武超 付陽 李玉珍

摘要：元素化合價一直是初中化學(xué)教學(xué)的一個難點(diǎn)?；蟽r概念的抽象性、學(xué)生原有認(rèn)知的干擾性和教師教學(xué)的機(jī)械性，是學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價面臨的三重障礙。在分析三重障礙原因的基礎(chǔ)上，從學(xué)生認(rèn)知的角度出發(fā)，針對性地提出具體的教學(xué)建議，希望對元素化合價教學(xué)有所啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué);元素化合價：教學(xué)難點(diǎn)

文章編號：1008-0546（2019）05-0002-04

中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.001

化合價是初中生學(xué)會正確書寫物質(zhì)化學(xué)式的關(guān)鍵，也是高中生學(xué)習(xí)氧化還原反應(yīng)的重要基石?；瘜W(xué)式作為特殊的化學(xué)用語，不單單是幾個符號或者符號的簡單組合，更是在符號水平上聯(lián)系宏觀化學(xué)現(xiàn)象和微觀物質(zhì)構(gòu)成的橋梁。根據(jù)化合價書寫物質(zhì)的化學(xué)式是初中生書寫物質(zhì)化學(xué)式的基本方法，然而有相當(dāng)一部分學(xué)生因?yàn)椴荒芾斫饣蟽r，對化學(xué)式的書寫深感困難而失去學(xué)習(xí)興趣。究其原因，是初中生未能突破造成化合價學(xué)習(xí)困難的三重障礙，即化合價概念的抽象性、學(xué)生原有認(rèn)知的干擾性和教師教學(xué)的機(jī)械性。

一、化合價教學(xué)的研究現(xiàn)狀

在《化學(xué)教育》中以“題目”方式，《化學(xué)教學(xué)》、《中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考》中以“主題”方式，分別鍵入“化合價”一詞進(jìn)行檢索，限定年限為1999年1月1日到2018年1月1日，共檢索到68篇文獻(xiàn)。再將檢索范圍限定到“初中化合價教學(xué)”，僅檢索到8篇，占相關(guān)研究的11.8%。從研究內(nèi)容的角度看，關(guān)于初中化合價教學(xué)的相關(guān)研究可以分為四類：一是教學(xué)設(shè)計。如，建構(gòu)主義理論應(yīng)用于元素化合價教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實(shí)踐的研究;發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)，對于元素化合價這節(jié)內(nèi)容，注重知識的理解過程是教學(xué)設(shè)計的主體思路。二是教學(xué)建議。如，化合價教學(xué)應(yīng)當(dāng)從概念復(fù)雜的發(fā)展歷程和教師對其教育價值的挖掘來進(jìn)行改進(jìn);教師在化合價的教學(xué)過程中要注意“角度”、“深度”和“高度”。三是教學(xué)技巧，從試題內(nèi)容的角度對關(guān)于確定元素化合價的問題進(jìn)行歸納，將其分為八種并給出每種題型的解題思路;或者從方法論的角度對確定元素化合價的試題進(jìn)行分類，并介紹了相對應(yīng)于每種題型的解題方法。四是其它相關(guān)研究，如，以化學(xué)式與化合價為例，探討學(xué)習(xí)網(wǎng)及APP在習(xí)題評課中的應(yīng)用，并提出將傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)融合來提升課堂教學(xué)質(zhì)量的思路。

然而，初中化合價教學(xué)的已有研究，主要集中于對知識難度本身的處理，即在弱化概念抽象性的同時對教師的“教”提出要求，鮮有從學(xué)生學(xué)習(xí)的角度進(jìn)行分析的。所以本文從學(xué)生認(rèn)知的視角出發(fā)，分析學(xué)習(xí)化合價面臨的三重障礙，尋求教學(xué)改進(jìn)的突破口，以期為提高初中化合價教學(xué)的有效性和學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性貢獻(xiàn)力量。

二、初中生學(xué)習(xí)化合價面臨的三重障礙

1.化合價本質(zhì)的抽象性——學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價的首層障礙

1864年，德國化學(xué)家邁爾（J.L.Meyer，1830-1895）建議用“原子價”代替原子數(shù)或原子親和單位，標(biāo)志著化合價概念基本形成。我國早期將其翻譯為“原子價”，1991年公布的化學(xué)名詞中稱為“化合價”，并在注釋中又稱“原子價”，用來揭示原子之間相互作用的數(shù)量關(guān)系。

縱觀化合價概念的演變與發(fā)展歷程，大致分為三個階段：第一階段主要解釋原子之間相互化合的數(shù)量關(guān)系;第二階段從成鍵電子數(shù)目與“共價鍵”的角度解釋化合價;第三階段從近代分子軌道理論解釋化合價?；蟽r概念的演變過程不僅是探索化合價本質(zhì)的過程，更是科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)真理、改造自然研究化學(xué)方法的一部歷史。無論是對化合價本質(zhì)的定性描述，還是從定量的角度解釋數(shù)值規(guī)律，都使得化合價的概念越來越抽象。因此，理解抽象概念，是學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價不得不面臨的一層障礙。教師如何將這種人類認(rèn)識物質(zhì)結(jié)構(gòu)的漫長歷史過程，在短期內(nèi)通俗易懂地呈現(xiàn)給中學(xué)生，著實(shí)是個值得研究的問題。

2.學(xué)生原有認(rèn)知的干擾性——學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價的第二重障礙

我國的中學(xué)化學(xué)課程普遍在九年級開設(shè)，從教材編排呈現(xiàn)的先后順序來看，化合價出現(xiàn)在“構(gòu)成物質(zhì)世界的微?！敝螅|(zhì)量守恒定律內(nèi)容之前，屬于化學(xué)式書寫這塊內(nèi)容。畢華林教授指出：“學(xué)生能否理解‘可觀察現(xiàn)象的宏觀世界，分子、原子和離子構(gòu)成的微觀世界，化學(xué)式、化學(xué)方程式和元素符號構(gòu)成的符號世界這三者之間的內(nèi)在聯(lián)系是影響學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)的重要因素?！比绻f化學(xué)式是溝通初中生認(rèn)識化學(xué)宏、微觀世界的橋梁，那么化合價便是搭建橋梁的基石。可以看出，化合價處于學(xué)生樹立學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科特有思維的重要時期：即從宏觀到微觀、定性到定量，從描述到推理的三大過渡期。

學(xué)生并不是空著腦袋進(jìn)入教室的，他們的認(rèn)知大多來源于日常生活和以往的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。不論哪個版本的教材，呈現(xiàn)方式都是先通過列舉常見的物質(zhì)，再引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到元素的原子之間在形成化合物時是有規(guī)律的，并將這種元素在形成化合物時表現(xiàn)出來的特性歸納為——化合價。人民教育出版社2012年出版的《義務(wù)教育教科書化學(xué)九年級（上冊）》中這樣描述化合價：“化合物有固定的組成，即形成化合物的元素有固定的原子個數(shù)比?！苯滩耐ㄟ^列舉HCl、H2O、NaCI、Fe2O3的原子個數(shù)比分別為1：1、2：1、1：1、2：3，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化合價在化合物里的規(guī)律。九年級學(xué)生處于抽象邏輯思維由經(jīng)驗(yàn)型到理論型的轉(zhuǎn)折期，抽象概念的歸納離不開大量直觀經(jīng)驗(yàn)的支撐，因此，教材采用“例子一概念”的呈現(xiàn)方式。但是，如果學(xué)生先前的認(rèn)識經(jīng)驗(yàn)是模糊的或者是錯誤的，單憑教材中列舉出的幾個例子，很難使學(xué)生轉(zhuǎn)變原有認(rèn)知、領(lǐng)悟化合價的本質(zhì)。例如，學(xué)生往往將“化合價”與生活中的商品“價格”等同起來，對于學(xué)生理解化合價是物質(zhì)相互作用表現(xiàn)出來的規(guī)律這一本質(zhì)是困難的。因此，排除先前經(jīng)驗(yàn)的干擾，實(shí)現(xiàn)學(xué)科思維的三大順利過渡，無疑是學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價面臨的第二重障礙。

3.教師教學(xué)的機(jī)械性——學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價的第三重障礙

對于化合價的教學(xué)，有些新手教師局限于讓學(xué)生背誦化合價口訣表，學(xué)生背誦得滾瓜爛熟，但還是不會正確書寫化學(xué)式;還有一些有多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的教師則從原子核外電子的“八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)”的角度，將化合價描述為：元素的化合價是由這種元素的一個原子得到或失去電子的數(shù)目決定的，得失電子的個數(shù)就是該元素的化合價的絕對值。

科學(xué)出版社和廣東教育出版社2012年出版的義務(wù)教育教科書《化學(xué)九年級（上冊）》中，對于元素化合價的計算給出五條規(guī)律，即：（1）化合價有正價和負(fù)價，金屬與非金屬形成化合物時，金屬元素顯正價，非金屬元素顯負(fù)價;（2）氫元素通常顯+1價，氧元素通常顯-2價，許多非金屬與氧元素形成化合物時，則顯正價;（3）部分元素可顯不同的化合價;（4）有些化合物中，常常含有帶電的原子團(tuán)，叫做根，它們作為一個整體參加反應(yīng)，既可以分開計算每種元素的化合價，也可合并計算總化合價;（5）化合物里正負(fù)化合價代數(shù)和為零。由于化合價是元素形成化合物時才表現(xiàn)出來的性質(zhì)，因此，在單質(zhì)中元素的化合價為零。

基于上述規(guī)律，很多教輔書提供了各種物質(zhì)化學(xué)式書寫的方法，一些教師直接照搬套用，學(xué)生根本不理解適用范圍或者基本原理，這種做法是非常不可取的。比如：在講授通過化學(xué)式書寫化合價時，一些老師將所有物質(zhì)概括為：XmYn的模型，并且告訴學(xué)生第一步：將x的化合價記為+n并標(biāo)到x的正上方，將Y的化合價記為-m，標(biāo)到Y(jié)的正上方;第二步，將n，m位置交叉分別標(biāo)到x、Y下角標(biāo)，即寫出了該物質(zhì)的化學(xué)式XmYn。這就是所謂的交叉法。這些技巧看似簡單快捷，但是都有適用范圍，機(jī)械地套用使得學(xué)生在做題的時候，遇到稍加變式的問題就無從下手了。如，學(xué)生在書寫含有原子團(tuán)的物質(zhì)化學(xué)式時就會困惑，此時的Y究竟應(yīng)該指什么？還有一些常見的化學(xué)物質(zhì)，如Fe3O4中鐵元素的化合價，H2O2中氧元素的化合價，上述規(guī)則并不適用，學(xué)生在做練習(xí)的時候總是出錯。學(xué)生在求助教師的時候，有些教師干脆告訴學(xué)生“不要問為什么，你就記住這是特殊的就行了?！碑?dāng)這些特殊的問題積攢多了學(xué)生就會困惑：“課本給出的規(guī)則究竟什么時候能用，什么時候不能用？”更有甚者會質(zhì)疑任課教師的能力，因此失去學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。究其原因，可能是許多化學(xué)教師自己也沒有搞清楚化合價的確切含義。

課本中給出的規(guī)律不全是“化合價”的規(guī)律而是“氧化數(shù)”的規(guī)律。美國教授格拉斯通（Glasston）于1948年提出氧化數(shù)代替氧化還原反應(yīng)配平中的價數(shù)。此后的20多年里，化合價和氧化數(shù)多數(shù)情況下是不做區(qū)分的。直到1970年，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）將“氧化數(shù)”嚴(yán)格定義為：氧化數(shù)（氧化值）是某種元素1個原子的電荷數(shù)，該電荷數(shù)是假設(shè)把每個鍵中的電子指定給電負(fù)性更大的原子而求得的。此外，還給出確定氧化數(shù)的原則。（1）在離子化合物中，元素的氧化數(shù)就等于該離子的電荷數(shù);（2）在共價化合物中，把2個原子共用電子對指定給其中電負(fù)性較大的原子后，兩個原子所表現(xiàn)出的形式電荷就是它們的氧化數(shù);（3）在單質(zhì)中元素原子的氧化數(shù)等于零;（4）在分子（離子）中各元素原子的氧化數(shù)之和為零（或所帶的電荷數(shù)）。

可以看出，氧化數(shù)的概念是由化合價發(fā)展而來，人們指定的氧化數(shù)計算規(guī)則繼承了前人對化合價的研究成果并加以補(bǔ)充?；蟽r表示得失電子數(shù)或共價鍵個數(shù)，因此化合價只能是不為零的整數(shù)。電價有正負(fù)之分，共價沒有。而氧化數(shù)可以為整數(shù)、分?jǐn)?shù)，可正可負(fù)。氧化數(shù)的概念避開了解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)的抽象理論，只關(guān)注整體的形式電荷，使很多像Fe3O4、H2O2這樣與物質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)的化合價問題變得簡單。但是，初中課程引入“氧化數(shù)”概念是不切實(shí)際的，不少大學(xué)老師反映，中學(xué)老師采用氧化數(shù)的計算規(guī)則代替化合價的規(guī)則，雖然是作了知識難度的中學(xué)化處理，但是概念的混淆處理方式對學(xué)生后續(xù)深入的學(xué)習(xí)是極為不利的?，F(xiàn)實(shí)課堂中存在的避開概念本質(zhì)的清晰表述，用口訣要求學(xué)生強(qiáng)制記憶的機(jī)械教學(xué)方式，是學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合價面臨的第三重障礙。因此，教師教學(xué)將何種知識傳授給學(xué)生，怎樣講，講到何種程度無疑對教師也是一種挑戰(zhàn)。

三、突破學(xué)生學(xué)習(xí)化合價的三重障礙

1.圍繞課程標(biāo)準(zhǔn)，深諳化合價本質(zhì)的發(fā)展演變

課程標(biāo)準(zhǔn)是編寫教材的指導(dǎo)性文件，也是教師教學(xué)的直接依據(jù)?！读x務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》將“化合價”及有關(guān)知識編排至“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”一級主題下的“物質(zhì)組成的表示”二級主題中，并對學(xué)生提出教學(xué)要求，即“能說出幾種常見元素的化合價”;在活動探究中給出建議“根據(jù)化合價寫出常見化合物的化學(xué)式”。

可以看出，新課標(biāo)將化合價的概念逐步淡化。這看似降低了學(xué)生學(xué)習(xí)抽象概念的難度，實(shí)則加大了教師教學(xué)的難度。學(xué)生學(xué)習(xí)學(xué)科知識的認(rèn)知過程與人類認(rèn)識自然、發(fā)現(xiàn)真理的總趨勢是相一致的。教材采用“例子一概念”的呈現(xiàn)方式，可以說是處于化學(xué)家認(rèn)識化合價的第一階段，那么這一階段化學(xué)家們?yōu)榱私沂净蟽r的本質(zhì)遇到過哪些困難，也正是學(xué)生學(xué)習(xí)化合價的障礙點(diǎn)。因此，教師對于化合價本質(zhì)的把握，不能只局限于滿足新課標(biāo)的要求，還應(yīng)當(dāng)熟悉化合價概念發(fā)展的來龍去脈。學(xué)生機(jī)械地記憶化合價口訣，對化合價本質(zhì)的理解還停留在數(shù)值的階段，這與化學(xué)家們最初將化合價理解為“原子之間相互作用的數(shù)量關(guān)系”的做法極其相似。因此，以化學(xué)史為鑒，注重概念本身的微觀解釋，是突破學(xué)生學(xué)習(xí)化合價首要障礙的切人點(diǎn)。

2.洞察學(xué)生原有認(rèn)知，重視知識的清晰表述

認(rèn)知主義學(xué)者認(rèn)為學(xué)生頭腦中原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)在學(xué)習(xí)新知識時具有實(shí)際意義。有些觀念是與科學(xué)知識相一致的，可以作為新知識的起點(diǎn)，有些是與當(dāng)前的科學(xué)知識相違背的，這種觀念對學(xué)生學(xué)習(xí)新知識是極其不利的。比如，在與一些學(xué)生交流時發(fā)現(xiàn)，他們對于“化合價”的認(rèn)識來源于生活中對錢的認(rèn)識，覺得“化合價”應(yīng)該和“價格”有關(guān)系，當(dāng)問他們有什么關(guān)系時，他們又說不出來?？梢?，學(xué)生頭腦中已有的生活經(jīng)驗(yàn)形成的模糊不清的概念對新知識的學(xué)習(xí)有干擾，使他們把“化合價”局限為“價格”或“貨幣衡量的一種尺度”。將“化合價”僅僅理解為一個數(shù)值，沒有注意到“化合價”是不可拆分的整體概念。學(xué)生把不屬于“價格”概念本身的“化合價”包含到前者之中，是一種過度概括的做法。此時，教師首先應(yīng)當(dāng)改變學(xué)生頭腦中原有的不恰當(dāng)?shù)母拍睿ㄟ@可不是件容易的事情），通過具體典型的實(shí)例呈現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生對外界的客觀現(xiàn)象進(jìn)行正確的直覺反映，直觀利用這種原有的經(jīng)驗(yàn)與新知識之間的差異，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，糾正學(xué)生的錯誤認(rèn)識，防止學(xué)生在建構(gòu)意義的過程中提取了不正確的信息而影響其對概念的理解。教師應(yīng)當(dāng)提供更多的實(shí)例來加深學(xué)生對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，以便學(xué)生在直觀感受的基礎(chǔ)上理解化合價的本質(zhì)。

學(xué)生能用言語清晰地表述概念有助于其對概念的理解，初中階段不妨對化合價的概念進(jìn)行中學(xué)化的處理，將化合價表述為“是元素的原子在相互化合時表現(xiàn)出來的特性。”教師同時也要向?qū)W生說明隨著學(xué)習(xí)的深入，會有一定的修正。轉(zhuǎn)變學(xué)生的原有錯誤認(rèn)知，注重概念的清晰表述是突破學(xué)生學(xué)習(xí)化合價的第二重障礙的關(guān)鍵。

3.巧用教學(xué)情境，注重思維能力的拓展

化合價概念本身的發(fā)展離不開其對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的解釋，正確書寫常見物質(zhì)的化學(xué)式是教師檢驗(yàn)學(xué)生對知識掌握的較為有效的途徑。教師應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生大膽去寫，并能對其做出自我解釋。尤其是那些錯誤的自我解釋也可能提供一些沖突情境，這些沖突情境使他們能夠采取有效的改進(jìn)措施，強(qiáng)調(diào)新舊知識之間的互動關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生主動學(xué)習(xí)。比如，學(xué)生在書寫含有原子團(tuán)物質(zhì)的化學(xué)式時，往往會對括號怎么加、數(shù)字標(biāo)在哪里等問題產(chǎn)生困惑。此時，教師不應(yīng)該直接告訴學(xué)生正確答案，更不應(yīng)該讓學(xué)生重復(fù)地罰抄正確的書寫。最好讓學(xué)生去讀出自己書寫的錯誤化學(xué)式，與正確書寫進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)問題并做出自我解釋。以氫氧化銅的書寫為例，學(xué)生會寫出“Cu（OH）”、“cu1（OH）1”、“CuOH2”、“CuO2H2”等各種錯誤的寫法，此時，教師讓學(xué)生自己讀出他們所寫的物質(zhì)的化學(xué)式，學(xué)生通過對比正確的書寫即Cu（OH）2，理解運(yùn)用“化合物中各元素化合價代數(shù)和為零”這一規(guī)律書寫化合物化學(xué)式的含義，體會用規(guī)范化學(xué)用語書寫化合物化學(xué)式的樂趣。這樣，不僅學(xué)生能夠充分表達(dá)自己的認(rèn)識，教師也能通過那些錯誤的認(rèn)識了解學(xué)生的思維方式和掌握程度，從而突破學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)。

“不憤不啟，不悱不發(fā)”，對于初中階段學(xué)生經(jīng)常遇到的那些不符合化合價書寫規(guī)則的物質(zhì)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生對其物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大膽猜想，適當(dāng)給出分子模型，如動畫展示、球棍模型等，拓展學(xué)生的發(fā)散思維。如H2O2中氧元素的化合價，可以將H202和H20的分子模型對比展示給學(xué)生，這樣學(xué)生不僅能夠理解H2O2中氧元素的化合價不為一2價，還有助于拓寬學(xué)生知識面，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣?？梢?，“道而弗牽則和，強(qiáng)而弗抑則易，開而弗達(dá)則思”是突破學(xué)生學(xué)習(xí)化合價三重障礙的最高境界。

在教學(xué)活動中，教師、學(xué)生和知識（教學(xué)內(nèi)容）是推動教學(xué)過程的基本要素。無論教學(xué)活動以何種方式呈現(xiàn)，都是為了學(xué)生的發(fā)展服務(wù)的。因此，教學(xué)中要以學(xué)生視角看待三者之間的關(guān)系，不僅是學(xué)生學(xué)好化合價的邏輯起點(diǎn)，也是教師突破學(xué)生學(xué)習(xí)障礙的切入點(diǎn)，更是化學(xué)學(xué)科知識傳承的關(guān)鍵。