初中化學(xué)教材能量觀建構(gòu)方式的分析與啟示*

化學(xué)能量觀是化學(xué)觀念中的核心觀念，是從能量角度對(duì)物質(zhì)及其化學(xué)變化本質(zhì)的深層次理解。嘗試基于2011年版義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，將能量與物質(zhì)、能量與化學(xué)反應(yīng)建立起實(shí)質(zhì)性聯(lián)系。對(duì)2012年修訂的三個(gè)版本教材能量觀建構(gòu)的方式進(jìn)行分析、歸納，提出能量觀建構(gòu)的基本策略。

初中化學(xué) 課程標(biāo)準(zhǔn) 能量觀 微粒觀

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》（以下簡(jiǎn)稱課標(biāo)）明確指出，“義務(wù)教育階段的化學(xué)教育，要激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的變化規(guī)律，形成化學(xué)的基本觀念……”化學(xué)能量觀是化學(xué)觀念中的核心觀念，需要經(jīng)過螺旋式遞進(jìn)。2012年修訂的三個(gè)版本[1-3]的化學(xué)教材在不同階段都有安排，充分體現(xiàn)了學(xué)習(xí)的階段性和層次性。要求教師把握好知識(shí)深廣度，既要符合學(xué)生的認(rèn)識(shí)規(guī)律和心理特征，又要層層遞進(jìn)，從定性到定量、事實(shí)到科學(xué)概念來認(rèn)識(shí)并建立化學(xué)反應(yīng)與能量之間的雙向關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)適應(yīng)層次的能量觀[4-6]：（1）物質(zhì)具有能量，不同物質(zhì)或同種物質(zhì)的不同狀態(tài)所具有的能量不同。（2）化學(xué)反應(yīng)過程中，不僅有物質(zhì)變化，而且有能量變化，伴隨化學(xué)反應(yīng)的能量變化有不同的形式；化學(xué)能是能量的一種存在形式；能量是影響化學(xué)反應(yīng)的重要因素，化學(xué)能與其他能量的相互轉(zhuǎn)化以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)和前提，能量不會(huì)創(chuàng)生和消亡，只是在轉(zhuǎn)化的過程中有能量轉(zhuǎn)化的效率問題，使能量有所損耗。（3）能源是社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，能源的開發(fā)和利用離不開化學(xué)。（4）微觀世界也存在著能量關(guān)系，表現(xiàn)為分子間、原子（離子）間、電子與原子核間的相互作用。

一、基于課標(biāo)的視角，比較、分析三個(gè)版本教材能量觀的呈現(xiàn)方式

課標(biāo)中，每個(gè)二級(jí)主題都從“標(biāo)準(zhǔn)”和“活動(dòng)與探究建議”兩個(gè)維度，對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行了說明，還有可供選擇的情境素材。其中，在“化學(xué)變化的基本特征”二級(jí)主題中明確指出：“知道物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化時(shí)發(fā)生著能量的變化，認(rèn)識(shí)通過化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的重要性”。筆者嘗試基于課標(biāo)，分析三個(gè)版本教材能量觀呈現(xiàn)的基本視角（見表1）。

教材還以蠟燭燃燒為素材研究物質(zhì)的性質(zhì)和變化，能量觀滲透在火焰溫度的測(cè)定之中，若能在描述“發(fā)光、發(fā)熱、火焰”等具體現(xiàn)象的基礎(chǔ)上再提出更為深刻的問題——“為什么化學(xué)變化伴隨有能量轉(zhuǎn)化？”實(shí)驗(yàn)就不再局限于蠟燭燃燒的具體現(xiàn)象和產(chǎn)物的檢驗(yàn)上了。使學(xué)生了解該反應(yīng)是持續(xù)發(fā)生的自發(fā)反應(yīng)，先反應(yīng)釋放的能量可引發(fā)后續(xù)反應(yīng)，從而將化學(xué)的基本觀念與化學(xué)過程的方法教育有機(jī)地聯(lián)系起來[7]。

物質(zhì)的化學(xué)變化包括了質(zhì)的變化、量的變化與能量轉(zhuǎn)化，從能量觀的角度理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)化是化學(xué)的基本視角。教學(xué)過程中，要聯(lián)系燃料的燃燒、中和反應(yīng)、葡萄糖在體內(nèi)氧化釋放能量、生石灰與水反應(yīng)放出的熱量能“煮熟”雞蛋、化學(xué)電池等日?，F(xiàn)象作為情境素材，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境和建構(gòu)性的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解化學(xué)變化和能量變化的密切關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和能力。

二、初中化學(xué)能量觀建構(gòu)的基本策略

研究化學(xué)反應(yīng)中的能量變化與研究化學(xué)反應(yīng)合成物質(zhì)同樣重要。因此，教師要重視引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)不同知識(shí)之間、理論與事實(shí)之間、新舊經(jīng)驗(yàn)之間的有意義聯(lián)系，在關(guān)注情境的選取與創(chuàng)設(shè)、問題的構(gòu)思與引導(dǎo)、內(nèi)容的組織與呈現(xiàn)、活動(dòng)的設(shè)計(jì)與安排的交互過程中經(jīng)過螺旋式遞進(jìn)，使學(xué)生初步認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)中有能量變化，在燃燒和燃料的學(xué)習(xí)中得以強(qiáng)化，了解如何應(yīng)用化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化和物質(zhì)、資源的合理利用，形成和發(fā)展能量觀。

1.借助實(shí)驗(yàn)表征建構(gòu)能量觀

借助實(shí)驗(yàn)表征，引導(dǎo)學(xué)生理解吸、放熱除了對(duì)溫度有影響，還會(huì)引起氣體壓強(qiáng)、體積、溶解度、物質(zhì)狀態(tài)等的變化。在不使用溫度計(jì)的情況下，讓學(xué)生用手感知，或通過合適的實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1、2），借助實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)能量觀的理解。

還可以借助鐵絲、鎂條、氫氣的燃燒、干電池和充電電池等實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生宏觀感知、理解化學(xué)體系是一種儲(chǔ)能體系，化學(xué)反應(yīng)伴隨有能量變化，常見形式是化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、光能、電能，且電能與化學(xué)能可以相互轉(zhuǎn)化。借助高錳酸鉀加熱制取氧氣，水的電解，觀察二氧化錳、硫酸銅溶液對(duì)過氧化氫分解反應(yīng)的影響等實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解有些化學(xué)反應(yīng)需點(diǎn)燃、加熱、高溫、通電、催化劑等條件，如果沒有這個(gè)條件反應(yīng)就不能發(fā)生。從而有效調(diào)節(jié)和控制能量的儲(chǔ)存和釋放過程，促進(jìn)或抑制化學(xué)反應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)向著有利的方向發(fā)展，明白反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的重要作用，幫助學(xué)生建構(gòu)能量觀。

2.深化對(duì)燃料和燃燒的認(rèn)識(shí)，發(fā)展能量觀

教材中通過大量的事實(shí)證明：人類利用燃燒的主要目的是為了獲取能源。煤、石油和天然氣等化石燃料是當(dāng)今世界上最重要的能源，資源的浪費(fèi)主要表現(xiàn)在化石燃料的不充分燃燒上。因此，關(guān)于能源問題，一要讓學(xué)生了解燃料燃燒反應(yīng)釋放能量，幫助學(xué)生研究怎樣才能使燃料完全燃燒，提高燃燒的效率；二要讓學(xué)生考慮燃燒的安全問題，學(xué)習(xí)怎樣運(yùn)用化學(xué)知識(shí)防火、滅火；三要講燃料燃燒對(duì)環(huán)境的影響，怎樣減少燃料燃燒時(shí)有害氣體和煙塵的排放，減少對(duì)環(huán)境的污染；四要講燃料的選擇與清潔能源的開發(fā)利用，講化學(xué)科學(xué)為開發(fā)清潔、高效的能源能做些什么[8]。利用核心概念的文字表達(dá)方式揭示有關(guān)燃料問題的化學(xué)學(xué)科本質(zhì)（如圖3）：

圖3 燃料燃燒的文字表達(dá)式

設(shè)置問題組：（1）燃燒能為我們做什么？（2）選擇燃料時(shí)應(yīng)綜合考慮的因素有哪些？（3）為什么有些物質(zhì)可以作為燃料，有些則不能？（4）燃燒生成物為什么會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響，有哪些對(duì)策？（5）物質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中的能量變化有什么規(guī)律？（6）化學(xué)反應(yīng)中的能量變化對(duì)我們學(xué)習(xí)物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)、物質(zhì)的制備和選擇反應(yīng)條件有什么啟示？怎樣利用化學(xué)反應(yīng)中的能量？

通過問題組的解決，借助可燃物與氧氣發(fā)生的劇烈氧化反應(yīng)，從化學(xué)反應(yīng)熱現(xiàn)象認(rèn)識(shí)到通過化學(xué)反應(yīng)可以獲得能量，通過對(duì)燃燒概念的發(fā)展性理解，使學(xué)生了解燃燒是強(qiáng)化物質(zhì)轉(zhuǎn)化伴隨有能量變化認(rèn)識(shí)的重要內(nèi)容，形成對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的能量變化初步的感性認(rèn)識(shí)；通過對(duì)燃燒、緩慢氧化和爆炸發(fā)生條件的認(rèn)識(shí)，初步感知可以通過改變反應(yīng)發(fā)生的條件來影響化學(xué)反應(yīng)。了解人類的一切活動(dòng)都離不開能源，能源居于首位，能源的開發(fā)和利用離不開化學(xué)，認(rèn)識(shí)化學(xué)在提高燃料的燃燒效率中的重要作用，從自我做起，節(jié)約能源，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)能量觀。

3.借助微粒觀，了解能量觀的內(nèi)涵

微觀層面認(rèn)識(shí)能量觀，這部分內(nèi)容既基于物理學(xué)習(xí)，又與微觀世界聯(lián)系，抽象程度很高，魯教版以水為例，創(chuàng)設(shè)連續(xù)性問題情境：在水的狀態(tài)變化時(shí)水分子的能量、運(yùn)動(dòng)速率、間隔怎樣變化？在水天然循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)上水分子的能量如何變化？是怎樣運(yùn)動(dòng)的？以分子或原子不斷做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)為切入點(diǎn)，推論出構(gòu)成物質(zhì)的微粒具有熱能。溶解現(xiàn)象并非單純的物理現(xiàn)象，其伴隨的能量變化涉及微粒的運(yùn)動(dòng)和相互間的作用力。物質(zhì)溶解于水的過程中發(fā)生了兩種能量變化：溶質(zhì)的分子（或離子）向水中擴(kuò)散的吸收熱量過程；溶質(zhì)的分子（或離子）和水分子形成水合分子（或水合離子）的放出熱量過程。溶質(zhì)不同，這兩種過程吸收或放出的熱量不同，使溶液的溫度發(fā)生不同的變化。

核外電子運(yùn)動(dòng)也是一種能量的反映。元素得失電子的能力取決于原子中電子的能量，元素原子的最外層電子處于較高能量狀態(tài)，不穩(wěn)定，原子間通過得失電子或共用電子對(duì)的方式成鍵，使體系能量降低，形成相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。學(xué)生形成核外電子運(yùn)動(dòng)的能量思維方式，從能量的角度研究物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化的思維方法等[4]。因此，可把物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程看作是諸存在物質(zhì)內(nèi)部的能量（化學(xué)能）轉(zhuǎn)化為熱能、光能等釋放出來，或者是熱能、光能等轉(zhuǎn)化為物質(zhì)內(nèi)部能量（化學(xué)能）被儲(chǔ)存起來的過程。在水的電解教學(xué)中，若能從微觀視角解釋為什么水需要通電，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)分子、原子在化學(xué)變化中的行為，深入了解原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原子核外電子的分布及其在化學(xué)變化中的表現(xiàn)，那么學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的重要作用的認(rèn)識(shí)會(huì)達(dá)到更高的水平[9]。

初中學(xué)生的能量觀建構(gòu)是一個(gè)不斷深化、有機(jī)聯(lián)系、螺旋式上升的結(jié)構(gòu)化內(nèi)容，隨著對(duì)能量觀認(rèn)識(shí)的不斷豐富和發(fā)展，將從微觀表征對(duì)化學(xué)和能量關(guān)系本質(zhì)加以構(gòu)建，形成更合理、完整的能量觀。因此，學(xué)生能量觀的建構(gòu)應(yīng)該注重認(rèn)識(shí)和理解的完整性，使學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解更加本質(zhì)化，自身的觀念更加清晰化，實(shí)施以觀念建構(gòu)為本的課堂教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王晶，鄭長龍主編.全日制義務(wù)教育化學(xué)九年級(jí)上、下冊(cè).北京：人民教育出版社，2012.

[2] 王祖浩，王磊主編.全日制義務(wù)教育化學(xué)九年級(jí)上、下冊(cè).上海：上海教育出版社，2012.

[3] 畢華林，盧巍主編.全日制義務(wù)教育化學(xué)九年級(jí)上、下冊(cè).濟(jì)南：山東教育出版社，2012.

[4] 梁永平.論化學(xué)學(xué)習(xí)中的能量觀建構(gòu).化學(xué)教育，2008（8）.

[5] 姚遠(yuǎn)遠(yuǎn)，陳凱.初中化學(xué)教科書中能量觀的建構(gòu).化學(xué)教育，2013（5）.

[6] 徐敏.中學(xué)化學(xué)“能量觀”的構(gòu)成要素及內(nèi)涵.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（7）.

[7] 魏銳，如何由實(shí)驗(yàn)觀察提出科學(xué)問題——以蠟燭燃燒為例，化學(xué)教育，2012（1）.

[8] 王祖浩，王磊.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）解讀.北京：高等教育出版社，2012.

[9] 胡巢生.教材微粒觀建構(gòu)方式的分析與啟示.化學(xué)教學(xué)，2013（8）.

【責(zé)任編輯 付一靜】