于“价类二维”视角认识元素化合物，其认知角度主要有“类维”“价维”“原理维”三个维度。“类维”指面对物质或反应时，先从物质组成—元素种类、物质类别、元素化合价、元素所处周期表位置、物质反应类别等多角度对其分类，再结合各类物质通性联想物质的性质，或结合元素周期律中同族元素相似性和递变性进行迁移，推测物质性质。“价维”指从氧化还原反应的表观特征—元素化合价角度，依据氧化还原反应规律分析判断物质的氧化性或还原性，推测物质间能否发生反应，选择制备物质所需的试剂。“原理维”指从能量和平衡角度分析物质间变化的方向及程度，多种反应共存时由平衡常数与浓度商评估反应的竞争结果，学会控制和改变反应体系的条件，让反应朝着人类需要的方向进行，让反应为人所用。

“类维”“价维”“原理维”三个维度均要先对对象进行身份认定，接着依据认定的身份猜测、分析物质，之后做出结论，或将对象的表观特征与类别对号入座。这三个维度存在包含关系，“类维”是大维度，统摄“价维”和“原理维”多种分类视角，“价维”是一条明线，“原理维”是一条暗线，只有抓住“类维”学会分类，把握明线，融合暗线，才能更全面地认识物质，更本质地认识物质间反应，建构“价类二维”的思维模型，从而运用认知模型科学地探究物质[2]。

二、三个阶段进阶发展“价类二维”认知

鲁科版高中教材呈现“类维”“价维”“原理维”三个维度的顺序见图1。借助三维认识元素化合物的过程，是从感性到理性，从宏观到微观，从物质类别的小类到周期律的大类，从物质及反应的直观感知到抽象的原理及规律认知，从给予概念到模型建构的逐级搭建的过程。搭建过程是学生思维升华、观念内化的一个逐渐提升过程，须经历三个阶段。下面以鲁科版高中化学教材《必修1》《必修2》和《化学反应原理》为例进行分析。

第一阶段：形成“价类二维”的观念

《必修1》教材主要是对物质和化学反应进行分类认识，逐步形成“价类二维”观念。首先，教材依托学生在初中已掌握的个别典型物质的特征，引导学生从研究的需要或有利于研究这两个方向找到物质分类的依据，并对一些核心概念进行定义，同时归纳出类别物质的通性，实现个别到一般的概括过程，为后面的学习提供“类维”认知模型的基础。其次，从离子反应和氧化还原反应本质对反应进行分类，初步形成从微观视角观察物质间反应，同时学会从“价维”角度认识物质性质。最后，以“价维”和“类维”两个维度为基准，认识C、N、S、Fe、Al、Si为中心的元素的单质及其化合物，通过实践逐步将这二维相融合，形成“价类二维”的认知模型。

第二阶段：形成“构性二维”的观念

《必修2》教材主要是对物质内部结构特征进行分类，逐步形成“构性二维”观念。在学生已具备一定量物质性质的基础上，教材带领学生剖开物质，从微观结构认识物质，分析元素原子的结构特征对元素进行分类，逐步绘出一张简易的元素周期表，运用元素周期律解释和预测粒子间的相互作用力和物质性质，将微观结构与宏观性质联系起来，建构从粒子结构、元素周期律两个视角认识物质，养成“结构决定性质，性质影响用途”的“构性二维”观念，将学生的物质世界从局限的单一元素迁移拓展到同主族元素。

第三阶段：形成“量性二维”的观念

选修4《化学反应原理》教材主要对化学反应机理进行分类，逐步形成“量性二维”的观念。在学生已获取物质间大量反应的事实性知识后，教材站在能量和平衡的理论高度分析物质间反应，从单一反应进入多种微粒多种反应竞争的复杂体系，由反应规律定性判断转入借助数据定量分析判断，形成数据定量与宏观定性相结合的思维模型，为学生认识复杂的现实世界打开另一扇门。

三、基于“价类二维”的元素化合物课堂教学

“价类二维”模型为学生整理元素化合物知识提供支撑依据，并为学生提供模型认识物质世界的方法，解决元素化合物知识繁多难学的境遇。下面以鲁科版高中化学《必修1》第三章第三节“硫的转化”为例介绍在教学中如何将“价类二维”融入元素化合物的学习。

1.认识各类元素化合物的教学功能

高中课程中元素化合物知识牵涉的中心元素主要有Cl、Fe、S等9种，这些元素出现在教材的位置不同，认识这些元素侧重角度不同，对形成“价类二维”认识模型的贡献也有差别[3]。只有清晰地知道教材中每一种元素的身份，明确其在构建“价类二维”模型中发挥的作用，才能有效帮助学生建构模型。

教材首先建构“类维”“价维”单一概念模型。在研究物质的基本模型中，以Na与Cl2为载体，认识典型活泼金属和非金属一类物质的性质，依托学生已储备的物质基础上，呈现“类维”中物质分类的依据及各类物质通性，拓展学生“类维”认知角度;依托铁及其化合物性质的认识过程，尝试运用“价维”中氧化还原反应和简单离子间复分解反应规律分析物质间的反应，形成“价维”主线。接着，为了联系二维并构建二维框架。教材安排C、N、S等元素的学习，在框架中填充物质，递进式推进二维框架建构。教材在“碳的多样性”中基于学生初中熟悉的含碳物质，从物质多样性进一步突出“類维”认知;在“氮的循环”中侧重从“价维”角度认识氮元素多样性，同时结合“类维”学习硝酸的性质，弥补“类维”中缺少典型氧化性酸类别的不足，为学习浓硫酸作铺垫，首次联合两个维度，让“价类二维”认知模型处于萌芽状态，为“硫的转化”中探究各价态硫元素之间转化提供思路，促成“价类二维”认知模型基本框架的形成，为以后研究物质提供分析模型。

2.用单元教学思想组织教学课时

“价类二维”的思维习惯和元素观不是一两次的教学就能形成，需有意识培养，最终达到无意识的思维习惯状态。因而站在结构化单元教学的高度，整体统筹安排一个模块学习的课时尤为重要，将课堂教学总体目标分解于各个课时目标中，有计划地制定每个阶段和每个课时所需达成的目标，才能有效地、逐步地、循序渐进地促进学生模型的形成，提升运用模型的能力[4]。

在“硫的转化”教学中，如何引导学生构建“价类二维”图是本节的难点，表1为本节课时安排。先从“类维”学习硫单质，再从“价维”构建硫的多种价态之间转化，结合“酸雨防治”和“物质制备”的实际问题，设计“实验室制备SO2”和“工业制备硫酸”的两个主题，将含+4硫元素物质归为一类，从“类维”和“价维”视角得出制备SO2的多种方案，学会从化合价视角对物质进行分类，并构建二维模型，最后运用二维转化图解决工业制备硫酸的实际问题，以突破运用上的难点。

3.融合原理，构建“价类二维”观念

物质间转化遵循一定的基本原理，将原理融入“价类二维”模型的构建过程中，有利于学生学会研究物质性质基本的方法步骤和思维模型，形成运用原理分析解决问题的意识。以“SO2制备”为主题构建硫元素“价类二维”图时，设计三个阶段（见图2）。第一阶段从“类维”由CO2迁移学习SO2，运用复分解反应“强酸制弱酸”的反应规律，解决实验室中SO2的制备原理、装置的选择、气体检验等问题。第二阶段建立化合价楼。从“价维”角度选择试剂，在发现同一价态有多种物质时，提出“能否运用适当方式整理这些物质，以便我们使用？”让学生思考，经学生讨论、比较后，拟定最合理的方式是以单质、氧化物、酸、碱、盐分类作为横坐标，绘制出制备SO2的转化线路。第三阶段将理论与实际相联系。抓住相关知识的社会热点问题—酸雨的危害、产生根源、防治措施，让学生在已建构的转化网络中找到酸雨的来源及变化，按切断污染源的防治思路解决问题，在这过程中运用原理建构“价类二维”物质转化图，并运用网络图分析解决实际问题，体验化学知识的社会价值，增进学生的社会责任感。

4.主题整合，凸显“价类二维”功能

元素“价类二维”的转化图建立在学生储备一定基础知识之上，但教学中如果只逐个零散的认识物质，未构成有邏辑关系的网络，对学生形成“价类二维”的认知模型不利。因此，在学生通过两个维度认识一定量的物质之后，通过主题活动将零散物质通过反应原理和反应规律串起来，帮助学生将碎片化的知识整体化，促进思维结构化;同时在运用“价类二维”的认知思维模式解决主题中的实际问题，凸显“价类二维”的价值功能。

对于主题的选择，首先要有“化学味”，即要紧扣教学内容的核心知识，只有蕴含核心知识的主题活动才有教学价值;其次要有“真实味”，即要贴近生活、生产，在生产、生活、科技发展过程中遇到的问题，才能使学生产生运用化学方法解决问题的动力，才具有实际意义;最后要有“生成味”，即要在促进学生能力、观念等方面有所延伸，只有有生成的教学才具有生命力。如“硫的转化”的核心化学知识是SO2和H2SO4的性质，这两种物质与实际紧密联系的话题是“酸雨防治和物质制备问题”，因而设计“如何防治酸雨”和“硫酸制备”的主题活动，促进“价类二维”的形成。

在教学中，准确地把握三个阶段是促进学生形成“价类二维”的认知模型的关键，合理安排教学内容、统筹课时、精心设计课堂教学过程、选择合适教学手段是教师需要不断研究的内容。

参考文献

[1] 王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

[2] 房喻.徐端钧.普通高中化学课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018.

[3] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4] 王云生.课堂转型与学科核心素养培养[M].上海：上海教育出版社，2016.【责任编辑  郭振玲】