“探秘物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”教學(xué)探討

郭曉麗　王麗　魏銳

“探秘物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”項目中，活動以化學(xué)發(fā)展史為背景線索，將學(xué)生的學(xué)習(xí)活動依托在科學(xué)史的背景下，體現(xiàn)閱讀的思維活動，并注重從中學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法；重視模型建構(gòu)，通過搭建和繪畫等方式外顯學(xué)生模型建構(gòu)的過程與結(jié)果。

本文以本項目任務(wù)一為例，介紹“認(rèn)識水分子，構(gòu)建分子模型”項目的實施策略。

一、任務(wù)一的地位及活動

項目“構(gòu)建微觀模型——物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)”旨在讓學(xué)生從兩方面認(rèn)識物質(zhì)。（1）物質(zhì)是由微粒構(gòu)成的。①從認(rèn)識水分子到構(gòu)建分子模型：從分子角度認(rèn)識物質(zhì)分類（純凈物、混合物）及變化。②打開原子結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從原子結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識組成物質(zhì)的規(guī)律：由認(rèn)識原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到關(guān)注核外電子排布，進(jìn)而理解原子構(gòu)成分子的核心規(guī)律——化合價。（2）物質(zhì)是由元素構(gòu)成的。從原子的角度連接對元素的認(rèn)識，建立宏觀與微觀之間的關(guān)聯(lián)。進(jìn)而從元素角度認(rèn)識物質(zhì)組成，認(rèn)識元素質(zhì)量與物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系。

（一）任務(wù)一在本項目中的地位

任務(wù)一是項目的重要組成部分，在整體安排上，任務(wù)一選擇了常見物質(zhì)水的組成研究作為學(xué)習(xí)活動的主要素材，從熟悉的物質(zhì)切入，學(xué)生比較容易進(jìn)入狀態(tài)。在科學(xué)方法方面，從宏觀物質(zhì)水到微觀水分子，在實驗探究中根據(jù)宏觀實驗現(xiàn)象推理分析物質(zhì)的微觀構(gòu)成，再利用模型模擬引導(dǎo)學(xué)生通過建立模型的方式認(rèn)識并研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而更深入地理解宏觀物質(zhì)的性質(zhì)，搭建宏觀與微觀研究的橋梁，形成從微觀視角看物質(zhì)的角度。在學(xué)習(xí)過程中首次融入大量化學(xué)史閱讀活動，希望在教師的示范和引導(dǎo)的基礎(chǔ)上，能幫助學(xué)生提高閱讀技能，通過閱讀完成相應(yīng)的活動任務(wù)。在學(xué)生的認(rèn)知體系方面，任務(wù)一將學(xué)生的認(rèn)知引入到了微觀世界中的分子和原子的層面，研究了分子及分子的變化、原子的重組等學(xué)科核心知識，與后續(xù)的原子結(jié)構(gòu)及元素的學(xué)習(xí)形成逐漸深入、連貫一體的認(rèn)知體系。

任務(wù)一中的核心活動實驗探究、模型模擬、閱讀等是本項目后續(xù)學(xué)習(xí)中常用的學(xué)習(xí)方式，因此，任務(wù)一在學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)思路方面為后續(xù)學(xué)習(xí)作了比較細(xì)致的鋪墊。

（二）任務(wù)一的核心活動

本任務(wù)分為三個活動：活動一，探究水的組成，提煉科學(xué)方法，獲取科學(xué)證據(jù)；活動二，模擬水的分解和化合過程，構(gòu)建分子模型，建立假說與模型；活動三，讀科學(xué)史故事，學(xué)科學(xué)智慧。閱讀對物質(zhì)微觀組成的研究歷史，分析假說、模型、證據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，理解科學(xué)本質(zhì)。

活動一有兩個核心活動：一是科學(xué)閱讀、重返對水的研究，進(jìn)一步鞏固科學(xué)閱讀的方法，提煉研究水的科學(xué)方法；二是在理解科學(xué)方法的基礎(chǔ)上提出水的電解實驗探究?；顒佣瑑蓚€核心活動：一是從模擬水的分解和合成實驗，構(gòu)建水分子模型；二是從水分子模型到構(gòu)建分子模型，從分子的角度來認(rèn)識物質(zhì)與反應(yīng)?；顒尤袃蓚€核心活動：一是科學(xué)史的閱讀，讓學(xué)生進(jìn)一步反思活動二中分子模型的建立的假說前提，進(jìn)一步明確閱讀方法；二是通過交流研討活動，體會科學(xué)家的研究過程，讓學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)?；顒尤梢噪S著教學(xué)需要進(jìn)行調(diào)整?？梢栽诨顒佣虒W(xué)之前，讓學(xué)生在閱讀資料的基礎(chǔ)上構(gòu)建水分子模型，并明確分子模型構(gòu)建的前提。也可以放在活動二教學(xué)之后，讓學(xué)生反思分子模型構(gòu)建的前提。

二、任務(wù)一中的活動二教學(xué)實錄

本項目的教學(xué)中最重要的是把握化學(xué)史的教學(xué)和模型構(gòu)建的教學(xué)?；顒佣M水的分解和化合過程，構(gòu)建分子模型，是在提煉化學(xué)史核心研究思路的基礎(chǔ)上，結(jié)合對常見物質(zhì)“水”電解現(xiàn)象的微觀構(gòu)建，其中模型建構(gòu)的教學(xué)是本項目的最有特色的核心活動，對活動三的核心教學(xué)策略有重要的指導(dǎo)意義，因此，我們詳細(xì)記錄活動二的教學(xué)實錄，并進(jìn)行效果評價和反思。

教學(xué)實錄

第一階段：啟動活動

【師】通過電解水及相關(guān)實驗，我們獲得了哪些認(rèn)識？還存在哪些疑問？

【生】水是由氫、氧兩種元素組成的，通電可以使水分解為氫氣和氧氣，兩種氣體的體積比為2：1，氫氣可以在氧氣中燃燒生成水，由此確定了水的組成。正極產(chǎn)生氧氣，負(fù)極產(chǎn)生氫氣，兩種氣體都是無色的?；虾头纸舛际腔瘜W(xué)變化。

存在的疑問：水分子的微觀構(gòu)成是什么樣的？為什么實驗中氫氣和氧氣的體積比為2：1？

【師】你們對兩種氣體的體積比為2：1有什么猜想？

【生】可能等于質(zhì)量比，可能等于分子數(shù)目比，可能等于分子體積比……

【師】今天我們嘗試用模型模擬的方法繼續(xù)認(rèn)識水及相關(guān)問題，請大家先閱讀教材中模型模擬中的內(nèi)容。

第二階段：活動過程

【學(xué)生活動一】模擬水的分解和合成。

根據(jù)已有的知識和前面實驗探究的結(jié)果進(jìn)行模型模擬活動。

1.分組活動后模擬的結(jié)果及解釋：

敘述你的依據(jù)：

水電解時產(chǎn)生氫氣和氧氣，且氫氣和氧氣的體積比為2：1。

2.交流與討論。

意見一：兩個方案都對，都符合氫氧2：1。

意見二：方案二更準(zhǔn)確，因為氧氣是O2，應(yīng)該是兩個氧原子構(gòu)成一個氧分子。

意見三：兩個方案都有疑問，氫氣和氧氣的體積比一定等于它們的分子數(shù)目比嗎？ 分子有大有小，體積可能由分子本身的大小決定。

有的提出問題：H2O和O2中的數(shù)字2是什么意思？

3.閱讀資料并進(jìn)行模型修正。

修正后的結(jié)果一：方案一錯，方案二對。

結(jié)果二：好像只有氣體的體積與分子數(shù)目成正比，是不是氣體有特殊性？

結(jié)果三：聯(lián)想到氣體分子間間隔很大，所以氣體在計算體積時分子本身的大小差異可以忽略了。

結(jié)果四：化學(xué)式中元素符號右下角的數(shù)字表示每個分子中含有幾個該原子，右下角沒有數(shù)字的表示1。

4.活動小結(jié)。

【生】我們認(rèn)識了水是由氫、氧兩種元素組成的，一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成的。我們認(rèn)識了常見的氣體單質(zhì)氧氣、氫氣、氮氣等都是由兩個相同的原子構(gòu)成一個分子。認(rèn)識了化學(xué)式的含義。

【生】上小學(xué)的時候就知道氧氣和水這樣常見的物質(zhì)的分子式，也常常覺得自己知道分子和原子是怎么回事，通過今天的活動才真正理解了分子式的含義，明白了理解和記憶的區(qū)別。

【生】氣體體積是宏觀的結(jié)果，分子是微觀世界，宏觀世界與微觀世界的聯(lián)系很緊密也很奇妙。

【生】在科學(xué)史上科學(xué)家是怎么發(fā)現(xiàn)這樣的規(guī)律的？

【學(xué)生活動二】搭建分子模型，認(rèn)識物質(zhì)與反應(yīng)。

在認(rèn)識了水、氫氣、氧氣等分子的基礎(chǔ)上我們來模擬更多的分子，通過活動獲取更多認(rèn)識。

1.模擬情況及學(xué)生獲得的認(rèn)識成果。

（1）根據(jù)圖中的分子模型都能順利完成模擬任務(wù)。

【生】分子是有一定的空間構(gòu)型的，不同的分子空間構(gòu)型不同。

【生】分子中原子組成的比例不同。

【生】組成元素相同但比例不同，則是不同種分子，例如水和過氧化氫。

【生】如果把分子拆開，物質(zhì)就發(fā)生變化了。

對于將各組的氨氣分子堆在一起，將各種不同的分子堆在一起的活動，學(xué)生說：同種分子放在一起這種物質(zhì)是純凈物，不同的分子放在一起就是混合物。

對于將分子緊密堆積在一起和分散開來，學(xué)生說：固體和液體分子之間距離小，氣體分子之間距離大。如果將液體加熱沸騰蒸發(fā)，分子不變，但分子之間的距離變大，如果氣體冷凝為液體，分子之間距離變小，這樣的變化是物理變化。

（2）模擬氫氣和氯氣生成氯化氫的過程后，學(xué)生說：每個氯氣分子由兩個氯原子構(gòu)成；化學(xué)變化是將原有的分子拆成原子，然后原子再組合成新的分子的過程。

2.小結(jié)活動成果并結(jié)合書中資料梳理學(xué)習(xí)內(nèi)容。

（1）認(rèn)識了分子的定義、原子的定義。

（2）認(rèn)識了分子組成、分子式含義等知識。

（3）認(rèn)識了純凈物與混合物的本質(zhì)區(qū)別。

（4）認(rèn)識了物理變化與化學(xué)變化的本質(zhì)區(qū)別。

3.活動小結(jié)。

模型建構(gòu)是一種常用的非常有效的學(xué)習(xí)方法，在我們認(rèn)識微觀世界時，由于其微小到看不見摸不著，借助模型建構(gòu)可以將微觀世界中的某些信息清晰地展現(xiàn)出來，這樣可以幫助我們建立認(rèn)識，展開想象，也給我們提供了進(jìn)一步深入研究的階梯。

第三階段：師生總結(jié)

【師】我們在做實驗觀察實驗現(xiàn)象的過程中，既需要關(guān)注定性的信息，更需要關(guān)注定量的信息。實驗結(jié)論中的定量信息往往會引導(dǎo)我們認(rèn)識事物的本質(zhì)。其實在科學(xué)史上構(gòu)建分子模型的歷程也經(jīng)歷了很多曲折。在后續(xù)活動中我們可以通過閱讀活動來了解科學(xué)家們建立分子模型的歷程。今天的活動中同學(xué)們能夠積極參與，敢于質(zhì)疑，激烈討論，這些都是非常棒的科學(xué)研究必備的素質(zhì)，希望大家在后續(xù)學(xué)習(xí)中堅持并做得更好。

【生】通過實踐活動完成學(xué)習(xí)很有意思，這樣的活動可以讓學(xué)習(xí)中思考的東西更多，原來以為化學(xué)式背下來就行了，沒有意識到化學(xué)式里還有這么復(fù)雜的問題。

【生】通過今天的活動輕松且清晰地認(rèn)識到原來學(xué)過的兩組概念：純凈物、混合物；化學(xué)變化、物理變化。從分子的角度認(rèn)識到了兩組概念的本質(zhì)區(qū)別，使概念的學(xué)習(xí)有了通透感。

三、教學(xué)效果評價與反思

1.學(xué)生的表現(xiàn)給我們的啟發(fā)。

在此搭建模型的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，其實在生活中學(xué)生都知道水分子的組成是H2O，而且學(xué)生內(nèi)心是認(rèn)可元素守恒的，因此學(xué)生才能夠提出方案一。此時，學(xué)生可能并沒有和宏觀的體積比例建立關(guān)系。所以此時教師應(yīng)該讓學(xué)生充分表達(dá)在模型構(gòu)建中每一個圖形以及其比例關(guān)系（如2：1）的意義。這樣的討論加深了學(xué)生的思維活動程度，體現(xiàn)項目學(xué)習(xí)中學(xué)生為主體的特點。而且，在這樣的活動中學(xué)生基于活動體驗建構(gòu)知識，從原來的記憶物質(zhì)的化學(xué)式到理解化學(xué)式的含義方面有了非常大的轉(zhuǎn)變。例如學(xué)生都記得氧氣的化學(xué)式，但在推理的過程中卻只有少數(shù)學(xué)生能正確應(yīng)用化學(xué)式輔助推理，在討論過程中當(dāng)有的學(xué)生提出一個氧分子是由兩個氧原子構(gòu)成的觀點時，大多數(shù)學(xué)生才恍然大悟地意識到氧氣（雙原子分子）化學(xué)式的含義在這里的重要作用，并通過該過程更多地理解了化學(xué)式的含義。項目教學(xué)中更要關(guān)注學(xué)生的起點和發(fā)展點。

2.教材的教學(xué)轉(zhuǎn)化。

在教材向教學(xué)轉(zhuǎn)化中教師需要把握活動的邏輯關(guān)系，這是保障活動順利推進(jìn)的線索，并且可以根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)隨時調(diào)整活動的進(jìn)程以保證關(guān)鍵點的進(jìn)行。如推理開始之前對宏觀事實的深入回憶，是搭建從宏觀到微觀的重要紐帶。在活動中，教材為教師搭建臺階，讓學(xué)生畫出氫分子、氧分子和水分子的模型，進(jìn)而模擬水的分解。教學(xué)中，教師應(yīng)該在活動中充分給學(xué)生表達(dá)的空間，外顯學(xué)生的認(rèn)識。如果所有學(xué)生只提出方案一，教師可以給出方案二，讓學(xué)生充分討論質(zhì)疑。如果有學(xué)生同時提出方案一和方案二，可以讓學(xué)生之間充分論證。這樣學(xué)生在充分表達(dá)的過程中，為自己的猜想進(jìn)行辯論，找證據(jù)再論證，經(jīng)歷理論研究的過程。活動中教師可以追問水的示意圖，將學(xué)生的元素守恒觀念外顯；通過調(diào)整活動的線索將核心點進(jìn)行外顯。

通過實踐過程，最大的收獲是證實了我們的設(shè)計是符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，而且能引導(dǎo)學(xué)生展開討論并深入思考的。這樣的實踐過程，使我們的后續(xù)改寫有了更明確的思路和想法。根據(jù)試用的經(jīng)驗，我們將教材中活動內(nèi)容的編寫作了微調(diào)，如為了更好地外顯學(xué)生的認(rèn)識，我們加入“猜想水分子、氫分子、氧分子的微觀結(jié)構(gòu)”的內(nèi)容，目的是在模擬水分解和化合之前使學(xué)生先梳理已有的認(rèn)知，通過猜想模擬將從前已知的化學(xué)式與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)之間建立關(guān)系，便于后續(xù)活動更有條理。將模型修正環(huán)節(jié)與模擬過程合并為一個活動的不同階段，邏輯更緊湊，也更突出了“資料在線”的內(nèi)容及其作用，明確后續(xù)知識內(nèi)容和擴展活動的設(shè)計思路，更合理地將知識的學(xué)習(xí)融合在活動成果中。