基于化学学科核心素养的深度学习

董鸿志

摘   要：化学反应方程式既反映了一个化学结果，又隐含着形成这个化学结果的认识方式和推理路径，以及将这种认识思路和推理逻辑进行拓展应用的基本方法。从知识到观念、从定性到定量、从孤立到系统、从方法到素养开展的针对化学反应方程式的深度学习，构建了无机化学反应方程式认知模型，如此可深化学生对化学反应的系统化认识，进而可提升其化学学科核心素养。

关键词：高中化学;化学反应方程式;深度学习;化学学科核心素养

中图分类号：G633.8    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2021）11-0030-05

一、问题的提出

化学是在原子、分子的水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号的形式描述物质，在不同的层面创造物质。化学反应方程式就是一种重要的符号形式，它是化学反应宏观变化与微观本质的符号化表征。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）提出发展学生“宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度和社会责任”化学学科核心素养，并将“化学知识与技能的学习、化学思想观念的建构、科学探究与问题解决能力的发展、创新意识和社会责任感的形成等多方面的要求融为一体”，这使得化学反应方程式的学习不能仅仅停留在简单记忆、重复训练的浅层次学习上，而应转向发展学生对化学反应系统化认识的深度学习上。

二、化学反应方程式深度学习的内涵

化学反应方程式的深度学习，是基于化学学科核心素养，以发展学生高阶化学思维为目标的学习。通过对化学反应各个角度进行分析、反思、整合、迁移，完成对物质性质的理解、关联、论证、解释、预测，帮助学生形成结构化的认知模型。如此可使学生在面对陌生的物质时，能够运用认知模型对物质的性质进行复杂推理和系统探究，并能提出创造性方案以解决实际问题，由此可不断提升学生的化学学科核心素养。

化学反应方程式体现了物质的变化过程及变化结果，从微观上揭示反应的本质，定量表达物质间反应的数量关系，隐含着物质间的变化规律和进行证据推理的方法。化学反应方程式的深度学习，旨在从微粒变化、定量关系、原理规律、实证检验等角度，使学生建立宏微观念、变化平衡的思想，并在科学探究中获取分析、预测化学反应的判据，由此可激发学生进行创新实验的意识，并能在对不同化学反应的深入研究中自我建构化学反应方程式的认知模型（如图1所示）。如此可指导学生进行新化学反应的学习，并使其能以科学的态度和社会责任运用化学反应解决真实的问题。

三、化学反应方程式深度学习的策略

（一）从知识到观念，深度剖析化学反应方程式的微粒变化本质，如此可发展学生宏观辨识与微观探析的核心素养

化学反应方程式是宏观变化、微观本质和符号表征的结合体，蕴含了微粒观、元素观、分类观、转化观、宏微结合、结构决定性质、动态平衡等诸多化学核心观念和思想。深度学习化学反应方程式，要通过显性的化学知识，抽象出隐含的观念和方法，以此使学生学会从化学的视角对知识进行思维加工，并在零散、具体、孤立的知识中，借助核心观念的指导，深刻感知物质及其变化的微观本质，由此可逐步形成化学核心观念，发展宏观辨识与微观探析化学学科核心素养。

1.利用特殊反应，树立微粒观。在高一，学生的认知层次停留在物质水平，在离子方程式的教学中运用的“写、拆、删、查”书写步骤虽然顺应了学生的认知发展规律，但束缚了学生直接从微粒的视角认识反应，同时也给学生准确把握反应的微观变化实质带来了障碍。

“向Na2SO3溶液中通入氯气”是一个很好的从微粒看反应的素材。学生按照先物质后微粒的思维模式，运用氧化还原反应规律书写出了该化学反应方程式：Na2SO3+Cl2—Na2SO4+2NaCl，发现无法配平。此时，教师可引导学生从微粒观出发，找到参加反应的微粒，直接写出微粒的变化：SO32-+Cl2—SO42-+2Cl-，然后根据电荷守恒可写出SO32-+Cl2+H2O=SO42-+2Cl-+2H+，由此再倒推化学反应方程式应写为Na2SO3+Cl2+H2O=Na2SO4+2HCl或Na2SO3+Cl2+H2O=H2SO4+2NaCl，不论哪种形式，产物都是全电离，实质相同。至此，学生的思维豁然开朗，自觉在认识中同化了微粒观，开启了从微观视角分析反应过程中微粒行为的深度学习模式。

2.分析反应过程，幫助学生树立变化观。例如将CO2通入澄清的石灰水实验，在通入CO2的过程中会发生不同的反应，会先生成CaCO3，继而生成Ca（HCO3）2。从微观看哪些微粒在发生变化？如何变化？（1）写出反应的离子方程式。（2）判断参加反应的微粒。（3）当CO2不足时，为什么不能生成Ca（HCO3）2？（4）将CO2通入Ca（OH）2、KOH的混合溶液中会依次发生哪些变化？对应的现象是什么？这几个问题可引导学生在初中所学知识的基础上深入探究将CO2通入澄清石灰水的反应过程，如此可使学生对各微粒在反应的不同阶段发生的变化有深刻的认识，进而对化学反应的认识从静态的结果上升到动态的变化，由此可使学生体会到化学反应中蕴含的变化发展的核心观念。

3.重视物质的分类，帮助学生强化元素观、分类观。常见无机化合物主题下的物质都是以元素为核心，基于化学反应的元素及分类特征，从单质到氢化物，再到氧化物、酸（或碱）、盐，由点到线、由线到面，推出典型化学反应的。深度解析同一元素在不同类别物质中的化学反应以及不同元素在同类物质中的化学反应，可牢固树立学生的元素观、分类观，如此化学反应方程式的学习才能举一反三，触类旁通。例如在“钠及其化合物”的学习中，可以Na2O为例学习碱性氧化物的性质;以NaOH为例学习碱的性质;以Na2CO3、NaHCO3为例学习盐的性质;以元素、物质的类别两条主线认识物质组成、存在、性质的多样性与有序性，学习利用实验证据和思维推理形成分析预判化学反应的基本方法，由此可迅速提升学生对化学反应的认知水平以及用化学反应方程式表达化学反应的水平。

（二）从定性到定量，深度理解化学反应方程式的计量变化，体会化学反应中的各种变化，根植变化观念和平衡思想

化学反应方程式中的化学计量数，不仅仅是质量守恒定律的体现，也是物质的结构特征、物质的性质强弱、反应物用量多少等的体现。深度理解化学反应方程式的计量变化，完成从定性到定量的深层次思维跨越，是提升学生化学反应认知水平的重要环节。

1.从物质的结构特征认识化学计量数。基于定性，学生往往只关注哪些微粒参与了反应，而不注重物质结构中微粒之间的数量关系，Ba（OH）2与H2SO4反应，就是典型的例子。阴阳离子的个数比是确定化学计量数的关键所在，这个反应方程式是引发学生思维从定性走向定量的起点，由此可开展以下几个化学反应方程式的分析：向Ca（OH）2溶液中滴加Ca（HCO3）2溶液，向Ba（OH）2溶液中滴加NaHSO4溶液至完全沉淀，向Ba（OH）2溶液中滴加NaHSO4溶液至溶液呈中性，向Ca（OH）2溶液中加入少量的NaHCO3溶液，向Ca（OH）2溶液中加入过量的NaHCO3溶液。通过深度学习上述化学反应方程式，可使学生深植定量观念，进而奠定定量认识化学反应的基础。

2.从微粒的性质强弱认识化学计量数。在存在竞争反应的复杂体系中，微粒的性质强弱不同，微粒之间发生反应的先后顺序及数量关系不同，会导致化学反应方程式的不同。

例如向FeBr2溶液中通入氯气，由于Fe2+与Br-的还原性不同，因此随着Cl2通入量的不同，会依次发生以下反应2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-和2Br-+Cl2=Br2+2Cl-。当2Br-+Cl2=Br2+2Cl-的反应开始发生后，就要考虑反应的Br-与Fe2+的定量关系，由此确定方程式中Fe2+、Br-、Cl2三者的化学计量数。此时化学反应的计量关系必须考虑微粒性质的强弱，同时还要探究竞争反应的先后顺序与反应物性质之间的关系，如此才能科学认识化学反应的复杂性和规律性。通过深度学习以上内容，可使学生逐步掌握确定化学反应方程式中数量关系的合理路径，进而可实现思维的进阶。

3.从数学函数关系认识化学计量数。将Fe投入稀硝酸中，其可被稀硝酸氧化为Fe3+，发生反应Fe+4H++NO3-=Fe3++NO2↑+2H2O，向其中继续加入铁粉，会发生Fe+2Fe3+=3Fe2+，这种情况的发生既和反应进程有关，又和反应能力有关。即当第二个反应发生时，原来已生成的产物也会随之发生变化。这对学生的定量思维要求更高，如果能建立反应物用量与生成物多少的数学函数关系，并画出相应的函数关系图，无疑会深化学生对化学反应中化学计量数的认识。类似的还有向Na2CO3溶液中滴加盐酸、将CO2通入澄清的石灰水、向明矾溶液中滴加Ba（OH）2溶液等，这些都可以通过画图，深化数学关系。

对数学关系的认识，是思维深度加工的结果。这给了学生解决复杂定量关系的思路，使学生能够深刻理解反应物的用量、反应进程和生成物之间的定量关系。

（三）从孤立到系统，深度认识化学反应方程式中的原理规律，并自觉运用证据推理与模型认知等方法

在高中化学必修课程中仅涉及了几种元素，化学反应的实例也很有限，提供的个例也是孤立的。所以若想仅凭此使学生掌握系统的、有联系的物质整体通性，就必须要让学生在化学反应方程式的学习中进行深度思考，并完善分析、预测化学反应的思维角度与思维方式，构建其与基本元素、常见物质知识匹配的化学原理和规律，并不断同化相关化学反应，修正认知模型，如此才能使化学反应方程式的学习更加系统有序，使学生在面对陌生情境下的新物质时，能及时调用相关原理和规律，运用认知模型，迅速完成对新化学反应的解读。

1.从复分解反应、氧化还原反应的角度认识反应规律。《课标》明确提出：“能从物质类别、元素价态的角度，依据复分解反应和氧化还原反应原理，预测物质的化学性质和变化”。也就是说，复分解反应和氧化还原反应是我们认识物质性质的两个重要角度。因此每个化学反应的个例，都要纳入物质类别和氧化还原反应的原理体系中，并根据同类物质氧化还原性质的相似性和差异性，以及化学反应的原理和规律，建立起整个化学反应系统，由此可构建结构化的知识体系和化学认知模型。

钠元素是学习复分解反应规律的良好载体，所以在钠元素化学反应方程式的学习中应重点掌握复分解反应的原理和规律。铁元素、氯元素在反应中有价态变化，但是相對简单，所以相应的化学反应方程式的学习应重点关注氧化还原反应的原理和规律。硫元素、氮元素所涉及的物质类别多、元素价态多，是两种反应原理和规律的整合，因此每种物质的学习都是复分解反应和氧化还原反应原理、规律的综合应用。例如SO2的学习，从酸性氧化物的角度来看，可把初中学习的CO2上升到SO2、酸性氧化物、同价态的含氧酸及其盐的相互转化系统的学习。从元素化合价的角度来看，借助SO2的还原性和氧化性，可构建起SO2与其他价态含硫物质的相互转化系统。同时在学习中这还能使学生体验从物质类别和氧化还原的角度研究化学反应的思维方法和逻辑推理路径，并在后续硫酸、硝酸等物质的学习中反复强化，如此可使学生建立起含有同种元素的不同物质的化学反应转化系统，进而可使化学反应的学习更加系统化、结构化。

2.从元素周期律（表）的角度认识反应规律。若要在不同元素的化学反应转化系统之间建立立体纵向的联系，就需要从元素周期律（表）的角度对各元素的性质进行比较分析，以认识相关反应规律。

碱金属、卤族元素、第三周期元素的性质是进行该项学习的典型个例，每个化学反应都是同主族、同周期元素性质相似性与递变性的良好例子，即这不仅仅是一个反应，更是一类反应的代表。由此可建立起同主族、同周期元素间的相互转化关系，进而可形成元素化合物的立体交叉化学反应系统。当化学反应完成了由孤立向系统的转化后，化学反应规律就会纵横于各个反应之间，为学生认识新物质提供有力保障，如此一来创新之路也就有了理论支撑。

（四）从方法到素养，在科学探究中深度内化化学反应方程式的认知模型，由此可树立学生的科学态度与社会责任感

所学化学反应方程式的增多，必然会使得学生建立一套正确书写化学反应方程式的技巧和方法，但是仅有技巧和方法，没有深度理解化学反应的本质，还是应对不了复杂情境下多变的化学反应。因此在学习过程中更为重要的是要让学生深度体验化学反应的研究过程，并深度思考、认识化学反应的角度、深度，然后形成并内化为自己的認知模型，把程序化的方法技巧与原理规律相结合，如此才能逐步提高学生解决问题的关键能力，进而从根本上发展学生的化学学科核心素养。

1.科学探究凝练认知模型。化学反应是科学探究的载体，化学反应方程式是科学探究的成果展示。在无机物性质的学习中，科学探究就是运用已有的化学反应规律，对未知反应进行预测、求证、判别的过程，而化学反应方程式则是对上述整个过程所得到结论的具体呈现。

对化学反应的探究一般会思考以下问题：“我要研究该物质的什么性质（从物质类别的角度、氧化还原的角度分析）？具备这种性质有没有可能（物质在化学反应系统中的定位、类比、预测）？如果有可能，强弱如何（参照物的选择）？选择什么试剂完成反应（对试剂性质的判断）？可能出现什么现象（对产物的预判）？未出现预判的现象，原因是什么（对反应原理、反应条件、实验操作等的反思）？如何以化学反应方程式呈现探究的结果（宏观、微观、符号三重表征的统一）？”

在科学探究中运用证据推理，可建立问题与结果之间的逻辑关系。思考该采取怎样的操作;如何控制条件以发生期待的反应，并减少干扰反应使现象更明显;实验结果如何精细化、准确化、定量化。这样可使学生在探究中体验认知模型，在认知模型的指导下设计科学探究。还能使学生在学习化学知识的同时，掌握化学学习的认识视角，进而建立起思考和处理问题的对策和模式。

2.联想迁移发展认知模型。联想迁移是从个例到一般、从已知到未知的推理过程，其不仅要注重表面规律，更要挖掘内在联系，澄清概念、原理，然后在迁移中辨析认知模型的适用条件，并不断对其进行校验与修正，如此可增强学生的思辨意识，使其能正确运用联想迁移中的证据推理逻辑发展认识思路，进而可以此完善化学反应方程式的认知模型。

初中学习了“氢气还原氧化铜”的实验，学生可以将其类比迁移到氢气还原氧化铁，思考如果迁移到另一类物质，应该满足什么条件呢？金属冶炼、粗硅提纯给了我们很好的启发，抓住这两个点，与学生一起分析氢气性质的强弱及反应所需的条件，可使学生体会联想迁移过程中思维的发散与收敛，进而可使学生掌握预测新化学反应（如氢气能否还原氯化铁）的基本原则和指向，发展已有的化学反应方程式认知模型。

3.在问题解决中强化认知模型。认知模型的形成与发展离不开问题解决中的自我体验。化学反应方程式就是对一个个化学问题的圆满解释，化学反应离不开化学问题，化学问题的每一次解决，都是对化学反应方程式认知模型的运用和强化，尤其是真实情境下的复杂化学问题，例如对84消毒剂的探究、酸雨的形成与防治等。在任务的驱动下，解决问题的过程更具有目的性和实用性，也增强了化学反应的亲和性，使学生的思维更靠近反应，也更能体现认知模型在解决问题中的关键作用。如此一来学生也愿意投入更多的精力，结合生活、科技实际，去体验解决问题的思维过程，在化学反应的宏观现象中探索揭示微观本质的路径，去悟得认知模型，强化认知模型，并真正将认知模型纳入自己的知识与智慧体系，如此可提升学生的化学学科核心素养。

化学反应方程式不仅仅是符号，而是对化学反应高度科学的概括。深度学习化学反应方程式，有利于学生在深度反思、评价、整合中完成思维的进阶和化学反应方程式认知模型的构建，也为完善学生化学反应的认知体系，推动元素化合物知识学习的系统化、结构化，综合贯通知识、能力和核心素养奠定了坚实的基础。

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