基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物質(zhì)組成教學(xué)—以“研究水的組成”為例

張永梅

一、研究背景

核心素養(yǎng)是指學(xué)生應(yīng)具備的能夠適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，核心素養(yǎng)代表了一系列知識(shí)、技能和態(tài)度的集合，它們是可遷移的、多功能的，這些素養(yǎng)是每個(gè)人發(fā)展自我、融入社會(huì)及勝任工作所必需的?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之“證據(jù)推理”的培養(yǎng)目標(biāo)包括“能初步學(xué)會(huì)收集證據(jù)，基于證據(jù)進(jìn)行分析推理，證實(shí)或證偽假設(shè)，能解釋證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，確定形成科學(xué)結(jié)論所需要的證據(jù)和尋找證據(jù)的途徑”。證據(jù)推理能力是對(duì)科學(xué)理論進(jìn)行歸納和演繹的過程，經(jīng)由發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、證據(jù)評(píng)估、解釋推斷等一系列活動(dòng)，最終使問題得以解決的思維過程。在這一系列活動(dòng)中所需要的內(nèi)在思維能力和技能即為證據(jù)推理能力，是思維發(fā)展到一定程度后的一種高級(jí)思維形式。需要教師在深刻理解證據(jù)推理能力內(nèi)涵、構(gòu)成的基礎(chǔ)上，深入地挖掘?qū)W生頭腦中證據(jù)推理能力的形成歷程，從而指導(dǎo)學(xué)生形成內(nèi)在邏輯的思維形式。

認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成是對(duì)物質(zhì)性質(zhì)及其化學(xué)變化本質(zhì)的深層次理解，確定物質(zhì)成分不應(yīng)只通過物質(zhì)的性質(zhì)，還需要通過變化，在分子、原子層次上，研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，即研究化合物組成的第一個(gè)角度是確定元素種類，第二個(gè)角度是確定分子中各原子的數(shù)量關(guān)系。研究化合物的元素組成時(shí)，可以采用以下模型：通過分解反應(yīng)將未知組成的物質(zhì)分解為單一元素組成的較簡(jiǎn)單的已知組成的物質(zhì)，然后根據(jù)元素種類守恒，推斷出未知物中的元素組成。研究化合物分子中的原子個(gè)數(shù)比時(shí)可以根據(jù)宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和微粒粒子數(shù)量的關(guān)系，進(jìn)行嚴(yán)密推理。

二、教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施過程

1.引入

觀看視頻：美國(guó)一個(gè)天文學(xué)家團(tuán)隊(duì)宣布在一顆褐矮星上發(fā)現(xiàn)水的存在。

【教師設(shè)問】科學(xué)家如何確定發(fā)現(xiàn)的物質(zhì)就是水？

【學(xué)生反饋】聞氣味、嘗味道、觀察狀態(tài)等。

【教師點(diǎn)撥】確定物質(zhì)成分不應(yīng)只通過物質(zhì)的性質(zhì)，還需要通過變化，在分子、原子層次上，研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。

2.環(huán)節(jié)一：確定研究水的元素組成的思路和方法

觀看資料：二百多年前，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫把少量紅色粉末放在密閉的容器里連續(xù)加熱12天，發(fā)現(xiàn)該紅色粉末變?yōu)殂y白色的液態(tài)汞和氧氣。

【教師設(shè)問1】你能否推測(cè)出這些紅色粉末的元素組成？依據(jù)是什么？

【學(xué)生反饋】紅色粉末的組成中有汞元素和氧元素。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，反應(yīng)前后元素的種類不變。分解后得到的兩種物質(zhì)中只含有汞元素和氧元素，這些元素都來自于唯一的反應(yīng)物—該紅色粉末，所以該紅色粉末由氧元素和汞元素組成。

【教師設(shè)問2】如何研究水的元素組成？你的依據(jù)是什么？

【學(xué)生反饋】確定方案：通過分解水，并分析所得生成物中的元素，反推水的元素組成。

本環(huán)節(jié)的功能價(jià)值：借助化學(xué)史，確定依據(jù)元素守恒可以判斷物質(zhì)的元素組成，并發(fā)現(xiàn)選擇分解反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。使學(xué)生意識(shí)到研究化合物的元素組成時(shí)可以采用以下模型：通過分解反應(yīng)將未知組成的物質(zhì)分解為單一元素組成的較簡(jiǎn)單的已知組成的物質(zhì)，然后根據(jù)元素種類守恒，推斷出未知物中的元素組成。引導(dǎo)學(xué)生完成從感性認(rèn)識(shí)到理性思維的過渡，突出本課題的研究?jī)r(jià)值。

3.環(huán)節(jié)二：研究水的元素組成

【教師設(shè)問1】如何讓水分解？

【教師點(diǎn)撥】水分解需要的溫度很高，不易達(dá)到。化學(xué)家們采用電解的方式分解水。

介紹裝置：(1)1789年，楊?魯?shù)婪?德曼和阿德里安?派斯?范?特魯斯維克使用靜電電解水。(2)1800年，威廉尼克森和安東尼?卡萊爾使用伏打電池電解水。(3)1869年，格拉姆發(fā)明直流發(fā)電機(jī)，電解水逐漸引人關(guān)注。

【演示實(shí)驗(yàn)】電解水，并檢驗(yàn)生成物。

【教師設(shè)問2】電解水生成了哪些物質(zhì)？

【學(xué)生反饋】?jī)蓸O都產(chǎn)生氣體，正極與負(fù)極氣體的體積比為1:2，正極為氧氣，負(fù)極為氫氣。

【教師設(shè)問3】通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以確定水的元素組成嗎？

【學(xué)生反饋】水分解后生成氫氣和氧氣，這兩種氣體分別由氫元素和氧元素組成，即反應(yīng)后生成了氫元素和氧元素。根據(jù)元素守恒，氫、氧元素來自于唯一的反應(yīng)物水，所以水由氫元素和氧元素組成。

【教師設(shè)問4】上述推理過程是否嚴(yán)謹(jǐn)？

【學(xué)生反饋】如果水分解后，還有其他生成物，且這種生成物中有除氫、氧外的元素，則推理無法達(dá)成。

【教師設(shè)問5】如何證明電解水的生成物中，沒有其他元素組成的物質(zhì)？

【學(xué)生反饋】(1)將剩下的液體全部電解完，看是不是只有氫氣和氧氣。(2)將生成的氫氣和氧氣混合反應(yīng)，看能否再生成水。(3)將電解后的液體和純水進(jìn)行對(duì)比，證明電解后剩余的液體仍是水。(4)看消耗水的質(zhì)量與生成氫氣和氧氣的質(zhì)量之和，是否相等。

觀看資料：1785年，拉瓦錫將一定質(zhì)量的氫氣和氧氣在一起燃燒，化合后生成了同質(zhì)量的水；再將這些水分解，仍然得到同質(zhì)量的氫氣和氧氣。

【學(xué)生反饋】電解水只生成氫氣和氧氣，從而得出結(jié)論：水由氫元素和氧元素組成。

本環(huán)節(jié)的功能價(jià)值：通過連續(xù)的問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷“得出證據(jù)→發(fā)現(xiàn)證據(jù)的不嚴(yán)謹(jǐn)性→進(jìn)一步完善證據(jù)→進(jìn)行推理→重新得出結(jié)論”，從而明確證據(jù)與結(jié)論之間的關(guān)系，感知推理不僅要依據(jù)證據(jù)，同時(shí)還要考慮證據(jù)是否嚴(yán)謹(jǐn)，是否充分必要。并通過定性、定量?jī)煞N分析方法，從“舊物質(zhì)消耗”和“新物質(zhì)生成”兩個(gè)角度研究分析，關(guān)注化學(xué)變化的特征和過程，感受“分”和“合”在研究純凈物組成時(shí)的便捷性及合理性。

4.環(huán)節(jié)三：探究水分子的原子構(gòu)成

【教師設(shè)問1】知道元素組成，就能確定液體是水么？

【學(xué)生反饋】不可以，過氧化氫和水的組成元素相同，但不是同一種物質(zhì)。

【教師點(diǎn)撥】確定物質(zhì)的組成不只要了解元素種類，還要了解構(gòu)成物質(zhì)的微粒種類。水由水分子構(gòu)成，我們?cè)賮韲L試推斷水分子的構(gòu)成情況。

(1)同溫同壓下，氣體的體積比為分子個(gè)數(shù)比。(2)1805年，法國(guó)化學(xué)家蓋?呂薩克利用以下實(shí)驗(yàn)精確測(cè)定水的組成：2體積氫氣和1體積氧氣點(diǎn)燃生成2體積水蒸氣。

讓學(xué)生觀看資料。

【教師設(shè)問2】結(jié)合資料，利用球棍模型，推理一個(gè)水分子中的原子構(gòu)成是怎樣的？

【學(xué)生反饋】參加反應(yīng)的氫氣、參加反應(yīng)的氧氣、生成水蒸氣的體積比為2:1:2，即氫分子、氧分子、水分子的個(gè)數(shù)比為2:1:2。那么，共有4個(gè)氫原子和2個(gè)氧原子平分到2個(gè)水分子中。從而得出結(jié)論：一個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子構(gòu)成。

本環(huán)節(jié)的功能價(jià)值：引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注研究化合物組成的第一個(gè)角度是確定元素種類，第二個(gè)角度是確定分子中各原子的數(shù)量關(guān)系。指導(dǎo)學(xué)生分析資料信息，理解宏觀實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和微觀粒子數(shù)量的關(guān)系，進(jìn)行嚴(yán)密推理，得出水的微觀構(gòu)成。

5.小結(jié)

【教師設(shè)問】通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你了解到研究化合物組成的角度和方法是什么？

【學(xué)生反饋】(1)研究化合物組成的角度包括宏觀和微觀兩方面：組成元素和分子構(gòu)成。(2)研究化合物組成的方法可借助“分解”或“化合”反應(yīng)，分析物質(zhì)種類和量的變化，即定性和定量?jī)蓚€(gè)方面。(3)研究化合物的元素組成時(shí)，依據(jù)的基本原理是：化學(xué)反應(yīng)前后，元素的種類不變。(4)找證據(jù)時(shí)，證據(jù)與結(jié)論的關(guān)系要一一對(duì)應(yīng)。而且證據(jù)要嚴(yán)謹(jǐn)且充分必要。

觀看資料：X-射線單晶衍射儀器可以觀測(cè)到冰中的水分子，北京大學(xué)科學(xué)家也首次拍到水分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

6.課后應(yīng)用

問題1：堿式碳酸銅是一種綠色粉末狀固體，加熱后可分解生成氧化銅、二氧化碳和水。根據(jù)以上信息，推理堿式碳酸銅的組成，并說明你推理的依據(jù)。

問題2：鎂是一種活潑金屬，燃燒的鎂條在二氧化碳?xì)怏w中也不會(huì)熄滅，而是劇烈反應(yīng)后生成一種黑色固體和一種白色固體。根據(jù)以上信息，推測(cè)這兩種固體的可能組成，并說明你推理的依據(jù)。

問題3：李比希于1831年最早提出測(cè)定有機(jī)化合物中碳、氫元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的方法—取1體積某有機(jī)物氣體在2體積氧氣中完全燃燒，可生成1體積二氧化碳和2體積水蒸氣。請(qǐng)根據(jù)以上信息，推理這種有機(jī)物的化學(xué)式，并說明你推理的依據(jù)(已知：同溫同壓下，氣體體積比為分子個(gè)數(shù)比)。

三、基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物質(zhì)組成的教學(xué)策略

如何開展物質(zhì)組成的教學(xué)，如何在進(jìn)行物質(zhì)組成教學(xué)的過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，筆者有如下思考。

第一，初中化學(xué)階段有兩次對(duì)于物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生建立并認(rèn)知相應(yīng)的研究模型。第一次是通過“測(cè)定空氣中的氧氣含量”的探究活動(dòng)建立并認(rèn)知“研究混合物組成的方法”的模型。第二次就是通過“研究水的組成”的探究活動(dòng)建立并認(rèn)知“研究化合物組成的方法”的模型，即利用化合或分解反應(yīng)，根據(jù)元素守恒，推斷物質(zhì)的元素組成。模型的建立需要學(xué)生自主進(jìn)行，不能由教師直接給出，但可以提供化學(xué)史上科學(xué)家研究的范例。

第二，全面認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成的角度包括宏觀和微觀兩方面，通過“研究水的組成”的探究活動(dòng)可以幫助學(xué)生建構(gòu)部分“元素觀”和“微粒觀”。通過多個(gè)學(xué)生活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到研究物質(zhì)組成的順序：先了解組成物質(zhì)的元素種類，再了解構(gòu)成物質(zhì)的微粒構(gòu)成。

第三，在實(shí)施教學(xué)活動(dòng)時(shí)，要關(guān)注培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理的核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的邏輯思維能力。實(shí)際上，很多學(xué)生已經(jīng)知道“水由氫元素和氧元素組成”和“電解水會(huì)產(chǎn)生氫氣和氧氣”等內(nèi)容，但他們對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)識(shí)是割裂的，不知道彼此之間的關(guān)系，也就是“知其然而不知其所以然”。通過“確定研究水的元素組成的思路和方法”的學(xué)生活動(dòng)，指導(dǎo)學(xué)生自主建立實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)?zāi)康闹g的關(guān)聯(lián)，做到“知其然”。然后，通過設(shè)問“上述推理過程是否嚴(yán)謹(jǐn)？”讓學(xué)生深入體會(huì)證據(jù)與結(jié)論之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并理解收集的證據(jù)要充分必要。

參考文獻(xiàn)

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