淺析化學(xué)大概念的凝煉與建構(gòu)

吳慶生

摘要：分析了化學(xué)大概念的教學(xué)意義，結(jié)合具體教學(xué)案例闡述了化學(xué)大概念的五種凝煉方式和三個(gè)凝煉原則，并指明了化學(xué)大概念的建構(gòu)策略。

關(guān)鍵詞：化學(xué)大概念; 概念建構(gòu); 化學(xué)教學(xué)

文章編號：10056629（2021）11003704

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中課程方案》（2017年版2020年修訂）指出，“進(jìn)一步精選了學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引導(dǎo)，使課程內(nèi)容情境化，促使學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”。在化學(xué)教學(xué)過程中，根據(jù)知識內(nèi)容的內(nèi)在本質(zhì)關(guān)聯(lián)，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，凝煉出能夠統(tǒng)攝不同知識內(nèi)容的大概念，以建構(gòu)知識的結(jié)構(gòu)化，藉以發(fā)展學(xué)生認(rèn)識問題和分析問題的深度、廣度和高度，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 大概念的教學(xué)意義

1.1 提升認(rèn)識問題的深度和廣度

通過對化學(xué)教學(xué)內(nèi)容的抽象概括凝煉出大概念，既要深度分析知識內(nèi)容的本質(zhì)涵義，又要與相關(guān)的知識內(nèi)容進(jìn)行橫向整合?；瘜W(xué)大概念不僅能夠促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識和理解問題的本質(zhì)，還有助于擴(kuò)展知識之間的橫向聯(lián)結(jié)。由于同一大概念統(tǒng)攝的不同教學(xué)內(nèi)容，其本質(zhì)相同，所以不同教學(xué)內(nèi)容之間可以相互鋪墊和詮釋，這樣既能夠降低問題的難度，又同時(shí)豐富了大概念的內(nèi)涵。

比如，向FeBr2溶液中滴加幾滴氯水，只發(fā)生Cl2+2Fe2+2Cl-+2Fe3+反應(yīng)，為什么Fe2+優(yōu)先于Br-反應(yīng)呢？本質(zhì)原因是Fe2+比Br-更容易失去電子。再結(jié)合原電池和電解池電極反應(yīng)的放電順序，可以凝煉出“得失電子能力強(qiáng)的粒子優(yōu)先反應(yīng)”大概念，并據(jù)此把這些教學(xué)內(nèi)容整合重組在一起。

1.2 有助于知識結(jié)構(gòu)的重組與完善

化學(xué)大概念將瑣碎、零散的知識通過橫向聯(lián)結(jié)而形成知識網(wǎng)絡(luò)。以深刻和簡約為特征的大概念知識層級結(jié)構(gòu)有助于學(xué)生將知識結(jié)構(gòu)化，而知識結(jié)構(gòu)化是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的錨點(diǎn)和關(guān)鍵[1]。

化學(xué)教材內(nèi)容的編排順序通常只能兼顧邏輯性和系統(tǒng)性，這樣有助于學(xué)生循序漸進(jìn)地建構(gòu)化學(xué)知識。教材的這種邏輯編排順序，會導(dǎo)致前后知識內(nèi)在關(guān)聯(lián)的缺失，而化學(xué)大概念恰好能夠彌補(bǔ)教材編排順序的不足。化學(xué)大概念打破了模塊、章節(jié)和課時(shí)的界限，以知識的內(nèi)在關(guān)聯(lián)為紐帶，將化學(xué)知識進(jìn)行重組，以形成有機(jī)的結(jié)構(gòu)化知識。大概念支線作為教材邏輯順序主線的補(bǔ)充和完善，兩者相互交織，相互補(bǔ)充，相得益彰。

1.3 提升應(yīng)用遷移能力

化學(xué)大概念具有極其廣泛的遷移價(jià)值，不僅能夠遷移至學(xué)科內(nèi)情境和學(xué)科間情境，以打通學(xué)科內(nèi)和學(xué)科間的學(xué)習(xí)路徑;而且還能夠遷移至學(xué)校外新的情境，以打通學(xué)校教育與外部世界的路徑。學(xué)生綜合能力的提升有助于學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)生活中的各種問題。

比如，“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念，不僅是化學(xué)學(xué)科常見的學(xué)科觀點(diǎn)，而且還是跨學(xué)科、超學(xué)科的大概念，具有一定的哲學(xué)意義。當(dāng)學(xué)生領(lǐng)悟了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的普適意義后，在面對現(xiàn)實(shí)生活中具體問題時(shí)，就會從問題的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和改進(jìn)，從而去影響和改變宏觀表象。

2 化學(xué)大概念的凝煉方式

2.1 教學(xué)內(nèi)容之間的定量關(guān)系

按照教學(xué)內(nèi)容之間存在著的定量關(guān)系，采用與此皆有關(guān)系的表述作為大概念進(jìn)行統(tǒng)攝。比如，用“物質(zhì)的量”來統(tǒng)領(lǐng)阿伏伽德羅常數(shù)、摩爾質(zhì)量、氣體摩爾體積和物質(zhì)的量濃度等，見表1。

再比如，用“溶質(zhì)不變”來統(tǒng)攝溶液稀釋問題，即溶質(zhì)的質(zhì)量不變和溶質(zhì)的物質(zhì)的量不變，分別得出m（濃）·w（濃）=m（?。（?。┖蚦（濃）·V（濃）=c（?。（?。?。

2.2 教學(xué)內(nèi)容的因果關(guān)系

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容存在的因果關(guān)系，采用能夠反映相互關(guān)系的表述作為大概念。比如，采用“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”大概念來統(tǒng)攝金剛石和石墨的物理性質(zhì)、簡單粒子的性質(zhì)以及有機(jī)物的性質(zhì)等，見表2。

再比如，用“物質(zhì)的性質(zhì)受反應(yīng)對象影響”來統(tǒng)攝中間價(jià)態(tài)物質(zhì)的氧化還原性，H2O2、 SO2和Fe2+遇到強(qiáng)氧化劑如KMnO4表現(xiàn)出還原性，而遇到還原劑則表現(xiàn)為氧化性。

2.3 教學(xué)內(nèi)容的分類關(guān)系

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與大概念之間的分類關(guān)系，采用樹狀分類來統(tǒng)攝教學(xué)內(nèi)容。比如，用“物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)”作為元素化合物的大概念。“物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)”大概念可分為類別通性、物質(zhì)特性兩個(gè)次級大概念，類別通性包含金屬單質(zhì)通性、非金屬單質(zhì)通性、金屬氧化物通性、非金屬氧化物通性、酸的通性、堿的通性以及鹽的通性等基本概念。物質(zhì)特性是指該物質(zhì)具有不同于類別通性的化學(xué)性質(zhì)，根據(jù)核心元素的價(jià)態(tài)是否變化，又分為價(jià)態(tài)特性和非價(jià)態(tài)特性。比如金屬單質(zhì)、金屬氧化物一般不與堿（如NaOH）反應(yīng)，而Al、 Al2O3卻能夠與NaOH反應(yīng)，前者Al元素的價(jià)態(tài)發(fā)生了變化，屬于單質(zhì)鋁的價(jià)態(tài)特性;后者Al元素的價(jià)態(tài)沒有發(fā)生變化，屬于氧化鋁的非價(jià)態(tài)特性，見表3。

再比如“氣體實(shí)驗(yàn)室制法”大概念，“氣體的實(shí)驗(yàn)室制法”又可分為反應(yīng)原理、氣體發(fā)生器、除雜裝置、收集裝置和尾氣處理裝置等，并以此來統(tǒng)攝O2、 CO2、 Cl2、 CH2CH2和CHCH等氣體的實(shí)驗(yàn)室制法。

2.4 教學(xué)內(nèi)容的同源關(guān)系

當(dāng)教學(xué)內(nèi)容依托的原理本質(zhì)同源時(shí)，可以用同源內(nèi)容作為大概念。比如，用“得失電子能力強(qiáng)的粒子優(yōu)先反應(yīng)”大概念統(tǒng)領(lǐng)氧化劑與多種還原性粒子反應(yīng)、原電池和電解池等，見表4。

再如，用“電子得失難易決定性質(zhì)強(qiáng)弱”大概念統(tǒng)領(lǐng)物質(zhì)的氧化性、物質(zhì)的還原性、元素的性質(zhì)、金屬冶煉、原電池和電解池等。

2.5 教學(xué)內(nèi)容的原理（或規(guī)則）關(guān)系

對于化學(xué)程序性知識，首先要厘清程序性知識所遵循的原理，然后再按照一定的步驟和規(guī)則進(jìn)行推進(jìn)。既可以用程序性知識所遵循的原理作為大概念，也可以采用關(guān)鍵環(huán)節(jié)作為大概念。比如用“方程式遵循守恒原理”來統(tǒng)領(lǐng)方程式的書寫，而方程式守恒又分為原子守恒、電子轉(zhuǎn)移守恒（即化合價(jià)升降相等）和電荷守恒等，見表5。

又如，用“碳鏈異構(gòu)、位置異構(gòu)和官能團(tuán)異構(gòu)”大概念來統(tǒng)領(lǐng)烴及其衍生物同分異構(gòu)體的書寫。

再如，用“先下后上、上下一致”大概念來統(tǒng)領(lǐng)方程式的計(jì)算、關(guān)系式的計(jì)算以及溶解度的計(jì)算等。

3 大概念的凝煉原則

教師的知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)素養(yǎng)不同，對化學(xué)知識認(rèn)識和理解的層級也不同，當(dāng)然對大概念的抽象和凝煉也會不同。雖然化學(xué)大概念的凝煉和表述可以有多種形式，但都要遵循一定的原則。

3.1 統(tǒng)攝性

化學(xué)大概念不是基礎(chǔ)概念，而是聚合概念。大概念就如同一個(gè)文件夾，提供了歸檔無限小概念的有序結(jié)構(gòu)或合理框架[2]。引入化學(xué)大概念，是為了將分散的化學(xué)知識進(jìn)行整合重組，以形成結(jié)構(gòu)化、精煉化和上位化的知識，所以，大概念應(yīng)該具有一定的統(tǒng)攝性。如果是超學(xué)科、跨學(xué)科的大概念，還要具有一定的哲學(xué)意義。

3.2 適宜性

化學(xué)大概念的構(gòu)建，依賴于教師對化學(xué)知識本質(zhì)內(nèi)涵的把握，以及據(jù)此形成的對學(xué)生知識理解、思維發(fā)展和能力培養(yǎng)的期待及系統(tǒng)考慮[3]。教師只有根據(jù)個(gè)人對知識內(nèi)涵的理解和橫向關(guān)聯(lián)來抽象出大概念，這樣在教學(xué)實(shí)踐中才能夠神形兼?zhèn)?、得心?yīng)手。如果只是簡單的“拿來主義”而不加以吸收內(nèi)化，就會導(dǎo)致大概念和教學(xué)內(nèi)容貌合神離、形似而神非。

抽象出來的大概念要適宜學(xué)生的思維能力，不能過高也不能過低，過低統(tǒng)領(lǐng)性不強(qiáng)，過高則會太過抽象。當(dāng)然，如果采用抽象程度較高的大概念，可以借助于次級大概念來搭建臺階，以降低大概念的抽象程度。比如，采用“類別通性、物質(zhì)特性”作為次級大概念，來降低“物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)”大概念的抽象程度。

3.3 實(shí)用性

化學(xué)大概念是整合重組化學(xué)知識的工具，是粘合劑，是化學(xué)知識的凝煉和精華，同時(shí)也是分析問題和解決問題的工具，所以，凝煉出來的化學(xué)大概念應(yīng)該體現(xiàn)其實(shí)用性。

比如，用“方程式遵循守恒原理”大概念書寫缺項(xiàng)型氧化還原反應(yīng)離子方程式，采用“一推三恒”的書寫步驟，以“酸性KMnO4氧化H2O2”為例：

（1） 一推： 根據(jù)化合價(jià)升降原理推導(dǎo)出氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物，

MnO-4+H2O2—Mn2++O2↑;

（2） 電子轉(zhuǎn)移守恒（即化合價(jià)升降相等）：

2MnO-4+5H2O2—2Mn2++5O2↑;

（3） 電荷守恒：

2MnO-4+5H2O2+6H+—2Mn2++5O2↑;

（4） 原子守恒：

2MnO-4+5H2O2+6H+2Mn2++5O2↑+8H2O。

4 大概念的建構(gòu)策略

由于化學(xué)大概念統(tǒng)攝的教學(xué)內(nèi)容分布在不同模塊、不同章節(jié)和不同課時(shí)，所以根據(jù)知識內(nèi)容出現(xiàn)的階段不同，化學(xué)大概念建構(gòu)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同。

4.1 抽象與凝煉

對于初次涉及到大概念的教學(xué)內(nèi)容，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，借助于對問題的本質(zhì)的抽象概括，然后凝煉出大概念，以建構(gòu)對大概念的初步認(rèn)知。

案例1 大概念的凝煉

[實(shí)驗(yàn)]取5mL 0.1mol·L-1 FeBr2溶液于試管中，滴加氯水5～6滴，繼續(xù)加入2mL CCl4，充分振蕩，靜置后觀察現(xiàn)象。然后取上層溶液于另一支試管中，滴加KSCN溶液，振蕩，觀察現(xiàn)象。

[實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象]靜置后溶液分層，下層為無色;上層溶液滴入KSCN溶液后變紅。

[設(shè)問]該實(shí)驗(yàn)說明了什么？

[回答]Fe2+被Cl2氧化，而Br-沒有被Cl2氧化。

[設(shè)問]Fe2+、 Br-都具有還原性，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案比較Fe2+和Br-的還原性強(qiáng)弱？

[設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)]向盛有5mL FeCl2溶液的試管中滴加幾滴KSCN溶液，振蕩，無現(xiàn)象;然后再滴加幾滴溴水，振蕩，溶液變紅。

Br2+2Fe2+2Br-+2Fe3+

根據(jù)還原劑的還原性強(qiáng)于還原產(chǎn)物的還原性，得出還原性： Fe2+>Br-。

[追問]為什么Fe2+比Br-優(yōu)先被Cl2氧化？

[分析]氧化劑Cl2要得到電子，而Fe2+和Br-都能夠失電子，由于Fe2+比Br-更容易失電子（還原性更強(qiáng)），故優(yōu)先反應(yīng)。

[抽象]失電子能力強(qiáng)的還原性粒子優(yōu)先被氧化劑氧化。

[凝煉]結(jié)合得電子能力強(qiáng)的氧化性粒子優(yōu)先被還原劑還原，可以概括凝煉出大概念： 得失電子能力強(qiáng)的粒子優(yōu)先反應(yīng)。

4.2 應(yīng)用與演繹

當(dāng)大概念涉及到的教學(xué)內(nèi)容再次出現(xiàn)時(shí)，可以應(yīng)用已經(jīng)建構(gòu)的大概念進(jìn)行演繹。

案例2 大概念的演繹

[設(shè)問]金屬Zn和Fe比較，哪種失電子能力強(qiáng)？

[回答]Zn比Fe更容易失電子。

[設(shè)問]如果用導(dǎo)線把Zn片和Fe片連接在一起，置于稀H2SO4溶液中，何種金屬優(yōu)先反應(yīng)？為什么？

[回答]Zn片優(yōu)先反應(yīng)，因?yàn)椤暗檬щ娮幽芰?qiáng)的粒子優(yōu)先反應(yīng)”。

[追問]預(yù)期實(shí)驗(yàn)會出現(xiàn)何種現(xiàn)象？反應(yīng)前后Zn片和Fe片的質(zhì)量如何變化？

[實(shí)驗(yàn)預(yù)期]Zn片會產(chǎn)生氣泡，F(xiàn)e片無現(xiàn)象;反應(yīng)前后Zn片質(zhì)量減少，F(xiàn)e片質(zhì)量不變。

[實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證]首先分別稱量Zn片和Fe片的質(zhì)量，然后用導(dǎo)線依次把Zn片、電源、電流計(jì)和Fe片連接起來，最后把Zn片和Fe片置于稀H2SO4溶液中，觀察現(xiàn)象。

電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，F(xiàn)e片產(chǎn)生氣泡，而Zn片沒氣泡。

反應(yīng)一段時(shí)間后，將Zn片和Fe片洗凈、干燥、稱量，發(fā)現(xiàn)Zn片質(zhì)量減輕，而Fe片質(zhì)量不變。

[追問]Zn片質(zhì)量減輕，而Fe片質(zhì)量不變，說明了Zn比Fe優(yōu)先反應(yīng)。但既然Fe片沒有參與反應(yīng)，那么Fe片上面的H2是怎樣產(chǎn)生的呢？Zn片反應(yīng)失去的電子又去了哪里呢？

[分析]Zn片失去的電子移動到Fe片上，溶液中的H+在Fe片上獲得電子而產(chǎn)生H2。從電流計(jì)指針的偏轉(zhuǎn)方向可以判斷電子由Zn片流向Fe片。

[強(qiáng)化]金屬Zn比Fe失電子能力強(qiáng)，Zn片作為原電池的負(fù)極，而Fe片則作為原電池正極。

4.3 歸納與總結(jié)

當(dāng)大概念統(tǒng)攝的知識內(nèi)容多次出現(xiàn)后，就可以對這些知識內(nèi)容進(jìn)行歸納總結(jié)，既可以采用樹狀分類模式，也可以采用思維導(dǎo)圖模式。通過打通不同知識內(nèi)容之間的本質(zhì)聯(lián)結(jié)路徑，以形成對大概念所統(tǒng)攝知識內(nèi)容的整體認(rèn)知與內(nèi)在聯(lián)系。

比如，原電池和電解池的放電順序，實(shí)質(zhì)上是優(yōu)先反應(yīng)順序，即得失電子能力強(qiáng)的粒子優(yōu)先反應(yīng)。具體內(nèi)在聯(lián)系總結(jié)如下：

金屬單質(zhì)的還原性強(qiáng)弱順序： Na>Al>Zn>Fe>（H）>Cu>Ag;

金屬陽離子的氧化性強(qiáng)弱順序： Na+

原電池：

（1） 還原性強(qiáng)的金屬單質(zhì)做負(fù)極;

（2） 陽離子在正極放電順序?yàn)椋?Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+。

非金屬單質(zhì)的氧化性強(qiáng)弱順序： Cl2>Br2>I2>S;

非金屬陰離子的還原性強(qiáng)弱順序： Cl-

電解池：

（1） 金屬做陽極，優(yōu)先于陰離子放電;

（2） 陽離子在陰極放電順序?yàn)椋?Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+;

（3） 陰離子在陽極放電順序?yàn)椋?S2->Br->Cl->OH-。

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