中学化学中元素化合物知识的教学策略

中学化学中元素化合物知识的教学策略

一、目前我国我国元素化合物知识教学存在的问题元素化合物知识在知识类别中属于实用知识和表现知识，是中学化学教育内容的重要组成部分，约占中学化学教育的60%。成功的元素化合物知识的教学对提高中学化学教学质量具有极为重要的意义。元素化合物知识本身具有庞杂、琐碎的特点,需要记忆的内容较多,而且容易混淆。因此元素化合物知识成为化学教学的难点之一,也成为影响学生化学学习兴趣的重要因素。目前一线教师进行元素化合物知识教学的基本思路一般是抓住某一具体的元素化合物,引导学生从物质的组成、性质、制备、用途等方面进行系统全面的学习。在这种教学思路模式下,学生在短期内对学习的具体元素化合物都能掌握得比较好,但这种教学也存在以下几个较为突出的问题:其一,在有限的教学时间里,学生只能掌握几种有限的具体元素化合物,很难自主地将掌握的这些有限的具体知识由点串成线、扩成面,这无疑扩大了教学时间与教学内容的固有矛盾;其二,学生按照组成、性质、制备、用途的线性思路孤立地学习几种元素化合物,难以形成系统认识,很容易产生遗忘,导致所学知识拓展性和迁移性功能较弱;其三,学生无法自动形成自主研究陌生元素化合物的一般思路和方法,造成此方面的学科能力欠缺。这些问题与新课程的基本要求———为学生未来的发展打下良好的基础是不吻合的。元素化合物知识教学的重心究竟应该是什么?是牢固地让学生记住物质的组成、性质、制法、用途?还是具有其他的更重要的发展功能?如何充分挖掘这类知识的教学功能价值?如何克服元素化合物知识教学的瓶颈问题,实现元素化合物知识的教学价值?这是元素化合物知识教学研究需要解决的一系列问题。二、基础和核心地位元素化合物知识是构成中学化学知识的基础和骨架,甚至被人称为“真正意义上的化学”。新的化学课程体系中元素化合物知识仍处于基础和核心的地位。对元素化合物知识功能价值的深入认识,是明确教学目标、提高其教学效果的前提。关于元素化合物知识的功能价值,大多数教师和研究者比较注重其促进学生知识量增长的价值,我们不否认,元素化合物知识本身是学生知识体系中非常重要的一类知识。这里我们主要基于“以学生发展为本”的基本理念,讨论元素化合物知识在构建学生本学科知识体系以外的促进学生发展的价值。(一)元素化合物与社会和环境STSE是科学(science)、技术(technology)、社会(society)、环境(environment)的英文缩写。我国《普通高中化学课程标准(实验)》在课程理念中提出:“从学生已有的经验和将要经历的社会生活实际出发,帮助学生认识化学与人类生活的密切关系,关注人类面临的与化学相关的社会问题,培养学生的社会责任感、参与意识和决策能力。”(2)因此高中化学教学中STSE教育备受重视和关注。元素化合物中包含有众多与科学、技术、社会、环境密切相关的内容。如制造飞机外壳的铝合金、新型贮氢合金材料、光导纤维、玻璃钢、隐性材料等都是现代科学领域中关于元素化合物研究的成果;硫酸工业、硅酸盐工业、合成氨工业等工业生产中的包含着这些化合物工业生产中技术知识;生命中的营养素、奥运会美丽的焰火晚会、生活中各类无机盐(氯化钠、碳酸氢钠、碳酸钙)等都体现了元素化合物与人类生活的密切联系。另外,随着当今环境问题的凸显,中学化学教学中也开始重视环境教育,如与硫和氮的氧化物密切相关的酸雨及其防治问题、空气质量问题,与碳酸氢钙和碳酸氢镁有关的硬水软化问题,等等。因此,元素化合物知识的学习,能够为现代生活、学习、生产和科研提供必需的基础知识,对于落实STSE教育,引导学生关注与化学有关的社会热点问题,能够帮助学生对与化学有关的社会和生活问题作出合理的判断,逐步形成可持续发展的思想,具有重要意义。学习和掌握必要的元素化合物知识,已经成为现代公民必备的科学素养的重要组成部分。(二)注重化学基本概念和基础理论的理解在知识经济时代,学习者必须具有对复杂概念和理论更深层次的理解。当学生对概念获得更深层次的理解时,他们就会以一种更加实用而且深刻的方式来学习相关知识,并能将所学知识迁移至真实情境,从而产生创造和创新。一般说来,化学基本概念和基础理论的知识生长点都是元素化合物知识。事实上,化学基本概念和基础理论往往是物质及其变化规律的高度概括。化学教学中涉及的元素化合物知识,很多并不是为了单纯地扩展学生元素化合物知识的广度,而是为了帮助学生构建形成和深化理解化学基本概念和基础理论。例如,教学中讲水的电解实验,其目的不是让学生了解水能发生电解,生成氧气和氢气,真正的目的是让学生通过水的电解产物,了解水是由氢元素和氧元素组成的,渗透元素的概念。另外,即使是单纯的元素化合物知识的学习,也经常需要基本概念和基本理论的指导,特别是在中学化学学习的高级阶段,即元素化合物知识的学习过程经常就是化学基本概念和基本理论应用过程。如学生学习氧化还原的基本理论后,再学习元素化合物知识时,就经常基于元素化合价的变化预测学习重要元素化合物的性质。这样在应用的过程中,可以有效地帮助学生加深对概念原理的理解,使概念原理更具有活性和功能性,提升学生的理论素养,从而为学生的迁移能力的培养奠定基础。(三)化学探究能力是概念学科的核心学科培养和提高学生的学科能力是各学科教学的核心任务。综观世界各国科学课程标准以及国际上有重要影响的三大评价(PISA、TIMSS和NAEP),我们可以得出,目前科学教育的核心能力是科学探究能力,因此,化学学科的核心学科能力是化学探究能力。我们知道,能力并非是各类知识的简单加和,而是在一系列活动中形成的,并且与学生的主动建构、反思内化和实践应用密不可分。这就要在教学中设计相应的学生活动,让学生在活动中实现知识向能力的转化。具体来说,化学探究活动包括:研究物质的性质、物质的制备、物质的分离与提纯、物质的检验、物质的组成与结构、物质变化的规律等。这一系列学生活动中,大部分都基于元素化合物知识的学习与应用。如在学习“硫及其化合物”的性质时,学生就需要进行研究物质性质的有关活动,从而掌握研究物质性质的一般思路和方法,形成研究物质性质的基本能力。三、教学策略多变性不同研究者对教学策略有不同理解,这里我们主要借鉴张大均教授的观点。教学策略是教学设计的有机组成部分,是在特定教学情境中为实现教学目标和适应学生学习的需要而采取的教学行为方式或教学活动方式。教学策略包括对教学过程、内容的安排,教学方法、步骤、组织形式的选择。由于这些因素的组合方式多种多样,决定了教学策略的复杂多变性。教学策略是否有效,通常以能否实现教学目标和保持学习者的学习积极性为主要标志。基于以上对教学策略内涵的理解,根据元素化合物知识的价值和特点以及不同学段学生的学情分析,我们构建了以下两种元素化合物知识的教学策略。(一)物质的性质的预测和分析基于具体物质的元素化合物知识教学是指在教学过程中,选择最基础、重要、核心的某些代表性元素化合物进行重点学习。其基本过程如图1所示。这一教学策略运用过程中,有两个环节非常重要。其一是预测物质可能具有的性质。此环节要给学生充分发散思维的空间,鼓励学生基于已有的知识经验进行大胆预测。这里的基于已有知识经验既包括类比已学习过的元素化合物,也包括运用某些概念原理的指导。初中阶段元素化合物知识的性质预测主要是基于以学习过的类似的元素化合物性质,如学习过二氧化碳后,遇到二氧化硫,能够类比二氧化碳的性质,预测二氧化硫与水反应生成一种酸。如在学习金属的化学性质时,可以基于生活经验,铁因为被氧化而生锈以及已有知识镁在氧气中燃烧等,预测金属能够跟氧气发生反应。初中阶段由于学生的已有知识经验水平较低,因此其预测的局限性较大,开放度、角度多由教师辅助完成。高中阶段由于学生已经掌握了相对较多的代表性较强的元素化合物,已经具备了较为丰富的元素化合物知识基础,并且已经学习了关于物质分类和氧化还原的相关知识,学生预测物质的性质时可以充分利用这些相关的概念原理以及其他的相关知识经验,探究的开放性程度较大。这对于深化相关概念原理的认识以及建立元素化合物知识之间的关系,具有重要意义。因此高中阶段这一环节应该从对具体物质性质的预测,扩展到对某一元素性质的预测,如+4价的硫元素一般同时具有氧化性和还原性。另外,总结研究物质性质的思路方法也是本策略的重要环节。这一环节是帮助学生基于具体元素化合物知识学习,形成自主研究陌生物质的能力的重要环节。教师在教学过程中,要让学生自己反思总结,并在此基础上,通过板书、PPT等进一步显化。这种教学策略,充分利用了学生的已有知识经验,完成了一个相对完整的科学探究,因此学生一般都能比较深刻地理解和掌握核心代表元素化合物的性质,其在预测物质的性质环节,也经常需要用到已有的基本概念理论,因此,在深化概念原理的认识方面也有积极效果,而且也能够掌握研究物质性质的思路方法。但是,这种教学策略是基于核心的具体物质展开学习,因此其中学生对于元素化合物知识的掌握一般都是点式、单向、线性的,也就是说,学生能够掌握核心代表物的有关性质,从重点研究的代表物出发,知道该代表物能够发生哪些化学反应,生成了哪些物质,但从其他物质转化生成该代表物的掌握有一定困难,较难认识到相关物质之间的联系和转化关系,在形成有关物质的系统化、结构化的认识方面有一定的欠缺。(二)核心物质间的转化元素化合物知识教学的另外一种教学策略是基于转化的元素化合物知识的教学策略。一般是给出一个较为具体的转化任务,让学生运用物质类别和氧化还原的知识设计转化路径,并实现转化方案。由于物质的化学性质一般都是在转化过程中体现出来的,因此可以引导学生反思转化过程,总结掌握一系列相关物质的性质。这种教学策略的基本过程如图2所示。首先,基于转化学习元素化合物知识事实上是基于整体学习元素化合物。一般来说,某一类元素化合物(如“硫及其化合物”)中涉及的转化都是一个转化系列,而且转化有相互关系,可以从一种物质转化成另一种物质,也可以反过来,从另一种物质转化成该物质。如-2价、0价、+4价、+6价含硫物质之间的相互转化。这种教学的课堂容量要更大一些。学生在完成转化任务的过程中,能够逐渐形成对这一系列相关知识的认识和理解,而且转化过程的设计也是基于物质类别和化合价两种视角的,因此其认识过程是有序的,认识思路是有逻辑的。故这种教学容易帮助学生形成系统化、结构化的认识。另外,这种教学策略突出了转化思想,加深了学生对转化观的理解。《普通高中化学课程标准》中明确提出了要求学生掌握“转化”的基本要求:“以海水、金属矿物等自然资源的综合利用为例,了解化学方法在实现物质间转化中的作用。认识化学在自然资源综合利用方面的重要价值。”(13)这实际上是要求学生能够在真实复杂的场景中,具备实现物质间转化的能力。要达到这一目标要求,需要从简单的转化任务开始,逐渐渗透训练。最后,这种教学策略也兼顾了核心物质性质的落实,基本路径是从转化到性质。在实际操作时,不能在完成转化任务的同时抽提性质,否则物质的性质容易因为转化任务的存在被弱化。应该把核心元素化合物的性质放在转化任务完成之后,通过反思转化过程,再次深入研究、认识和总结核心元素化合物的性质。这种教学策略适合高中阶段元素化合物的学习,其对元素化合物知识教学价值的实现具有积极作用。但是这种教学策略对于初中生不适合,另外对学习水平相对较弱的学生群体,开始使用也有一定的困难,可以小步子渗透,慢慢放开。四、设计两节课,获取硫及其化合物的知识和技能这里我们以“硫及其化合物”为例,对两种教学策略的应用进行了实证研究。“硫及其化合物”位于高中学段,学生已经具备了较为丰富的概念原理知识和元素化合物知识,因此两种策略都适用。本内容学习的价值主要体现在研究物质性质的能力的发展、物质转化观的培养以及相关具体元素化合物知识的掌握。“硫及其化合物”本身也承载着重要的STSE教育的功能,但不是本课时的核心目标,故在实证研究中不予以重点关注。我们根据两种教学策略的指导思想,设计了两节课,并分别在回民学校两个平行班(A班和B班)进行教学。两节课设计思路简要介绍见下表。两种策略的教学效果分析:为了分析两种教学策略的教学效果情况,我们对A、B两班的学生进行了问卷调查。我们主要从以下四个方面对本次教学实施的教学效果进行分析。(一)学生对二氧化硫性质的掌从情况对比由于基于转化的教学中,教师需要重点呈现转化的过程,因此有人担心会对物质性质的落实有影响。问卷调查结果是:A班平均分是17.0分,B班平均分是18.7分,总分是20分,两个班学生对二氧化硫性质的掌握情况都非常理想。B班表现略好于A班,但经显著性检验,两个班后测时,对与二氧化硫性质的掌握情况并不存在显著差异(Sig=0.066)。(二)不同班级学生研究有效但差异不大、前后测差异大的学生很普遍帮助学生建立同时从物质类别和物质核心元素化合价两个角度预测研究陌生物质的性质的视角,是我们本次课的一个重要任务。我们在前后测问卷中分别给学生提出了一个陌生的物质,要求学生预测其可能具有的性质,并写出依据。经过前后测对比分析,我们发现两个班的学生在研究陌生物质角度方面明显有了很大提高。几乎所有的学生都掌握了同时从物质类别和物质核心元素化合价两个角度预测和研究物质性质的基本思路和方法。每个班的前后测都存在显著差异,A、B两个班的后测没有差异。统计结果如下表所示。(三)a和b班学生转化执作能力的能力这里我们主要通过要求学生实现价态转化以及给学生一个具体的化学反应,看学生是否能从物质转化的视角来看此反应。前测中A班和B班的学生基本上都只能写出以前学习过的具体反应,主动选择氧化剂(或还原剂)实现某元素不同价态转化的能力非常弱。而后测中两个班的学生在主动选择氧化剂(或还原剂)实现某元素不同价态的转化方面有了明显提高,而且B班学生这方面的能力明显比A班学生高。具体的统计结果如下表所示。两个班后测中表现出来的关于物质转化的思想形成情况存在显著差异,其中B班的同学(6.83)明显强于A班的同学(4.91)(Sig=0.0004)。五、结论和结论根据我们的理论分析和实践研究,我们得出了以下结论与启示。(一)化学成分与教学目标元素化合物知识的教学本身就不应该再仅限于给学生不断补充物质的组成、结构、性质、制备和应用等事实性知识,而应该重视元素化合物知识提升学生理论素养、培养和提高学生的化学学科能力以及促进STSE教育的功能。这实际上是元素化合物知识的知识价值、能力价值和情感价值的体现。不同的元素化合物知识教学都应该重视知识的多重价值挖掘,并基于价值分析,明确教学目标,这对于教