談化學(xué)元素觀的進(jìn)階學(xué)習(xí)

張發(fā)新

(南京市江寧高級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 211100)

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談化學(xué)元素觀的進(jìn)階學(xué)習(xí)

張發(fā)新

(南京市江寧高級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 211100)

化學(xué)元素觀是化學(xué)觀念中的核心觀念，學(xué)習(xí)進(jìn)階對(duì)促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展、學(xué)科內(nèi)容連貫一致設(shè)計(jì)、教育測(cè)評(píng)及教學(xué)決策的發(fā)展有重要實(shí)踐價(jià)值。構(gòu)建化學(xué)元素觀的學(xué)習(xí)進(jìn)階框架，以及通過(guò) “對(duì)話”引發(fā)進(jìn)階學(xué)習(xí)，創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體等教學(xué)策略，有利于幫助教師了解學(xué)生如何理解化學(xué)元素觀，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)化學(xué)元素觀。

化學(xué)元素觀；學(xué)習(xí)進(jìn)階；教學(xué)策略

一、問(wèn)題的提出

學(xué)習(xí)化學(xué)不僅是記憶化學(xué)事實(shí)和知識(shí)，還要通過(guò)具體事實(shí)知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握從化學(xué)的視角認(rèn)識(shí)世界、解釋世界的思想方法，獲得“處理與化學(xué)相關(guān)的事物的能力”，“成為具有科學(xué)思想的反思性公民”。英國(guó)科學(xué)教育專家溫·哈倫在《科學(xué)教育的原則和大概念》報(bào)告中指出：“科學(xué)教育的目標(biāo)不是去獲得一堆由具體事實(shí)和學(xué)科理論雜亂無(wú)章地堆砌起來(lái)的知識(shí)，而應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)一個(gè)向核心概念逐步趨向的進(jìn)展過(guò)程，這樣做有助于學(xué)生理解與他們生活相關(guān)的事件和現(xiàn)象。”[1]化學(xué)元素觀是從元素視角來(lái)認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化所形成的相關(guān)認(rèn)識(shí)的總體性、概括性觀念。化學(xué)元素觀回答“物質(zhì)是由什么組成的”這個(gè)化學(xué)最基本的問(wèn)題，其核心概念是“元素”，[2]主要包含三方面內(nèi)涵：一是元素是組成物質(zhì)的基本單元，元素的有限性決定了無(wú)限、多樣性物質(zhì)的有序性；二是元素以分子、原子、離子等微粒構(gòu)成物質(zhì)，微粒種類和構(gòu)成方式的差異決定了物質(zhì)性質(zhì)的差異；三是物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化是元素原子間的重新組合，物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程遵循化學(xué)變化基本規(guī)律。[3]

學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在各時(shí)期學(xué)習(xí)同一主題的概念時(shí)，所遵循連貫的、典型的學(xué)習(xí)路徑的描述，一般呈現(xiàn)為圍繞核心概念展開(kāi)的一系列由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、相互關(guān)聯(lián)的概念序列。[4]它是一個(gè)描述學(xué)生在知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程中連續(xù)的、更加熟練的發(fā)展的框架，這個(gè)框架的構(gòu)建需要了解學(xué)習(xí)者是如何理解知識(shí)以及以何種方式理解這些知識(shí)的，它解決的是學(xué)生認(rèn)知發(fā)展過(guò)程中用以“踏腳”的具體的“腳踏點(diǎn)”。

學(xué)習(xí)進(jìn)階指導(dǎo)教師關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)某一科學(xué)基本觀念時(shí)不同的思考方式，注意學(xué)生對(duì)內(nèi)容的理解方式方面可能存在的差異，提醒教師注意在更高層級(jí)“階”上的學(xué)生并不是比更低層級(jí)“階”上的學(xué)生“知道得更多”；學(xué)習(xí)進(jìn)階引導(dǎo)教師關(guān)注學(xué)生怎樣思考，并且通常會(huì)關(guān)注學(xué)生的“錯(cuò)誤思考”；學(xué)習(xí)進(jìn)階啟發(fā)教師在多種進(jìn)階路徑出現(xiàn)的可能中尋找最佳的教學(xué)序列并精心設(shè)計(jì)教學(xué)，以促進(jìn)這種進(jìn)階的發(fā)生。

化學(xué)教學(xué)中接觸的物質(zhì)及其變化的知識(shí)通常是固化的，是一堆缺乏“人氣”的事實(shí)知識(shí)和符號(hào)知識(shí)，若不致力基于化學(xué)基本觀念的教學(xué)，就會(huì)既割斷化學(xué)元素觀與物質(zhì)性質(zhì)及其變化之間的聯(lián)系，也隔斷了化學(xué)元素觀與學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、形成知識(shí)過(guò)程之間的聯(lián)系。其結(jié)果是既導(dǎo)致學(xué)生化學(xué)基本觀念的匱乏，也造成化學(xué)教學(xué)科學(xué)素養(yǎng)教育價(jià)值的貧乏。解決這一矛盾的有效方式之一就是應(yīng)用“學(xué)習(xí)進(jìn)階”有關(guān)理論引導(dǎo)學(xué)生有效建構(gòu)化學(xué)元素觀，在化學(xué)教學(xué)中形成物質(zhì)性質(zhì)及其變化的知識(shí)與化學(xué)元素觀等化學(xué)基本觀念之間的相互融合，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高。

二、化學(xué)元素觀的學(xué)習(xí)進(jìn)階

科學(xué)的形成源于人類對(duì)自然界的探索活動(dòng)，而自然界又是一個(gè)普遍聯(lián)系、相互作用的統(tǒng)一整體。因此，在科學(xué)領(lǐng)域不同的具體學(xué)科之間就必定會(huì)存在一些“共通”概念。它們跨越學(xué)科界限，具有普適性，使得學(xué)科與學(xué)科、知識(shí)與內(nèi)容、概念形成與發(fā)展、研究手段與方法之間相互關(guān)聯(lián)、相互交叉。從這些“共通”概念中，可以提煉出科學(xué)中普遍存在著三種核心觀念：物質(zhì)、變化和能量,形成了科學(xué)學(xué)科的總體思想，它超越了學(xué)科界限，反映了不同科學(xué)學(xué)科的內(nèi)在統(tǒng)一性。元素是化學(xué)科學(xué)的第一個(gè)基本概念，也是化學(xué)科學(xué)最基本的概念之一，被稱為“化學(xué)理論大廈的基石”。[2]從化學(xué)元素觀出發(fā)理解三個(gè)共通概念：物質(zhì)是由元素原子以各種排列方式組成的，化學(xué)研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律；物質(zhì)發(fā)生變化是元素原子的重排，它是人們從動(dòng)態(tài)的角度對(duì)化學(xué)物質(zhì)變化本質(zhì)的總的看法；能量伴隨著化學(xué)變化產(chǎn)生，它引導(dǎo)人們運(yùn)用“能量”的觀點(diǎn)分析、處理化學(xué)問(wèn)題,并用“ 能量”的觀點(diǎn)把化學(xué)問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。美國(guó)科學(xué)教育界普遍認(rèn)為，學(xué)習(xí)進(jìn)階包括進(jìn)階終點(diǎn)、進(jìn)階維度、成就水平、各水平的學(xué)業(yè)表現(xiàn)以及測(cè)評(píng)工具五個(gè)要素，[5]據(jù)此可以建立一個(gè)描述學(xué)生化學(xué)元素觀的學(xué)習(xí)進(jìn)階框架。(見(jiàn)表1)

表1　化學(xué)元素觀學(xué)習(xí)進(jìn)階

(續(xù)表)

三、以學(xué)習(xí)進(jìn)階方式建構(gòu)學(xué)生化學(xué)元素觀的教學(xué)策略

1.通過(guò)“對(duì)話”深化對(duì)知識(shí)的理解， 實(shí)現(xiàn)化學(xué)元素觀的認(rèn)識(shí)進(jìn)階

教學(xué)對(duì)話就是“通過(guò)教師的提問(wèn)、激勵(lì)與引導(dǎo)，學(xué)生的自由思考、自由表達(dá)而獲得知識(shí)技能、發(fā)展能力的教學(xué)方法”[6]，對(duì)話的重點(diǎn)是教師能有效地利用提問(wèn)設(shè)定化學(xué)元素觀的學(xué)習(xí)序列，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)而逐漸進(jìn)階，它重視的不是知識(shí)而是思考過(guò)程或思考體驗(yàn)，是以過(guò)程為中心的教學(xué)。教師不斷詢問(wèn)學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及其變化微觀本質(zhì)的解釋，使學(xué)生處于思維的應(yīng)急狀態(tài)并迅速地搜尋問(wèn)題解決的策略。

“金屬的性質(zhì)”是學(xué)生第一次應(yīng)用“物質(zhì)分類”“離子反應(yīng)”“氧化還原反應(yīng)”等基本概念系統(tǒng)分析、研究的無(wú)機(jī)物?！皬匿X土礦中提取鋁”的教學(xué)，應(yīng)用真實(shí)的材料，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，在“對(duì)話”過(guò)程中，在學(xué)生理解鋁的制備與應(yīng)用的價(jià)值和方法的基礎(chǔ)上，圍繞“物質(zhì)、能量、變化”等“大概念”重組教學(xué)內(nèi)容，呈現(xiàn)出化學(xué)元素觀理解水平由低到高的發(fā)展歷程，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)階整合。

情境1：鋁在地殼中的含量為7.73%。19世紀(jì)中期，拿破侖三世使用鋁制酒杯，而大臣們用的則是金杯和銀杯；1889年倫敦化學(xué)會(huì)把鋁制的花瓶和杯子作為貴重的禮物送給門捷列夫，表彰他發(fā)現(xiàn)了元素周期律為人類做出的巨大貢獻(xiàn)。

問(wèn)題1：針對(duì)兩則材料中的鋁的用途，你想到了什么？

情境2：鋁的化合物熔點(diǎn)(見(jiàn)表2)

表2　鋁的化合物熔點(diǎn)

問(wèn)題2：思考電解氧化鋁最需要解決的問(wèn)題是什么？你還知道哪些提取金屬鋁的方法？為什么要提取鋁？為什么要從鋁土礦中提取鋁？如何從鋁土礦中提取鋁？

情境3：探究氧化鋁的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)試劑與用品：氧化鋁、氫氧化鈉溶液、鹽酸、試管、膠頭滴管、藥匙、廢液缸等。實(shí)驗(yàn)要求：先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)再做實(shí)驗(yàn)，每一小組做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。寫出實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

問(wèn)題3：如何找到一種能夠溶解氧化鋁使其熔融溫度降低的材料？

情境4：鋁的再生: “新世紀(jì)材料的亮點(diǎn)”再生鋁又稱二次鋁，是目前廢物界最有價(jià)值的材料?，F(xiàn)在世界上每年從廢鋁回收的鋁量約為400萬(wàn)噸，相當(dāng)于每年鋁產(chǎn)量的25%左右，與以鋁土礦為起點(diǎn)相比，生產(chǎn)1噸再生鋁合金能量消耗僅為新鋁的2.6%，并節(jié)省10.5噸水，少用固體材料11噸，比電解鋁時(shí)少排放91%的二氧化碳，少處理廢液、廢渣1.9噸。

問(wèn)題4：未來(lái)，可以從哪些方面減少生產(chǎn)鋁過(guò)程中的能耗和成本？調(diào)查金屬鋁在生活、生產(chǎn)、科技方面的應(yīng)用，并研究這些應(yīng)用體現(xiàn)了單質(zhì)鋁的什么性質(zhì)？把你的調(diào)查報(bào)告和同伴交流。

上述真實(shí)情境中的師生對(duì)話過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)元素及其化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途、制法等概念的理解逐級(jí)進(jìn)階向深處發(fā)展，形成“宏觀-微觀-符號(hào)”三重表征相互融合的思維方式，引導(dǎo)學(xué)生的認(rèn)識(shí)進(jìn)階至“基于元素性質(zhì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界”的認(rèn)識(shí)水平。

2.創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體，以多樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)促進(jìn)化學(xué)元素觀的進(jìn)階整合

“把過(guò)去的個(gè)體學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換為共同體的學(xué)習(xí)，保障每一位學(xué)生的以多樣性為出發(fā)點(diǎn)的活動(dòng)性學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)多樣的學(xué)習(xí)交流與合作，培養(yǎng)學(xué)生成為自立的、活動(dòng)的、合作的學(xué)習(xí)者?！盵7]在共同體活動(dòng)過(guò)程中，學(xué)生承擔(dān)著幾個(gè)不同的活動(dòng)任務(wù)，如有的學(xué)生需要做好活動(dòng)過(guò)程中各種變化的數(shù)值的記錄，有的需要觀察并記錄化學(xué)現(xiàn)象和化學(xué)反應(yīng)變化，有的學(xué)生則需要?jiǎng)邮植僮鬟M(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們共同合作、相互配合、協(xié)調(diào)分工，積極發(fā)揮個(gè)人能力的優(yōu)勢(shì)，科學(xué)高效地完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，有利于有效促進(jìn)逐漸進(jìn)階，形成完整、系統(tǒng)的化學(xué)元素觀。

“必修2—乙醇”的教學(xué)主要具有兩個(gè)方面的教育功能：一方面，為滿足培養(yǎng)公民基本科學(xué)素養(yǎng)的要求，提供有機(jī)化學(xué)中最基本的核心知識(shí)；另一方面，盡力滲透化學(xué)元素觀的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生將人、社會(huì)和自然三者有機(jī)聯(lián)系在一起，激發(fā)其進(jìn)一步學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)的欲望。教師創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)共同體，圍繞 “有機(jī)化合物碳架和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)”等核心概念重組教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的進(jìn)階整合，構(gòu)建基于“物質(zhì)存在、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與用途相互關(guān)系的探究”化學(xué)元素Gauntlet知識(shí)的學(xué)習(xí)進(jìn)階。

活動(dòng)1： ①實(shí)驗(yàn)：CH3CH2OH燃燒實(shí)驗(yàn)； ②實(shí)驗(yàn)：CH3CH2OH滴入高錳酸鉀溶液中；③查閱資料：人喝酒以后CH3CH2OH進(jìn)入人體內(nèi)后的變化過(guò)程； ④實(shí)驗(yàn)：乙醇的催化氧化； ⑤實(shí)驗(yàn)：檢驗(yàn)酒后駕車；⑥實(shí)驗(yàn)：定量測(cè)定46.gCH3CH2OH與Na反應(yīng)生成H2的體積。

活動(dòng)2：用橡皮泥和牙簽組裝CH3CH2OH空間構(gòu)型：①黑球表示碳原子，白球表示氫原子，藍(lán)球表示氧原子；②一根牙簽表示一對(duì)共用電子對(duì)，引導(dǎo)學(xué)生初步體會(huì)“構(gòu)建模型是將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化”的科學(xué)方法，以及從宏觀、微觀、符號(hào)表達(dá)三個(gè)層面認(rèn)知CH3CH2OH的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；用綠球表示氯原子，自己組裝氯乙烷分子模型，體驗(yàn)CH3CH2OH和HCl發(fā)生的取代反應(yīng)；再討論可能有幾種方式在CH3CH2OH分子中去掉兩個(gè)H，多次模擬逐步讓學(xué)生將實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為學(xué)生頭腦中的思維模型，幫助學(xué)生從化學(xué)鍵的層面進(jìn)一步認(rèn)識(shí)CH3CH2OH的結(jié)構(gòu)。

活動(dòng)3：人類已經(jīng)利用甲醇、乙醇代替部分汽油，乙醇汽油的使用是科學(xué)技術(shù)上的一項(xiàng)成果。討論：為什么說(shuō)甲醇、乙醇是高效的清潔能源? 生產(chǎn)甲醇、乙醇有哪些途徑？

活動(dòng)4：碳元素在地殼中的含量?jī)H為0.027%，而且其中99.7%以煤、天然氣和碳酸鹽的形式存在，0.2%在大氣中以二氧化碳和甲烷形式存在，剩下的不到0.1%的碳構(gòu)成了地球上全部生命物種的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，即有機(jī)化合物，碳以很少的數(shù)量構(gòu)成種類達(dá)數(shù)千萬(wàn)種的有機(jī)物，關(guān)鍵在于碳原子之間能形成豐富多彩的化學(xué)鍵。[8]討論：從碳原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)解釋碳原子為什么能形成豐富多彩的化學(xué)鍵。

在學(xué)習(xí)共同體中，通過(guò)多樣教學(xué)活動(dòng)過(guò)程生成的“問(wèn)題”，經(jīng)過(guò)交流與合作學(xué)習(xí)加以解決，能使學(xué)生迅速進(jìn)入深層的思維活動(dòng)，把學(xué)習(xí)進(jìn)階變量聚焦在“物質(zhì)、能量、變化”等大概念與科學(xué)實(shí)踐上，并且把它們有效地整合起來(lái)，在認(rèn)識(shí)的較高進(jìn)階上建構(gòu)“由元素組成的物質(zhì)是客觀存在、豐富多彩的，人們通過(guò)分類的方法高效地認(rèn)識(shí)物質(zhì)，利用實(shí)驗(yàn)技術(shù)識(shí)別物質(zhì)，用‘宏-微-符’融合的方法表征物質(zhì)，為了人與自然的發(fā)展科學(xué)合理利用物質(zhì)”等較高認(rèn)識(shí)水平的化學(xué)元素觀。創(chuàng)建學(xué)習(xí)共同體不僅能促進(jìn)學(xué)生逐漸進(jìn)階，形成完整、系統(tǒng)的化學(xué)元素觀，還有利于引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的科學(xué)價(jià)值觀,將自然科學(xué)融入整個(gè)人類文化的背景中思考和分析，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)未來(lái)的人文關(guān)懷，達(dá)成培養(yǎng)具有科學(xué)理性的公民的科學(xué)教育目標(biāo)。

[1]溫·哈倫.科學(xué)教育的原則和大概念[M].韋鈺,譯.北京:科學(xué)普及出版社，2011: 2.

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[8]周公度. 化學(xué)是什么[M] 北京：北京大學(xué)出版社,2013:13.

Learning Progressions of the View of Chemical Elements

ZHANG Faxin

(Jiangning High School, Nanjing Jiangsu 211100)

The view of chemical elements is core idea of chemistry basic concept. Learning progressions has important practical value for cognitive development, subject content coherence, education evaluation and teaching decision making. Learning progressions of the view of chemical elements can help teachers understanding the students’ view of chemical elements, and also can promote the construction of students’ the view of chemical elements.

view of elements, learning progressions, instructional strategies

張發(fā)新，江蘇南京人，江蘇省南京市江寧高級(jí)中學(xué)正高級(jí)教師，江蘇省特級(jí)教師，主要從事化學(xué)課程與教學(xué)研究。