以微粒觀引領專題教學的思考與實踐

吳朝輝

摘要：通過對微粒觀主要內容的歸納，揭示了微粒觀對化學學習和研究的重要作用。分析了蘇教版《化學1》的專題1的教材內容、初中階段微粒觀的教學及高中對微粒觀的學習要求，提出用微粒觀引領專題1教學，通過精心設計教學問題將學生思維不斷引向微粒觀，引導學生基于微觀視角分析物質組成、結構和性質，幫助學生建構化學核心觀念。

關鍵詞：微粒觀；化學核心觀念；問題設計；專題教學

文章編號：1005–6629（2017）10–0044–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

化學新課程教學非常重視學生化學基本觀念和基本方法的形成，注重學生對化學核心概念和基本原理的深入理解[1]。因此，新課程倡導開展觀念建構為本的教學，在關注知識與技能目標的同時，更重視思想、觀念這些高層次目標的達成[2]；強調在具體性知識基礎上通過不斷概括提煉出觀念或觀念性知識，建構起學科的觀念體系[3]，使學生在深入理解化學學科特征的基礎上獲得對化學的一些基本認識[4]。

在分析蘇教版《化學1》“專題1 化學家眼中的物質世界”的教材內容后，筆者將微粒觀設定為引領整個專題教學的核心觀念，據此設計教學問題，引導學生從微觀視角認識物質的構成，理解化學變化的本質，明晰化學變化的過程，對反應中的現象作出本質的判斷與推理[5]。

1 微粒觀及其重要性

微粒觀是基于微觀視角，從微粒種類和數量、微粒的相互作用、微粒的運動和變化等角度，研究物質組成、結構及其變化規(guī)律，形成本質認識的一種思想方法[6]。高中階段的微粒觀主要包括以下幾個方面[7～10]：

（1）微粒的種類及特點：①分子、原子和離子是構成物質的基本微粒，也是化學研究的重要對象；②微粒極其微小，常規(guī)量器無法度量其體積和質量；③原子是參加化學反應的最小微粒；④分子是保持物質化學性質的主要微粒，由若干個原子構成；⑤離子是帶電的原子或原子團，電解質溶液導電是基于離子定向移動。

（2）微粒的結構：①構成分（離）子的原子分布于立體空間，呈現一定的立體構型；②原子可再分為質子、中子和核外電子等更小微粒；③同一元素的原子質子數相同，但中子數不一定相同。

（3）微粒的數量：①宏觀物質是分子、原子、離子的聚集體；②用物質的量衡量物質具有的微粒數目。

（4）微粒的作用：①微粒內部更小的微粒間存在相互作用；②該微粒與其他微粒間存在相互作用；③微粒間發(fā)生化學變化的實質是強相互作用代替弱相互作用。

（5）微粒的運動和變化：①微粒間有間隙，間隙大小與聚集狀態(tài)有關；②微粒具有能量，不停地作無規(guī)則運動，運動受溫度等因素影響；③化學反應是原子間重組的動態(tài)過程。

（6）結構決定性質：①核外電子（特別是最外層電子）對化學性質有重要影響；②物質通過其獨特的微粒種類、相互作用類型、聚集方式和聚集尺度實現了從微觀結構到宏觀性質的過渡，賦予物質獨特的性質、用途、制法和保存方式；③物質的微觀結構決定物質宏觀性質，宏觀性質反映微觀結構。

化學不同于其他自然科學之處是不僅從宏觀上對物質的變化進行觀察和描述，更重要的是從微觀結構上對其進行解釋，以深刻把握物質變化的本質規(guī)律[11]。微觀認識是化學學科理解或解釋其基本問題“物質及其轉化”規(guī)律性的獨特思維方式[12]。故“宏觀辨識和微觀探析”被《普通高中化學課程標準（意見稿）》確定為學生必須具備的學科核心素養(yǎng)之一。

因此，中學教學一個重要任務是引導學生從微觀視角認識物質世界，形成科學認知。

2 在高中起始階段就需關注微粒觀

高中化學是在初中化學（科學）的基礎上實施的較高一層次的教學。高中教學以初中知識為基礎，是對初中內容的拓寬與延伸。所以我們必須了解初中階段圍繞微粒觀學了些什么，歸納起來有以下特點：

（1）涉及面窄。學生只要了解“物質是由極其微小的微粒構成的；微粒是不斷運動的；微粒之間存在一定的間隔；微粒之間存在相互作用”[13]。上述學習范圍只涉及微粒觀（1）、（4）、（5）中的部分內容（此處編號與前文“微粒觀的主要方面”編號一致。下同）。

（2）學習要求低。《義務教育化學課程標準（2011版）》中要求：“認識物質的微粒性，知道分子、原子、離子等是構成物質的微粒；能用微粒的觀點解釋某些常見的現象；知道原子是由原子核和核外電子構成的；知道原子可以結合成分子、同一元素的原子或離子可以相互轉化，初步認識核外電子在化學反應中的作用?！睂W習要求以知道、了解等淺層次的要求為主。

（3）解決實際問題的能力不足。初中階段只要求學生解釋與物質三態(tài)變化和擴散等有關的問題。如，溶解是一個怎樣的過程？為什么加熱會加速固體溶解、液體揮發(fā)？為什么攪拌可以加速溶解？為什么桂花能十里飄香？

進入高中后，學習要求陡然上升：要求學生從原子、分子、離子、化學鍵、官能團等角度深入分析化學變化的微觀特征[14]。如，通過電子轉移認識、配平氧化還原反應及利用得失守恒進行計算。用離子反應認知電解質在水溶液中反應的本質、判斷離子共存及根據溶液電中性進行計算。用微觀結構分析物質的相似性和遞變性。通過微粒間作用的變化計算反應過程的熱效應……

微粒觀需要借助專業(yè)詞匯才能概括與交流。這些詞匯是化學發(fā)展過程中逐漸固定下來的，本身具有一定的抽象性。學生需要一個從熟悉到領悟的漸進過程，才能建立詞匯和化學涵義之間的聯系。

經驗越豐富，處理問題越得心應手，所以應盡早從認知角度、廣度及深度等方面拓展學生的微粒觀，豐富學生從微粒觀理解物質組成、結構與性質的經驗。

3 在高中《化學1》專題1教學中可引入微粒觀

教材編寫專家會有意識地將部分核心觀念滲透進教材內容中，以具體知識為載體，促進學生建構化學核心觀念。所以實施觀念建構為本的教學，首先要審視教材內容，識別和提煉出一個關鍵性概念或原理或方法等作為核心觀念，為教學設計思維過程指明方向[15]?！秾ｎ}1 化學家眼中的物質世界》的內容如表1所示。endprint

從教材內容上看，物質的分類和轉化實質是分子等微觀粒子的變化；物質的量是微觀粒子與宏觀質量相聯系的基本物理量；物質聚集狀態(tài)的變化實質是微粒間相互作用的變化和分子間距離的變化，通過對物質微觀結構分析引出氣體摩爾體積；物質的分散系涉及分子等微觀粒子。第三單元是讓學生明白化學學習和研究必須進入原子、分子等微觀世界。所以本專題內容實質上是引導學生用化學眼光、從微觀的角度去認識物質世界，認識到宏觀和微觀的相互轉化是研究化學的科學方法之一[16]。

蘇教版教材主編王祖浩教授撰文指出：“專題1是《化學1》的‘靈魂，統(tǒng)領著專題2、專題3、專題4的內容，支撐著《化學1》教材的知識體系。只有處理好專題1的學習與應用的關系，才能逐漸形成比較合理的知識系統(tǒng)。……化學性質往往體現在宏觀變化上，但本質是不同形式的粒子運動和相互作用?！虼耍處熞龑W生‘看到、‘想到微粒的基本性質和相互作用，逐步深化對常見化學反應本質的認識。[17]”

4 在專題1教學中引入微粒觀的設計

微粒的抽象性對抽象思維能力不強的新高一學生來說障礙不小。所以需要依據學習進度和學情，將微粒觀的建構與基礎知識學習、基本技能訓練等有機結合起來，采取適時滲透、逐步整合、在應用中強化的策略[18]。下面圍繞本專題的教學單元，簡要介紹通過設計教學問題引導學生建構微粒觀。

[物質的量]根據H2與O2反應的化學方程式，提出4個問題：①2個氫分子需要幾個氧分子？②2g氫氣需要幾克氧氣？③2個氫分子需要幾克氧氣？④2g氫氣需要幾個氧分子？

初中階段已知道化學方程式有宏觀、微觀雙重涵義，故可以輕松回答問題①②。但是，問題③④則讓學生進入了“心求其通而未解，口欲言而未能”的憤悱狀態(tài)，發(fā)現方程式的宏觀、微觀涵義之間存在著一道無法逾越的鴻溝，必須引入新的物理量來消除割裂，完成便捷交流。問題③④讓學生意識到了引入“物質的量”的必要性和重要性，也有助于克服學習過程中的畏難情緒。

學習“物質的量”后，學生仿佛被賦予了這樣的能力，把想象力當成顯微鏡，窺視一個微小的世界、一個遙遠的世界，這個世界比宏觀世界要小幾十億、幾萬億倍，在那里可以看到組成物質的成分[19]。

微粒觀建構目標：（1）①②，（2）②，（3）。

[物質的聚集狀態(tài)]氣體、液體、固體有什么共性？它們?yōu)槭裁磿羞@樣的共性？為什么氣體的體積易受溫度、壓強的影響？決定物質體積的微觀因素有哪些？

學生知道物質三態(tài)的宏觀特性：氣體沒有固定的形狀和體積，液體有固定的體積但沒有固定的形狀，固體有固定的形狀和體積。但并不清楚其中的原因。

根據教材第10頁表1-3“不同聚集狀態(tài)物質的微觀結構與性質”以及圖1，引導學生從微觀視角分析和認知物質的三態(tài)。

固體的組成微粒排列緊密，間隙小，難以移動，所以固體難以形變和壓縮，故有固定的形狀和體積。氣體的組成微粒排列松散，間隙大，易形變、易被壓縮，所以氣體沒有固定的形狀和體積。液體的粒子間隙介于兩者之間，所以宏觀特性也介于兩者之間。

溫度升高，粒子間隙增大，體積增大。溫度降低，粒子間隙減小，體積減小，這就是熱脹冷縮。壓強增大，粒子間隙減小，體積減小。

由于固體、液體的間隙小，所以體積受溫度、壓強的影響較小。而氣體的粒子間隙大，所以氣體的體積易受溫度、壓強的影響。

借助教材第11頁的表1-4“1mol物質的體積”，得出影響體積的三個微觀因素：粒子數目、粒子直徑及粒子間隙。總結出1mol氣體的體積主要取決于粒子間隙，1mol固體或液體的體積主要取決于粒子直徑。又因為同溫同壓下，不同氣體的粒子間隙近似相等，自然地引出氣體摩爾體積：同溫同壓下，分子數相同的氣體具有相同的體積。

微粒觀建構目標：（1）①②，（3），（5）①。

[物質的分散系]溶液、濁液有什么特征？為什么會有這些特征？

溶液是均一、穩(wěn)定的混合物，而濁液是不均一、不穩(wěn)定的混合物。因為溶液是溶質粒子以離子或分子形式擴散到溶劑分子的間隙中形成的，故其外觀均一、穩(wěn)定。而濁液的分散質是以小液滴或小顆粒形式分散到分散劑中，故其外觀不均一、不穩(wěn)定。

再從微觀角度認識兩種分散系。因分子、離子的粒子直徑均小于10-9m，所以溶液的本質特征是分散質粒子直徑小于10-9m。而小液滴或小顆粒是分子或離子的集合體，粒子直徑都大于10-7m，故濁液的本質特征是分散質粒子直徑大于10-7m。

上述介紹會引發(fā)學生好奇，如果粒子直徑介于溶液與濁液之間應屬于什么分散系，具有什么樣的特性？順利引出膠體概念的同時，讓學生知道膠體是物質的一種常見的存在狀態(tài)，如云煙霧。如NaCl分散到水中可形成溶液，分散到酒精中則形成膠體。

微粒觀建構目標：（3）①②，（5）①②，（6）①②。

[電解質及其電離]為什么手上有汗時不要接觸電器開關？為什么NaCl溶液能導電？

因為汗液含有NaCl，能導電。分析教材第15頁圖1-10“氯化鈉在水中的電離”并結合化學史開展教學活動。1884年瑞典化學家阿累尼烏斯提出了電離學說：物質能導電，是因為溶于水時會解離成帶電荷的離子。如NaCl溶于水時，在水分子作用下解離成能自由移動的Na+和Cl-，在外加電壓的作用下，Na+和Cl-定向移動實現導電。endprint

借助電離和電離方程式，發(fā)現了酸、堿各自的共同點：酸溶液中的陽離子全是H+，堿溶液中的陰離子全是OH-。從微觀角度掌握了酸、堿具有通性的本質原因，強化了物質分類觀及結構決定性質的觀念。

電離和電離方程的學習可延伸到“溶液配制及分析”一節(jié)，它們是分析溶液中離子組成的重要工具。當然，通過計算各離子濃度也能鞏固對電離的認知。

分析和判斷物質能否電離及電離產生的離子，有助于學生從微觀角度理解電解質在水溶液中的各種行為，歸納它們在水溶液中的化學反應的實質。

微粒觀建構目標：（1）①⑤，（3）①②，（6）①②。

在微粒觀的指引下，學生完成了特殊到一般、整體與部分的歸納：組成相似的物質，化學性質相似；相似部分是支持物質共性的基礎。

微粒觀建構目標：（1）①③④⑤，（4）②③，（5）③，（6）①②。

[原子結構模型的演變][原子的構成]人類對原子的認識經歷了怎樣的從低級到高級的過程？原子的核外電子是如何排布？原子結構如何影響化學性質？

要研究物質的宏觀性質，必須到微觀世界去尋找原因?；瘜W研究雖然涉及多種微觀粒子，但最主要的是研究原子。因為，只要了解了原子結構，就可以了解分子和離子結構；了解了原子的結構，就可更深入地認識物質的組成和結構，了解化學變化的規(guī)律[21]。

在認識了多電子原子的電子分層排布規(guī)律后，根據Mg、O、Mg2+、O2-的核外電子排布變化，從微觀角度歸納：①原子參與化學反應時，原子核不變，變化的是最外層電子。②最外層電子會向8電子穩(wěn)定結構轉化。③最外層電子數小于4時，易失去電子。最外層電子數大于4時，易得到電子。等于4時，既難以得到也難以失去。④元素失電子后化合價上升；元素得電子后化合價降低。⑤電子得失的過程又稱為電子轉移。

通過解剖原子，使學生認識了核外電子，知道了“結構決定性質”，特別是最外層電子在化學反應中的關鍵作用。

微粒觀建構目標：（1），（2），（4）①②③，（5）②③，（6）①②。

微粒觀的建構離不開學生積極主動的想象。但學生的想象需要問題引導，尤其是對于抽象概念的想象，更需要教師設疑激發(fā)[22]。在本專題的教學中，還可提供一些拓展性問題供學生討論與思考，如：為什么同一容器中的氣體分子越多，壓強會越大？NaCl在其飽和溶液中不再溶解了嗎？為什么質量不再改變？為什么將晶體磨細能加快NaCl的溶解？為什么NaCl固體不導電？影響溶液導電能力的因素有哪些？……通過拓展性問題讓學生養(yǎng)成一種從微粒視角去思考宏觀現象的意識，形成科學、嚴謹的想象能力，既能想象靜態(tài)微粒，又能想象微粒的動態(tài)變化。

5 反思

核心觀念建構是一個對大量經驗認識進行抽象、概括的歸納過程[23]，注重的是核心觀念對學生的持久性影響和遷移性價值，強調培養(yǎng)學生深層理解力和科學思維能力[24]。本文通過體悟教材編寫意圖，挖掘精髓內涵，引導學生深化對微粒觀的認知，目的是讓學生能牢固地、準確地以及多角度地建立起這一基本化學觀念[25]。當然，僅通過一個專題的教學，還不足以建構起完整的微粒觀，需繼續(xù)強化和提升。

總之，在教學中應精心選擇問題，將學生的思維向微粒觀延展和聚焦，以具體性、事實性知識為載體，培養(yǎng)見著知微的能力，逐步完成微粒觀思維拼圖，多方位地建構對化學的本源認知：化學是一門在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、變化及其應用的基礎自然科學。然后從這一認知向外發(fā)散，用微粒觀分析物質在化學反應中的種種表現，實現與其他化學核心觀念（元素觀、變化觀、能量觀等）的串聯。

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