浅析化学大概念的凝炼与建构
吴庆生
摘要：分析了化学大概念的教学意义，结合具体教学案例阐述了化学大概念的五种凝炼方式和三个凝炼原则，并指明了化学大概念的建构策略。
关键词：化学大概念; 概念建构; 化学教学
文章编号：10056629（2021）11003704
中图分类号：G633.8
文献标识码：B
《普通高中课程方案》（2017年版2020年修订）指出，“进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引导，使课程内容情境化，促使学科核心素养的落实”。在化学教学过程中，根据知识内容的内在本质关联，通过创设问题情境，凝炼出能够统摄不同知识内容的大概念，以建构知识的结构化，藉以发展学生认识问题和分析问题的深度、广度和高度，从而提升学生的核心素养。
1 大概念的教学意义
1.1 提升认识问题的深度和广度
通过对化学教学内容的抽象概括凝炼出大概念，既要深度分析知识内容的本质涵义，又要与相关的知识内容进行横向整合。化学大概念不仅能够促进学生认识和理解问题的本质，还有助于扩展知识之间的横向联结。由于同一大概念统摄的不同教学内容，其本质相同，所以不同教学内容之间可以相互铺垫和诠释，这样既能够降低问题的难度，又同时丰富了大概念的内涵。
比如，向FeBr2溶液中滴加几滴氯水，只发生Cl2+2Fe2+2Cl-+2Fe3+反应，为什么Fe2+优先于Br-反应呢？本质原因是Fe2+比Br-更容易失去电子。再结合原电池和电解池电极反应的放电顺序，可以凝炼出“得失电子能力强的粒子优先反应”大概念，并据此把这些教学内容整合重组在一起。
1.2 有助于知识结构的重组与完善
化学大概念将琐碎、零散的知识通过横向联结而形成知识网络。以深刻和简约为特征的大概念知识层级结构有助于学生将知识结构化，而知识结构化是发展学生核心素养的锚点和关键[1]。
化学教材内容的编排顺序通常只能兼顾逻辑性和系统性，这样有助于学生循序渐进地建构化学知识。教材的这种逻辑编排顺序，会导致前后知识内在关联的缺失，而化学大概念恰好能够弥补教材编排顺序的不足。化学大概念打破了模块、章节和课时的界限，以知识的内在关联为纽带，将化学知识进行重组，以形成有机的结构化知识。大概念支线作为教材逻辑顺序主线的补充和完善，两者相互交织，相互补充，相得益彰。
1.3 提升应用迁移能力
化学大概念具有极其广泛的迁移价值，不仅能够迁移至学科内情境和学科间情境，以打通学科内和学科间的学习路径;而且还能够迁移至学校外新的情境，以打通学校教育与外部世界的路径。学生综合能力的提升有助于学生解决现实生活中的各种问题。
比如，“结构决定性质”大概念，不仅是化学学科常见的学科观点，而且还是跨学科、超学科的大概念，具有一定的哲学意义。当学生领悟了“结构决定性质”的普适意义后，在面对现实生活中具体问题时，就会从问题的微观结构进行分析和改进，从而去影响和改变宏观表象。
2 化学大概念的凝炼方式
2.1 教学内容之间的定量关系
按照教学内容之间存在着的定量关系，采用与此皆有關系的表述作为大概念进行统摄。比如，用“物质的量”来统领阿伏伽德罗常数、摩尔质量、气体摩尔体积和物质的量浓度等，见表1。
再比如，用“溶质不变”来统摄溶液稀释问题，即溶质的质量不变和溶质的物质的量不变，分别得出m（浓）·w（浓）=m（稀）·w（稀）和c（浓）·V（浓）=c（稀）·V（稀）。
2.2 教学内容的因果关系
根据教学内容存在的因果关系，采用能够反映相互关系的表述作为大概念。比如，采用“结构决定性质”大概念来统摄金刚石和石墨的物理性质、简单粒子的性质以及有机物的性质等，见表2。
再比如，用“物质的性质受反应对象影响”来统摄中间价态物质的氧化还原性，H2O2、 SO2和Fe2+遇到强氧化剂如KMnO4表现出还原性，而遇到还原剂则表现为氧化性。
2.3 教学内容的分类关系
根据教学内容与大概念之间的分类关系，采用树状分类来统摄教学内容。比如，用“物质化学性质”作为元素化合物的大概念。“物质化学性质”大概念可分为类别通性、物质特性两个次级大概念，类别通性包含金属单质通性、非金属单质通性、金属氧化物通性、非金属氧化物通性、酸的通性、碱的通性以及盐的通性等基本概念。物质特性是指该物质具有不同于类别通性的化学性质，根据核心元素的价态是否变化，又分为价态特性和非价态特性。比如金属单质、金属氧化物一般不与碱（如NaOH）反应，而Al、 Al2O3却能够与NaOH反应，前者Al元素的价态发生了变化，属于单质铝的价态特性;后者Al元素的价态没有发生变化，属于氧化铝的非价态特性，见表3。
再比如“气体实验室制法”大概念，“气体的实验室制法”又可分为反应原理、气体发生器、除杂装置、收集装置和尾气处理装置等，并以此来统摄O2、 CO2、 Cl2、 CH2CH2和CHCH等气体的实验室制法。
2.4 教学内容的同源关系
当教学内容依托的原理本质同源时，可以用同源内容作为大概念。比如，用“得失电子能力强的粒子优先反应”大概念统领氧化剂与多种还原性粒子反应、原电池和电解池等，见表4。
再如，用“电子得失难易决定性质强弱”大概念统领物质的氧化性、物质的还原性、元素的性质、金属冶炼、原电池和电解池等。
2.5 教学内容的原理（或规则）关系
对于化学程序性知识，首先要厘清程序性知识所遵循的原理，然后再按照一定的步骤和规则进行推进。既可以用程序性知识所遵循的原理作为大概念，也可以采用关键环节作为大概念。比如用“方程式遵循守恒原理”来统领方程式的书写，而方程式守恒又分为原子守恒、电子转移守恒（即化合价升降相等）和电荷守恒等，见表5。
又如，用“碳链异构、位置异构和官能团异构”大概念来统领烃及其衍生物同分异构体的书写。
再如，用“先下后上、上下一致”大概念来统领方程式的计算、关系式的计算以及溶解度的计算等。
3 大概念的凝炼原则
教师的知识结构和专业素养不同，对化学知识认识和理解的层级也不同，当然对大概念的抽象和凝炼也会不同。虽然化学大概念的凝炼和表述可以有多种形式，但都要遵循一定的原则。
3.1 统摄性
化学大概念不是基础概念，而是聚合概念。大概念就如同一个文件夹，提供了归档无限小概念的有序结构或合理框架[2]。引入化学大概念，是为了将分散的化学知识进行整合重组，以形成结构化、精炼化和上位化的知识，所以，大概念应该具有一定的统摄性。如果是超学科、跨学科的大概念，还要具有一定的哲学意义。
3.2 适宜性
化学大概念的构建，依赖于教师对化学知识本质内涵的把握，以及据此形成的对学生知识理解、思维发展和能力培养的期待及系统考虑[3]。教师只有根据个人对知识内涵的理解和横向关联来抽象出大概念，这样在教学实践中才能够神形兼备、得心应手。如果只是简单的“拿来主义”而不加以吸收内化，就会导致大概念和教学内容貌合神离、形似而神非。
抽象出来的大概念要适宜学生的思维能力，不能过高也不能过低，过低统领性不强，过高则会太过抽象。当然，如果采用抽象程度较高的大概念，可以借助于次级大概念来搭建台阶，以降低大概念的抽象程度。比如，采用“类别通性、物质特性”作为次级大概念，来降低“物质化学性质”大概念的抽象程度。
3.3 实用性
化学大概念是整合重组化学知识的工具，是粘合剂，是化学知识的凝炼和精华，同时也是分析问题和解决问题的工具，所以，凝炼出来的化学大概念应该体现其实用性。
比如，用“方程式遵循守恒原理”大概念书写缺项型氧化还原反应离子方程式，采用“一推三恒”的书写步骤，以“酸性KMnO4氧化H2O2”为例：
（1） 一推：
根据化合价升降原理推导出氧化产物与还原产物，
MnO-4+H2O2—Mn2++O2↑;
（2） 电子转移守恒（即化合价升降相等）：
2MnO-4+5H2O2—2Mn2++5O2↑;
（3） 电荷守恒：
2MnO-4+5H2O2+6H+—2Mn2++5O2↑;
（4） 原子守恒：
2MnO-4+5H2O2+6H+2Mn2++5O2↑+8H2O。
4 大概念的建构策略
由于化学大概念统摄的教学内容分布在不同模块、不同章节和不同课时，所以根据知识内容出现的阶段不同，化学大概念建构的侧重点也有所不同。
4.1 抽象与凝炼
对于初次涉及到大概念的教学内容，通过创设问题情境，借助于对问题的本质的抽象概括，然后凝炼出大概念，以建构对大概念的初步认知。
案例1 大概念的凝炼
[实验]取5mL 0.1mol·L-1 FeBr2溶液于试管中，滴加氯水5～6滴，继续加入2mL CCl4，充分振荡，静置后观察现象。然后取上层溶液于另一支试管中，滴加KSCN溶液，振荡，观察现象。
[实验现象]静置后溶液分层，下层为无色;上层溶液滴入KSCN溶液后变红。
[设问]该实验说明了什么？
[回答]Fe2+被Cl2氧化，而Br-没有被Cl2氧化。
[设问]Fe2+、 Br-都具有还原性，如何设计实验方案比较Fe2+和Br-的还原性强弱？
[设计实验]向盛有5mL FeCl2溶液的试管中滴加几滴KSCN溶液，振荡，无现象;然后再滴加几滴溴水，振荡，溶液变红。
Br2+2Fe2+2Br-+2Fe3+
根据还原剂的还原性强于还原产物的还原性，得出还原性：
Fe2+>Br-。
[追问]为什么Fe2+比Br-优先被Cl2氧化？
[分析]氧化剂Cl2要得到电子，而Fe2+和Br-都能够失电子，由于Fe2+比Br-更容易失电子（还原性更强），故优先反应。
[抽象]失电子能力强的还原性粒子优先被氧化剂氧化。
[凝炼]结合得电子能力强的氧化性粒子优先被还原剂还原，可以概括凝炼出大概念：
得失电子能力强的粒子优先反应。
4.2 应用与演绎
当大概念涉及到的教学内容再次出现时，可以应用已经建构的大概念进行演绎。
案例2 大概念的演绎
[设问]金属Zn和Fe比较，哪种失电子能力强？
[回答]Zn比Fe更容易失电子。
[设问]如果用导线把Zn片和Fe片连接在一起，置于稀H2SO4溶液中，何种金属优先反应？为什么？
[回答]Zn片优先反应，因为“得失电子能力强的粒子优先反应”。
[追问]预期实验会出现何种现象？反应前后Zn片和Fe片的质量如何变化？
[实验预期]Zn片会产生气泡，Fe片无现象;反应前后Zn片质量减少，Fe片质量不变。
[实验验证]首先分别称量Zn片和Fe片的质量，然后用导线依次把Zn片、电源、电流计和Fe片连接起来，最后把Zn片和Fe片置于稀H2SO4溶液中，观察现象。
电流计指针发生偏转，Fe片产生气泡，而Zn片没气泡。
反应一段时间后，将Zn片和Fe片洗净、干燥、称量，发现Zn片质量减轻，而Fe片质量不变。
[追问]Zn片质量减轻，而Fe片质量不变，说明了Zn比Fe优先反应。但既然Fe片没有参与反应，那么Fe片上面的H2是怎样产生的呢？Zn片反应失去的电子又去了哪里呢？
[分析]Zn片失去的电子移动到Fe片上，溶液中的H+在Fe片上获得电子而产生H2。从电流计指针的偏转方向可以判断电子由Zn片流向Fe片。
[强化]金属Zn比Fe失电子能力强，Zn片作为原电池的负极，而Fe片则作为原电池正极。
4.3 归纳与总结
当大概念统摄的知识内容多次出现后，就可以对这些知识内容进行归纳总结，既可以采用树状分类模式，也可以采用思维导图模式。通过打通不同知识内容之间的本质联结路径，以形成对大概念所统摄知识内容的整体认知与内在联系。
比如，原电池和电解池的放电顺序，实质上是优先反应顺序，即得失电子能力强的粒子优先反应。具体内在联系总结如下：
金属单质的还原性强弱顺序：
Na>Al>Zn>Fe>（H）>Cu>Ag;
金属阳离子的氧化性强弱顺序：
Na+
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原电池：
（1） 还原性强的金属单质做负极;
（2） 阳离子在正极放电顺序为：
Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+。
非金属单质的氧化性强弱顺序：
Cl2>Br2>I2>S;
非金屬阴离子的还原性强弱顺序：
Cl-
电解池：
（1） 金属做阳极，优先于阴离子放电;
（2） 阳离子在阴极放电顺序为：
Ag+>Cu2+>H+>Fe2+>Zn2+;
（3） 阴离子在阳极放电顺序为：
S2->Br->Cl->OH-。
参考文献：
[1][3]何彩霞. 化学学科核心素养导向的大概念单元教学探讨[J]. 化学教学， 2019， （11）：
44～48.
[2]李刚， 吕立杰. 大概念课程设计：
指向学科核心素养落实的课程架构[J]. 教育发展研究， 2018， （15）：
35～42.