促进变化观发展的教学实践与反思

摘    要：变化观是研究物质的重要认识视角和认识思路，要发展学生的变化观，教师可从物质变化的认识视角分析教材内容，从“教”与“学”的角度分析变化观的价值，并设计探寻物质变化规律的教学目标。具体教学中，教师可引导学生基于证据合理推理以重新建构知识，分组开展实验探究以促思维走向深刻，运用“价类图”综合分析以达成对规律的深刻认识。同时，教师要注意开展实验探究引导学生自主建构观念，利用好“价类图”提升学生应用化学观念的水平，捕捉教学契机促进学生观念的螺旋进阶。

关键词：变化观；价类图；高中化学

变化观是中学化学学科的基本观念之一，是研究物质的重要认识视角和认识思路，包含物质变化（或物质转化）和能量变化两个维度。吴晗清等对中学阶段变化观的内容构成与层级进阶进行梳理，认为在高中必修阶段，“物质变化”的要求是从定性角度认识浓度、温度、催化剂影响反应速率，研究的具体反应类型是氧化还原反应和离子反应［1］。有专家指出，学科观念需要在具体的教学情境中通过对事实性知识和概念的学习而逐步形成［2］。那么，如何在教学实践中发展学生的变化观呢？下面，笔者以“探索物质变化的一般规律”为例具体探讨（注：本文的变化观聚焦于“物质变化”，并将“物质变化”与“物质转化”的含义视为相同）。

一、从物质变化的认识视角分析教材内容

人教版普通高中教科书《化学》必修第一册（以下简称“《化学》必修一”）在编写中凸显了变化观：第一章《物质及其变化》在引言部分即提出元素及其化合物的两个认识视角——物质类别和元素价态，在正文中则介绍了物质和化学反应的分类以及物质的转化（不同类别物质之间的转化、离子反应、氧化还原反应）；第二章《海水中的重要元素——钠和氯》，以不同类别物质间的转化为线索介绍钠及其化合物，以含不同价态同种元素的物质间转化为线索介绍氯及其化合物；第三章《铁  金属材料》，在“方法引导”栏目中明确指出“物质类别和元素价态是学习元素及其化合物性质的重要认识视角”，并强化它们的重要价值——预测物质的性质、设计物质间转化的途径，在“整理与提升”栏目中归纳出从物质类别和元素价态视角认识物质间的转化关系；第四章《物质结构  元素周期律》，提供了认识“物质转化”的新视角，即从“位-构-性”和微粒间作用力的角度认识物质变化。

显然，“物质变化”是该册教材的一条重要主线，随着元素化合物等事实性知识的丰富，变化观的引导和统领作用也越来越显著。

二、从“教”与“学”的角度分析变化观的价值

变化观也是化学教育教学实践的一条重要主线，在《化学》必修一的教学中，除了要关注具体物质的性质与转化，并对“方法引导”“整理与提升”等栏目进行分解细化和落实外，笔者认为还需要重视以下三个方面。

一是充分发挥“价类图”的教学功能。物质类别和元素价态是物质变化的两个重要视角，集中体现在“价类图”中。如在第三章的复习课教学中，教师普遍会运用“价类图”这个工具，但通常聚焦于其“再现、整理”的功能，而忽视“解释、预测”的功能——解释陌生化学反应事实、预测物质性质并设计物质间转化途径。教师要引导学生从物质类别和元素价态两个视角去分析、解决陌生的实际问题，发展分析、评价和创造等高阶思维。

二是用“变化规律”解决学习疑难问题。学生能初步运用氧化还原反应和离子反应原理解释、分析元素化合物的性质和变化，但对氧化还原反应和离子反应的认识还不够深入，会遇到较多的疑难问题。比如，学生熟悉氯气能与氢氧化钠溶液反应得到次氯酸钠、“84”消毒液与洁厕灵混合会产生氯气，但其感到困惑的是从氧化还原角度看，两个反应得出的氧化性强弱关系是相反的：前者是Cl2强于ClO-，后者是ClO-强于Cl2。因此，教师要引导学生基于实验事实，进一步认识氧化还原反应和离子反应的内涵，在解决学习疑难问题的过程中促进变化观的发展。

三是改变学生对化学学科的误解。由于缺乏足够的化学反应原理、物质结构等知识的支撑，又接触到诸多化学物质，高一学生在面对纷繁复杂的物质变化时很容易陷入事实堆积和机械记忆，导致其对化学学科产生误解：化学是基于经验、定性的大量化学事实的堆积。对此，教师要在教学中潜移默化地（或在某个教学契机）让学生逐渐从大量事实中抽象出物质变化的一般规律，丰富和完善对物质变化的认识视角，改变可能存在的误解。

三、设计探寻物质变化规律的教学目标

鉴于学生仅学习了《化学》必修一前三章（这三章涉及的基础概念和基本理论有物质分类、氧化还原反应和离子反应，基础知识主要有钠、氯、铁单质及其化合物的性质），笔者围绕“消毒剂的制备和使用”展开教学，并以“价类图”为主要认识工具，引导学生探讨物质变化的一般规律。据此，笔者确定这节课的教学目标，具体如下。

目标1：通过分析氯气的制备，能从反应物和反应条件的视角剖析氧化还原反应的影响因素，加深对离子反应本质的认识。

目标2：通过分析次氯酸的制备，体会物质转化的复杂性，能应用“价类图”从物质类别和价态变化的视角探究影响物质变化的因素。

目标3：通过探究四氧化三铁的制备，能运用“价类图”进行解释和预测反应的可能性，增强对物质变化一般规律的认识。

四、教学过程

（一）基于证据合理推理，重新建构知识

笔者运用“猜想-实验-结论”策略，引导学生从物质价态和反应条件的视角对熟知的具体事实性知识（实验室制备氯气的反应原理）进行再分析，使其基于证据进行合理推理，从而让已有的知识重新建构，达成对氧化还原、离子反应更加全面、深刻的认识。

【任务一】从物质价态和反应条件的视角，再探氯气的实验室制备

问题：高锰酸钾与稀盐酸的离子反应方程式：2MnO[-4]+16H++10Cl-=2Mn2++5Cl2↑+8H2O。从氧化还原角度看，MnO[-4]将Cl-氧化成Cl2。那么，常温下，能否用KMnO4固体和浓NaCl溶液反应得到Cl2？

（有学生认为可以，大部分学生不确定是否可以）

［演示实验］在试管中放入少量KMnO4固体，滴加1滴管饱和NaCl溶液，用湿润的淀粉碘化钾试纸检测，没有明显现象。

追问：如何让反应能够进行？理由是什么？

生：加入稀硫酸。滴加稀硫酸可引入氢离子，能促进反应发生。

［演示实验］继续滴加稀硫酸，发现湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝。

追问：你对上述离子反应式有什么新的认识？

生1：MnO[-4]与Cl-需要在H+的作用下才能发生反应，但是H+不一定是由盐酸提供的。

生2：MnO[-4]的氧化性或者Cl-的还原性需要在一定浓度的H+的作用下才能体现。

［师生讨论得出］影响反应发生的因素：内因——微粒种类；外因——浓度、温度、酸碱性。

设计意图：从学生熟悉的实验室制备氯气入手，引导学生从物质价态、反应条件的视角重新审视高锰酸钾与盐酸的反应原理，结合实验事实初步建构物质转化的一般规律。

（二）分组开展实验探究，促思维走向深刻

分组开展实验探究，让学生近距离感受物质变化，能有效激发学习动力，促进知识主动建构。“在滴有石蕊的次氯酸钠溶液中滴加盐酸”这一实验看似简单，实际上，其中既含有复分解反应，也含有氧化还原反应，体现了化学反应中的竞争性，能很好地引发学生主动思考、主动提问，教师再恰到好处地给予点拨和引领，可让学生的思维走向深刻。

【任务二】从物质类别和价态变化的视角，探究获取次氯酸的路径

［展示］某品牌“84”消毒液的使用说明书（浸泡后清洗，持续作用时间20分钟）。

问题：次氯酸钠与空气中的二氧化碳缓慢反应，能持续产生次氯酸（20分钟）。若某特定场合需要在短时间内获得高浓度的次氯酸，那么要如何操作？

［分组实验］在三支试管中分别滴加2滴管0.1 mol/L次氯酸钠溶液和3滴紫色石蕊试液：①号试管作为对照组；在②号试管中伸入吸管至液面下，手握吸管上端口，轻轻吹气；在③号试管中滴加2滴稀盐酸，用镊子夹住湿润的淀粉碘化钾试纸，放在③号试管口。现象为三支试管均呈蓝色，说明次氯酸钠溶液呈碱性，不同的是：①号试管短时间内没有褪色；②号试管用吸管吹气后，逐渐褪色；③号试管中滴加2滴稀盐酸后，马上褪色，湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝。

（学生敏锐地认识到③号试管内盐酸和次氯酸钠反应时，次氯酸和氯气是同时产生的，二者存在竞争）

问题：根据前面的分析，请解释为什么氯气和水的反应不能彻底进行。

生：随着氯气和水反应的发生，HClO、Cl-、H+的浓度逐渐增大，又会重新生成Cl2，因此氯气和水的反应不能彻底进行。

追问：对比HClO+Cl-+H+=H2O+Cl2↑、Cl2+2OH-=ClO-+Cl-+H2O这两个反应，你有什么发现？

生：这两个反应分别是归中和歧化反应，溶液的酸碱性决定了反应方向。

（学生完成氯及其化合物的“价类图”）

设计意图：这个实验能很好地激发学生思考，帮助学生强化酸碱性对氧化还原反应的影响（可能改变反应的方向），使其初步认识到化学反应中的竞争性（次氯酸钠溶液与盐酸的反应），加深对可逆反应的认识。同时，它还能体现“价类图”解释说明的功能。

（三）运用“价类图”综合分析，达成对规律的深刻认识

经过前面两个任务，学生已经能初步运用“价类图”，对物质变化的一般规律形成了一定的认识模型（内因：微粒种类；外因：浓度、温度、酸碱性），所以任务三指向运用模型探寻获取新物质可能的途径。

【任务三】运用“价类图”综合分析获取新物质的可能途径

问题：根据铁及其化合物的“价类图”（图略），讨论制备四氧化三铁可能的路径。

生：有四种方案：用H2或CO将Fe2O3部分还原；用O2将FeO部分氧化；将Fe（OH）2和Fe（OH）3混合后加热分解；Fe（OH）2部分氧化后加热分解。

（教师给出文献，佐证学生观点。此时有学生提出，不如直接将含有Fe3+、Fe2+的溶液与碱液混合，这样更方便）

追问：你推理的依据是什么？

生：Fe3O4在酸性条件下得到含有Fe3+、Fe2+的溶液，根据氯的“价类图”，类似于Cl2、HClO、Cl-的转化关系，那么将含有Fe3+、Fe2+的溶液与碱液混合，有可能得到Fe3O4。

［演示实验］将FeCl3固体和FeSO4晶体（质量比约为1∶2）溶于约90 ℃的热水中，倒入一定量的饱和NaOH溶液，迅速搅拌得到黑色悬浊液。将强力吸铁石放在烧杯底部，约1分钟后，上层逐渐澄清，下层出现大量黑色固体。将吸铁石放在烧杯侧面向上移动，黑色固体随之向上涌动。

师：这是共沉淀法，基本原理是：2Fe3++Fe2++8OH-=Fe3O4↓+ 4H2O。这是目前制备Fe3O4纳米粒子最普遍的方法。

［师生总结］影响反应发生的内因是微粒自身的性质（氧化性、还原性、酸性和碱性），外因有浓度、温度、酸碱性。

师：上述归纳都是定性分析，我们还可以进行定量分析，比如“电离平衡常数”可以定量描述不同酸的酸性强弱，“标准电极电势”可以定量描述不同微粒氧化性或还原性的强弱。这样，科学家可以精准选择反应物，控制反应条件，让反应向希望的方向发生。

设计意图：在制备Fe3O4的路径分析中，引导学生自觉地运用“价类图”进行常规性的预测（将亚铁部分氧化、将三价铁部分还原），并将氯元素间的相互转化关系迁移应用到铁元素，“创造性”地提出新的制备路径（将亚铁和三价铁离子在强碱性环境中直接混合），使学生达成对物质转化一般规律的深刻认识。其中，实验和文献资料证实了学生的创新设想，使学生的课堂学习热情高涨，而教师恰当的补充又让学生对物质转化规律的认识从定性进入定量，为后续学习作了很好的铺垫。