初中生学习元素化合价的三重障碍及突破

武超 付阳 李玉珍

摘要：元素化合价一直是初中化学教学的一个难点。化合价概念的抽象性、学生原有认知的干扰性和教师教学的机械性，是学生学习元素化合价面临的三重障碍。在分析三重障碍原因的基础上，从学生认知的角度出发，针对性地提出具体的教学建议，希望对元素化合价教学有所启发。

关键词：初中化学;元素化合价：教学难点

文章编号：1008-0546（2019）05-0002-04

中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.001

化合价是初中生学会正确书写物质化学式的关键，也是高中生学习氧化还原反应的重要基石。化学式作为特殊的化学用语，不单单是几个符号或者符号的简单组合，更是在符号水平上联系宏观化学现象和微观物质构成的桥梁。根据化合价书写物质的化学式是初中生书写物质化学式的基本方法，然而有相当一部分学生因为不能理解化合价，对化学式的书写深感困难而失去学习兴趣。究其原因，是初中生未能突破造成化合价学习困难的三重障碍，即化合价概念的抽象性、学生原有认知的干扰性和教师教学的机械性。

一、化合价教学的研究现状

在《化学教育》中以“题目”方式，《化学教学》、《中学化学教学参考》中以“主题”方式，分别键入“化合价”一词进行检索，限定年限为1999年1月1日到2018年1月1日，共检索到68篇文献。再将检索范围限定到“初中化合价教学”，仅检索到8篇，占相关研究的11.8%。从研究内容的角度看，关于初中化合价教学的相关研究可以分为四类：一是教学设计。如，建构主义理论应用于元素化合价教学设计和教学实践的研究;发展学生科学素养，对于元素化合价这节内容，注重知识的理解过程是教学设计的主体思路。二是教学建议。如，化合价教学应当从概念复杂的发展历程和教师对其教育价值的挖掘来进行改进;教师在化合价的教学过程中要注意“角度”、“深度”和“高度”。三是教学技巧，从试题内容的角度对关于确定元素化合价的问题进行归纳，将其分为八种并给出每种题型的解题思路;或者从方法论的角度对确定元素化合价的试题进行分类，并介绍了相对应于每种题型的解题方法。四是其它相关研究，如，以化学式与化合价为例，探讨学习网及APP在习题评课中的应用，并提出将传统技术与现代技术融合来提升课堂教学质量的思路。

然而，初中化合价教学的已有研究，主要集中于对知识难度本身的处理，即在弱化概念抽象性的同时对教师的“教”提出要求，鮮有从学生学习的角度进行分析的。所以本文从学生认知的视角出发，分析学习化合价面临的三重障碍，寻求教学改进的突破口，以期为提高初中化合价教学的有效性和学生学习化学的积极性贡献力量。

二、初中生学习化合价面临的三重障碍

1.化合价本质的抽象性——学生学习元素化合价的首层障碍

1864年，德国化学家迈尔（J.L.Meyer，1830-1895）建议用“原子价”代替原子数或原子亲和单位，标志着化合价概念基本形成。我国早期将其翻译为“原子价”，1991年公布的化学名词中称为“化合价”，并在注释中又称“原子价”，用来揭示原子之间相互作用的数量关系。

纵观化合价概念的演变与发展历程，大致分为三个阶段：第一阶段主要解释原子之间相互化合的数量关系;第二阶段从成键电子数目与“共价键”的角度解释化合价;第三阶段从近代分子轨道理论解释化合价。化合价概念的演变过程不仅是探索化合价本质的过程，更是科学家们发现真理、改造自然研究化学方法的一部历史。无论是对化合价本质的定性描述，还是从定量的角度解释数值规律，都使得化合价的概念越来越抽象。因此，理解抽象概念，是学生学习元素化合价不得不面临的一层障碍。教师如何将这种人类认识物质结构的漫长历史过程，在短期内通俗易懂地呈现给中学生，着实是个值得研究的问题。

2.学生原有认知的干扰性——学生学习元素化合价的第二重障碍

我国的中学化学课程普遍在九年级开设，从教材编排呈现的先后顺序来看，化合价出现在“构成物质世界的微粒”之后，质量守恒定律内容之前，属于化学式书写这块内容。毕华林教授指出：“学生能否理解‘可观察现象的宏观世界，分子、原子和离子构成的微观世界，化学式、化学方程式和元素符号构成的符号世界这三者之间的内在联系是影响学生化学学习的重要因素。”如果说化学式是沟通初中生认识化学宏、微观世界的桥梁，那么化合价便是搭建桥梁的基石。可以看出，化合价处于学生树立学习化学学科特有思维的重要时期：即从宏观到微观、定性到定量，从描述到推理的三大过渡期。

学生并不是空着脑袋进入教室的，他们的认知大多来源于日常生活和以往的学习经验。不论哪个版本的教材，呈现方式都是先通过列举常见的物质，再引导学生认识到元素的原子之间在形成化合物时是有规律的，并将这种元素在形成化合物时表现出来的特性归纳为——化合价。人民教育出版社2012年出版的《义务教育教科书化学九年级（上册）》中这样描述化合价：“化合物有固定的组成，即形成化合物的元素有固定的原子个数比。”教材通过列举HCl、H2O、NaCI、Fe2O3的原子个数比分别为1：1、2：1、1：1、2：3，引导学生认识化合价在化合物里的规律。九年级学生处于抽象逻辑思维由经验型到理论型的转折期，抽象概念的归纳离不开大量直观经验的支撑，因此，教材采用“例子一概念”的呈现方式。但是，如果学生先前的认识经验是模糊的或者是错误的，单凭教材中列举出的几个例子，很难使学生转变原有认知、领悟化合价的本质。例如，学生往往将“化合价”与生活中的商品“价格”等同起来，对于学生理解化合价是物质相互作用表现出来的规律这一本质是困难的。因此，排除先前经验的干扰，实现学科思维的三大顺利过渡，无疑是学生学习元素化合价面临的第二重障碍。

3.教师教学的机械性——学生学习元素化合价的第三重障碍

对于化合价的教学，有些新手教师局限于让学生背诵化合价口诀表，学生背诵得滚瓜烂熟，但还是不会正确书写化学式;还有一些有多年教学经验的教师则从原子核外电子的“八电子稳定结构”的角度，将化合价描述为：元素的化合价是由这种元素的一个原子得到或失去电子的数目决定的，得失电子的个数就是该元素的化合价的绝对值。

科学出版社和广东教育出版社2012年出版的义务教育教科书《化学九年级（上册）》中，对于元素化合价的计算给出五条规律，即：（1）化合价有正价和负价，金属与非金属形成化合物时，金属元素显正价，非金属元素显负价;（2）氢元素通常显+1价，氧元素通常显-2价，许多非金属与氧元素形成化合物时，则显正价;（3）部分元素可显不同的化合价;（4）有些化合物中，常常含有带电的原子团，叫做根，它们作为一个整体参加反应，既可以分开计算每种元素的化合价，也可合并计算总化合价;（5）化合物里正负化合价代数和为零。由于化合价是元素形成化合物时才表现出来的性质，因此，在单质中元素的化合价为零。

基于上述规律，很多教辅书提供了各种物质化学式书写的方法，一些教师直接照搬套用，学生根本不理解适用范围或者基本原理，这种做法是非常不可取的。比如：在讲授通过化学式书写化合价时，一些老师将所有物质概括为：XmYn的模型，并且告诉学生第一步：将x的化合价记为+n并标到x的正上方，将Y的化合价记为-m，标到Y的正上方;第二步，将n，m位置交叉分别标到x、Y下角标，即写出了该物质的化学式XmYn。这就是所谓的交叉法。这些技巧看似简单快捷，但是都有适用范围，机械地套用使得学生在做题的时候，遇到稍加变式的问题就无从下手了。如，学生在书写含有原子团的物质化学式时就会困惑，此时的Y究竟应该指什么？还有一些常见的化学物质，如Fe3O4中铁元素的化合价，H2O2中氧元素的化合价，上述规则并不适用，学生在做练习的时候总是出错。学生在求助教师的时候，有些教师干脆告诉学生“不要问为什么，你就记住这是特殊的就行了。”当这些特殊的问题积攒多了学生就会困惑：“课本给出的规则究竟什么时候能用，什么时候不能用？”更有甚者会质疑任课教师的能力，因此失去学习化学的兴趣。究其原因，可能是许多化学教师自己也没有搞清楚化合价的确切含义。

课本中给出的规律不全是“化合价”的规律而是“氧化数”的规律。美国教授格拉斯通（Glasston）于1948年提出氧化数代替氧化还原反应配平中的价数。此后的20多年里，化合价和氧化数多数情况下是不做区分的。直到1970年，国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）将“氧化数”严格定义为：氧化数（氧化值）是某种元素1个原子的电荷数，该电荷数是假设把每个键中的电子指定给电负性更大的原子而求得的。此外，还给出确定氧化数的原则。（1）在离子化合物中，元素的氧化数就等于该离子的电荷数;（2）在共价化合物中，把2个原子共用电子对指定给其中电负性较大的原子后，两个原子所表现出的形式电荷就是它们的氧化数;（3）在单质中元素原子的氧化数等于零;（4）在分子（离子）中各元素原子的氧化数之和为零（或所带的电荷数）。

可以看出，氧化数的概念是由化合价发展而来，人们指定的氧化数计算规则继承了前人对化合价的研究成果并加以补充。化合价表示得失电子数或共价键个数，因此化合价只能是不为零的整数。电价有正负之分，共价没有。而氧化数可以为整数、分数，可正可负。氧化数的概念避开了解释物质结构的抽象理论，只关注整体的形式电荷，使很多像Fe3O4、H2O2这样与物质结构有关的化合价问题变得简单。但是，初中课程引入“氧化数”概念是不切实际的，不少大学老师反映，中学老师采用氧化数的计算规则代替化合价的规则，虽然是作了知识难度的中学化处理，但是概念的混淆处理方式对学生后续深入的学习是极为不利的。现实课堂中存在的避开概念本质的清晰表述，用口诀要求学生强制记忆的机械教学方式，是学生学习元素化合价面临的第三重障碍。因此，教师教学将何种知识传授给学生，怎样讲，讲到何种程度无疑对教师也是一种挑战。

三、突破学生学习化合价的三重障碍

1.围绕课程标准，深谙化合价本质的发展演变

课程标准是编写教材的指导性文件，也是教师教学的直接依据。《义务教育化学课程标准（2011年版）》将“化合价”及有关知识编排至“物质构成的奥秘”一级主题下的“物质组成的表示”二级主题中，并对学生提出教学要求，即“能说出几种常见元素的化合价”;在活动探究中给出建议“根据化合价写出常见化合物的化学式”。

可以看出，新课标将化合价的概念逐步淡化。这看似降低了学生学习抽象概念的难度，实则加大了教师教学的难度。学生学习学科知识的认知过程与人类认识自然、发现真理的总趋势是相一致的。教材采用“例子一概念”的呈现方式，可以说是处于化学家认识化合价的第一阶段，那么这一阶段化学家们为了揭示化合价的本质遇到过哪些困难，也正是学生学习化合价的障碍点。因此，教师对于化合价本质的把握，不能只局限于满足新课标的要求，还应当熟悉化合价概念发展的来龙去脉。学生机械地记忆化合价口诀，对化合价本质的理解还停留在数值的阶段，这与化学家们最初将化合价理解为“原子之间相互作用的数量关系”的做法極其相似。因此，以化学史为鉴，注重概念本身的微观解释，是突破学生学习化合价首要障碍的切人点。

2.洞察学生原有认知，重视知识的清晰表述

认知主义学者认为学生头脑中原有认知结构在学习新知识时具有实际意义。有些观念是与科学知识相一致的，可以作为新知识的起点，有些是与当前的科学知识相违背的，这种观念对学生学习新知识是极其不利的。比如，在与一些学生交流时发现，他们对于“化合价”的认识来源于生活中对钱的认识，觉得“化合价”应该和“价格”有关系，当问他们有什么关系时，他们又说不出来。可见，学生头脑中已有的生活经验形成的模糊不清的概念对新知识的学习有干扰，使他们把“化合价”局限为“价格”或“货币衡量的一种尺度”。将“化合价”仅仅理解为一个数值，没有注意到“化合价”是不可拆分的整体概念。学生把不属于“价格”概念本身的“化合价”包含到前者之中，是一种过度概括的做法。此时，教师首先应当改变学生头脑中原有的不恰当的概念（这可不是件容易的事情），通过具体典型的实例呈现给学生，引导学生对外界的客观现象进行正确的直觉反映，直观利用这种原有的经验与新知识之间的差异，引发学生的认知冲突，纠正学生的错误认识，防止学生在建构意义的过程中提取了不正确的信息而影响其对概念的理解。教师应当提供更多的实例来加深学生对物质结构的认识，以便学生在直观感受的基础上理解化合价的本质。

学生能用言语清晰地表述概念有助于其对概念的理解，初中阶段不妨对化合价的概念进行中学化的处理，将化合价表述为“是元素的原子在相互化合时表现出来的特性。”教师同时也要向学生说明随着学习的深入，会有一定的修正。转变学生的原有错误认知，注重概念的清晰表述是突破学生学习化合价的第二重障碍的关键。

3.巧用教学情境，注重思维能力的拓展

化合价概念本身的发展离不开其对物质结构的解释，正确书写常见物质的化学式是教师检验学生对知识掌握的较为有效的途径。教师应当鼓励学生大胆去写，并能对其做出自我解释。尤其是那些错误的自我解释也可能提供一些冲突情境，这些冲突情境使他们能够采取有效的改进措施，强调新旧知识之间的互动关系，促进学生主动学习。比如，学生在书写含有原子团物质的化学式时，往往会对括号怎么加、数字标在哪里等问题产生困惑。此时，教师不应该直接告诉学生正确答案，更不应该让学生重复地罚抄正确的书写。最好让学生去读出自己书写的错误化学式，与正确书写进行比较，发现问题并做出自我解释。以氢氧化铜的书写为例，学生会写出“Cu（OH）”、“cu1（OH）1”、“CuOH2”、“CuO2H2”等各种错误的写法，此时，教师让学生自己读出他们所写的物质的化学式，学生通过对比正确的书写即Cu（OH）2，理解运用“化合物中各元素化合价代数和为零”这一规律书写化合物化学式的含义，体会用规范化学用语书写化合物化学式的乐趣。这样，不仅学生能够充分表达自己的认识，教师也能通过那些错误的认识了解学生的思维方式和掌握程度，从而突破学生的学习难点。

“不愤不启，不悱不发”，对于初中阶段学生经常遇到的那些不符合化合价书写规则的物质，教师可以引导学生对其物质结构进行大胆猜想，适当给出分子模型，如动画展示、球棍模型等，拓展学生的发散思维。如H2O2中氧元素的化合价，可以将H202和H20的分子模型对比展示给学生，这样学生不仅能够理解H2O2中氧元素的化合价不为一2价，还有助于拓宽学生知识面，激发学生学习兴趣。可见，“道而弗牵则和，强而弗抑则易，开而弗达则思”是突破学生学习化合价三重障碍的最高境界。

在教学活动中，教师、学生和知识（教学内容）是推动教学过程的基本要素。无论教学活动以何种方式呈现，都是为了学生的发展服务的。因此，教学中要以学生视角看待三者之间的关系，不仅是学生学好化合价的逻辑起点，也是教师突破学生学习障碍的切入点，更是化學学科知识传承的关键。