“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”教學(xué)現(xiàn)狀與教學(xué)建議

曠湘平，王愛民，楊　焱，劉春平

“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”是《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)課程內(nèi)容中“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”四個二級主題之一，也是初中化學(xué)的核心觀念——化學(xué)物質(zhì)觀的主要載體。但是，在初中《化學(xué)》教科書(人教版)等現(xiàn)行初中化學(xué)主流教材中，卻沒有相關(guān)的章節(jié)。為此，我們就該主題的教學(xué)進行了研究。

一、對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的認識

(一)多視角認識物質(zhì)的多樣性

物質(zhì)，從哲學(xué)的視角看就是存在，不依賴于人的主觀意識而存在的客觀實在。我們周圍所有的客觀存在都是物質(zhì)。狹義的物質(zhì)是指構(gòu)成宇宙萬物的實物、場等客觀事物。

化學(xué)物質(zhì)，指任何有特定分子標(biāo)識的有機物質(zhì)或無機物質(zhì)。[1]也可以認為是從化學(xué)科學(xué)的視角特指的物質(zhì)。化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律的一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，其特征是研究物質(zhì)和創(chuàng)造物質(zhì)。所以化學(xué)是一門關(guān)于物質(zhì)的科學(xué)?；瘜W(xué)所研究的“物質(zhì)”和創(chuàng)造的“物質(zhì)”，就是“化學(xué)物質(zhì)”。所有的化學(xué)物質(zhì)都是由極小的粒子構(gòu)成的，如原子、分子或者離子。[2](P1-55)這樣“化學(xué)物質(zhì)”就區(qū)別了物理中“物質(zhì)”及生物中的“物質(zhì)”。

多樣性，指多種多樣的性質(zhì)?；瘜W(xué)物質(zhì)的多樣性是指從化學(xué)的視角來研究物質(zhì)多形態(tài)、多種類的性質(zhì)。即從原子、分子等微觀粒子的層次，研究化學(xué)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的多樣性。

(二)課程標(biāo)準(zhǔn)對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的要求

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出了“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的主要內(nèi)容：一是認識物質(zhì)三態(tài)及其轉(zhuǎn)化。二是對常見的物質(zhì)進行簡單區(qū)分和分類。區(qū)分純凈物和混合物、單質(zhì)和化合物、有機物和無機物；知道無機物可以分為氧化物、酸、堿和鹽；從元素組成上認識氧化物。三是認識物質(zhì)的多樣性。其中，“認識物質(zhì)的多樣性”是總觀性內(nèi)容。所以，物質(zhì)的多樣性，應(yīng)從物質(zhì)的狀態(tài)、物質(zhì)的組成元素、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等不同視角來認識。“認識”是認知性學(xué)習(xí)目標(biāo)的水平之一。該層次學(xué)習(xí)水平的特征是指能夠初步理解學(xué)習(xí)材料的意義。即懂得“是什么”。結(jié)合前兩項具體內(nèi)容分析，“認識化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的細化目標(biāo)就是：知道世界上的化學(xué)物質(zhì)有數(shù)千萬種，它們有不同的性質(zhì)，即化學(xué)物質(zhì)有多種多樣，其性質(zhì)也是多種多樣；知道物質(zhì)宏觀上都是由元素組成的，微觀上都是由微粒構(gòu)成的，這些微?？梢允窃印⒎肿踊螂x子，不同的微粒有不同的結(jié)構(gòu)和不同的性質(zhì)；知道相同的微粒也因微粒排列方式和作用力的不同，而有不同的性質(zhì)；為了學(xué)習(xí)與研究的方便，要根據(jù)物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)對數(shù)千萬種物質(zhì)進行分類。

(三)現(xiàn)教材對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”內(nèi)容安排

我們將初中《化學(xué)》教科書(人教版)與《課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”提出的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)、活動與探究建議、學(xué)習(xí)情景素材等進行對照，發(fā)現(xiàn)教科書對課程標(biāo)準(zhǔn)建議進行了優(yōu)化處理。如并沒有將“加熱碘的固體”、“鐵的幾種氧化物”等內(nèi)容編入其教材，“從元素組成上認識氧化物”的教學(xué)情景素材也主要是“碳的氧化物”等，具體見表1。

表1.初中《化學(xué)》(人教版)“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”教學(xué)內(nèi)容安排

同時，將“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”部分內(nèi)容安排到高中。如在人教版《高中化學(xué)》教科書必修教材中安排了“物質(zhì)的分類”并再次編入實驗活動“粗鹽中難溶性雜質(zhì)的去除”；魯教版《高中化學(xué)》教科書必修教材中安排了“碳的多樣性”、“利用化學(xué)反應(yīng)制備新物質(zhì)”；蘇教版《高中化學(xué)》教科書必修教材中則安排了更多相關(guān)的內(nèi)容，有“豐富多彩的化學(xué)物質(zhì)”、“微粒結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的多樣性”、“從物質(zhì)的結(jié)構(gòu)看物質(zhì)的多樣性”、“化學(xué)是認識和創(chuàng)造物質(zhì)的科學(xué)”等專題。但不論是哪套教材，都是從相關(guān)的概念入手，對化學(xué)物質(zhì)的某一種多樣性現(xiàn)象進行分析，都沒有對化學(xué)物質(zhì)的多樣性產(chǎn)生的原因進行歸納和整理，初中教材更是如此。

二、“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查與分析

“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”在初中階段的教學(xué)情況是否達到了課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，筆者基于中學(xué)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，運用空間模型理論進行認知診斷研究。[3]通過對初中《化學(xué)》教科書(人教版)有關(guān)“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的內(nèi)容進行梳理，確定“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的屬性(見表2)，并對屬性間的層級關(guān)系進行分析，形成化學(xué)物質(zhì)多樣性的知識屬性層級圖(見圖1)。根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》教學(xué)理念及《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(實驗稿)教學(xué)要求，分別編制學(xué)生診斷測試卷和教師問卷，并將試卷與屬性匹配，形成試題與屬性關(guān)系矩陣。選取三所省示范性高中(主要生源分別來自城區(qū)、農(nóng)村、少數(shù)民族地區(qū)農(nóng)村)各50名高一新生進行診斷測試；對某市58名各類學(xué)校的初中化學(xué)教師(其中具有化學(xué)與化學(xué)教育?？埔陨蠈W(xué)歷的43名，占74.1%)進行問卷調(diào)查。根據(jù)測試與問卷調(diào)查情況，診斷出“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”在初中階段的教學(xué)現(xiàn)狀。

圖1　化學(xué)物質(zhì)多樣性的知識屬性層級圖

表2.化學(xué)物質(zhì)的多樣性的屬性

說明：能力層次：A為知道、記住等；B為認識、識別、了解等；C為理解、解釋、說明等。部分內(nèi)容在高中學(xué)習(xí)。

考慮學(xué)生/教師答題過程中緊張、粗心等各種心理因素，按照如下原則進行診斷分析：0-20%視為心理因素造成；20-50%視為鞏固屬性；50%以上視為強化屬性。統(tǒng)計學(xué)生/教師在錯誤答題中各屬性出現(xiàn)的次數(shù)與測試題中各屬性出現(xiàn)的總數(shù)的百分率，詳見圖2。

圖2　學(xué)生/教師答題中各屬性出現(xiàn)的錯誤次數(shù)百分率

(一)學(xué)生學(xué)習(xí)狀況分析

根據(jù)圖2相關(guān)數(shù)據(jù)分析，學(xué)生在“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”方面的學(xué)習(xí)情況有如下特點：

1. 整體上分析：A2微觀角度認識物質(zhì)的三態(tài)變化，A4運用物態(tài)變化的多樣性解釋實際問題，B4認識溶液，B5運用物質(zhì)組成的多樣性解釋實際問題，C1認識原子，C2認識分子，C3認識離子，C4認識晶體屬于鞏固屬性；C5運用物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性解釋實際問題屬于強化屬性；學(xué)生掌握較好的屬性為A1宏觀角度認識物質(zhì)的三態(tài)變化，A3物質(zhì)三態(tài)變化中的熱效應(yīng)，B1認識化學(xué)元素，B2認識純凈物，B3認識混合物。

2. 宏觀視角對物質(zhì)多樣性的認知較好，學(xué)生元素觀基本形成。如從宏觀角度認識物質(zhì)的三態(tài)變化；從元素觀區(qū)分單質(zhì)和化合物，將無機物分為氧化物、酸、堿和鹽等；從化學(xué)變化和物質(zhì)分類的角度認識物質(zhì)的多樣性等。

3. 微觀的視角對物質(zhì)多樣性的認知需要鞏固，學(xué)生尚未系統(tǒng)建構(gòu)微粒觀。如從微觀的視角分析物質(zhì)的三態(tài)及變化得分較低。學(xué)生對物質(zhì)發(fā)生三態(tài)變化時分子間距離變化的關(guān)系認識不清；部分學(xué)生認為溫度升高，分子的大小與分子間的距離都會增大；一些學(xué)生不能對化學(xué)變化與物理變化中微粒結(jié)構(gòu)的變化做出正確的分析：化學(xué)變化是原子的重新組合，物理變化是分子間距離的變化。

4. 物質(zhì)多樣性的原因分析和運用物質(zhì)的多樣性解釋實際問題有待強化。很多學(xué)生對“物質(zhì)的多樣性”的主要原因存在認知缺陷，不能將物質(zhì)的性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)建立相互聯(lián)系進行正確的分析，很難準(zhǔn)確運用物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成的多樣性解釋實際問題。

(二)教師教學(xué)狀況分析

根據(jù)圖2相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合問卷調(diào)查結(jié)果分析，教師在“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”教學(xué)中主要存在如下問題：

1. 教師對初中教材以外的“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”新知識了解不夠。如原子、分子、晶體的多樣性、有機物的多樣性等拓展性知識學(xué)習(xí)不夠。49%的教師對物態(tài)的認識還停留在氣、液、固三態(tài)，對廣泛應(yīng)用于日常生活的液晶態(tài)、玻璃態(tài)、離子態(tài)物質(zhì)等物質(zhì)狀態(tài)的知識理解不準(zhǔn)確。對原子結(jié)構(gòu)、化學(xué)物質(zhì)種類等新知識關(guān)注不夠，38.6%的教師對“原子種類(核素)超1 000種”、“已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界存在的和實驗室合成的物質(zhì)超過3 500萬種，并且還以每年近百萬種的速度增加”等新知識缺乏了解。

2. 教師對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”知識存在認知盲區(qū)。60.3%的教師選擇原子的種類為115種或258種；42%的教師不能全面、準(zhǔn)確回答產(chǎn)生物質(zhì)多樣性的原因；59%的教師對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的概念理解存在偏差；32%的教師贊成或很贊成將“化學(xué)物質(zhì)的多樣性可以理解成化學(xué)物質(zhì)的分類”。

3. 教師對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的教學(xué)研究不夠，對其教學(xué)要求把握不準(zhǔn)。38%的教師不經(jīng)常或從不在教學(xué)中滲透化學(xué)物質(zhì)多樣性的知識；31%的教師關(guān)注課程標(biāo)準(zhǔn)中“能從元素組成上認識氧化物”，而在酸、堿和鹽教學(xué)中對它們所呈現(xiàn)的物質(zhì)多樣性內(nèi)容卻很少提及。現(xiàn)行人教版初中化學(xué)教材沒有“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”這一主題章節(jié)，而是將其分散在各個章節(jié)。教師沒有對其引起重視，難以建立物質(zhì)多樣性的觀念。教學(xué)要求難以落實。

4. 教師對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”所體現(xiàn)的教學(xué)價值挖掘不夠。教學(xué)設(shè)計時沒有從課程標(biāo)準(zhǔn)的視角整體把握，只注重對教材中具體的化學(xué)內(nèi)容進行“精細化”教學(xué)，對隱含在化學(xué)知識中的“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”沒有深度挖掘?！盎瘜W(xué)物質(zhì)的多樣性”不僅體現(xiàn)在物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)的用途等化學(xué)核心知識，也體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科觀念、化學(xué)思維方式。部分教師對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”所蘊含的教學(xué)價值認識不足，使得其教學(xué)處于粗淺、零散的狀況，降低了課堂教學(xué)的品質(zhì)與深度。

三、對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的教學(xué)建議

除教師加強業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)，更新相關(guān)知識外，更要研究課程標(biāo)準(zhǔn)對“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的教學(xué)要求，挖掘其教學(xué)價值，提高教學(xué)效果。

宏觀與微觀的聯(lián)系是化學(xué)不同于其他科學(xué)最具特征的思維方式，離開這個基本點就不是化學(xué)。這個基本點的載體就是物質(zhì)的多樣性。因此，化學(xué)物質(zhì)的多樣性是研究物質(zhì)、創(chuàng)造物質(zhì)的基礎(chǔ)，是化學(xué)學(xué)科思維的核心節(jié)點；也是集化學(xué)物質(zhì)知識、化學(xué)學(xué)科觀念與方法于一體的化學(xué)學(xué)科核心內(nèi)容。在初中化學(xué)教學(xué)中，應(yīng)構(gòu)建以物質(zhì)觀為主線，以物質(zhì)的多樣性現(xiàn)象為載體，以分類、實驗、模型、構(gòu)性關(guān)系等學(xué)科方法為途徑，以掌握物質(zhì)變化的規(guī)律性為目的的“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”教學(xué)思路，突出對物質(zhì)的多樣性本質(zhì)的教學(xué)，如圖3。

(一)建構(gòu)“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的知識結(jié)構(gòu)

知識的質(zhì)量表現(xiàn)有四大基本的指征：一是全面、二是準(zhǔn)確、三是深刻、四是關(guān)系清晰。[4]全面是抓住所有，準(zhǔn)確是抓住細節(jié)，深刻是抓住本質(zhì)，關(guān)系清晰才能將知識點及知識點之間的關(guān)系把握得全面、準(zhǔn)確和深刻，其知識結(jié)構(gòu)才是“最優(yōu)知識結(jié)構(gòu)”。“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”知識點多、面廣、形散，幫助學(xué)生全面、準(zhǔn)確、深刻地構(gòu)建清晰的知識關(guān)系尤為重要。

在新課教學(xué)中，每學(xué)習(xí)一個相關(guān)的物質(zhì)知識，可組織學(xué)生討論，引導(dǎo)學(xué)生從物態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)的視角，理解物質(zhì)世界豐富多彩的原因，用思維導(dǎo)圖或列表等形式，將新的物質(zhì)知識“同化”到已有物質(zhì)知識體系中，構(gòu)建全面、準(zhǔn)確與深刻的知識結(jié)構(gòu)(部分知識在高一補充)，形成意義建構(gòu)[5]，讓學(xué)生懂得，化學(xué)物質(zhì)的多樣性，其本質(zhì)是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的多樣性，知識結(jié)構(gòu)體系見圖4。

圖3　“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”教學(xué)思路圖

圖4　“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”知識結(jié)構(gòu)體系

(二)物質(zhì)觀統(tǒng)領(lǐng)“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的學(xué)習(xí)過程

“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”是物質(zhì)知識的核心內(nèi)容，其知識學(xué)習(xí)貫穿于整個中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)過程，要用物質(zhì)觀來統(tǒng)領(lǐng)。宏觀上物質(zhì)的多樣性現(xiàn)象，自始至終要與物質(zhì)觀的解釋相結(jié)合。物質(zhì)觀是指世界是物質(zhì)的；物質(zhì)在宏觀上是由元素組成的，微觀上是由微粒構(gòu)成的；物質(zhì)之間在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的。元素觀、微粒觀、轉(zhuǎn)化觀都屬于物質(zhì)觀。

首先，要用元素觀為指導(dǎo)，學(xué)習(xí)物質(zhì)的多樣性。即從元素的視角認識到不同的元素可以組成不同的單質(zhì)和化合物。了解100多種元素能構(gòu)成種類繁多的物質(zhì)世界。最終構(gòu)建以元素為核心的描述物質(zhì)世界的認知框架。如從元素觀認識碳元素可以形成不同種碳的單質(zhì)；碳元素可以與氧元素形成一氧化碳和二氧化碳；還有碳酸和多種碳酸鹽；后續(xù)課程中還將學(xué)習(xí)多種有機化合物。這樣就組成了由多種多樣的物質(zhì)、多種多樣的性質(zhì)所組成的“碳氏”家族。學(xué)生一聽到碳元素，就能夠自主想到含有碳元素的常見物質(zhì)，學(xué)習(xí)二氧化碳的性質(zhì)，就能意識到這是在學(xué)習(xí)碳元素物質(zhì)家族中一個代表物，為形成碳及其化合物的知識結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

其次，要用微粒觀為指導(dǎo)，學(xué)習(xí)物質(zhì)的多樣性。即運用微觀模型展現(xiàn)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生認識到不同的物質(zhì)有不同的微觀結(jié)構(gòu)。[6]如通過微觀實物模型幫助學(xué)生了解水分子在物態(tài)發(fā)生變化時，微粒的排列方式發(fā)生的變化、水電解時微粒本身結(jié)構(gòu)的變化。通過微觀實物模型展示金剛石、石墨、C60不同結(jié)構(gòu)中碳原子的排列的不同，導(dǎo)致性質(zhì)的不同。通過結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，認識物質(zhì)性質(zhì)不同的本質(zhì)原因。

在物質(zhì)觀基礎(chǔ)上建立起的對物質(zhì)多樣性的認識遠比讓學(xué)生懂得什么是同素異形現(xiàn)象、物質(zhì)如何分類更為重要。因為只有構(gòu)建起用元素觀、微粒觀的視角去思考和解決問題的思維方式，學(xué)生才能利用物質(zhì)觀去解釋日常生活中的一些宏觀現(xiàn)象。

(三)轉(zhuǎn)化觀凸顯“化學(xué)物質(zhì)的多樣性”的應(yīng)用價值

化學(xué)物質(zhì)存在多樣性，物質(zhì)世界才豐富多彩。從數(shù)千萬種物質(zhì)中尋找本質(zhì)，掌握物質(zhì)變化的規(guī)律性，創(chuàng)造新物質(zhì)，是學(xué)習(xí)與研究化學(xué)的首要任務(wù)。在初中階段，要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)進行分類，運用分類、實驗、模型、基于性構(gòu)關(guān)系的推理等方法與手段，從變化的視角，學(xué)習(xí)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律性。這是化學(xué)物質(zhì)的多樣性的價值所在，也是化學(xué)科學(xué)的核心所在。即從物質(zhì)轉(zhuǎn)化的視角，凸顯物質(zhì)的多樣性及物質(zhì)多樣性的應(yīng)用價值。

首先，要全面理解物質(zhì)的分類。物質(zhì)的分類反映出物質(zhì)的多樣性，只有了解并掌握了物質(zhì)分類的基本內(nèi)容，才能夠系統(tǒng)地學(xué)習(xí)化學(xué)知識。物質(zhì)的分類包含了許多重要的化學(xué)基本概念，這些概念中又蘊含著眾多相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)、組成、結(jié)構(gòu)、變化規(guī)律等內(nèi)容。如氧化物，根據(jù)組成元素可以分為硫的氧化物、磷的氧化物等；根據(jù)性質(zhì)可以分為酸性氧化物、堿性氧化物等。同時，又要用分類的思想學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化。因為相同類別的物質(zhì)具有類似的性質(zhì)與變化，就具有類似的分析視角和應(yīng)用價值。

其次，要突出結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)，性質(zhì)決定用途。如金剛石、石墨、C60等在結(jié)構(gòu)上存在差異，才有性質(zhì)上的差異，進而才有不同的用途。同素異形體結(jié)構(gòu)的差異和聯(lián)系反映了它們性質(zhì)上的多樣性和結(jié)構(gòu)上相異性與統(tǒng)一性。再如，鹽酸、硫酸等酸的水溶液中都有H+離子，從而都能使指示劑變色，能與活潑金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氫氣等。這些物質(zhì)性質(zhì)的相似與相異，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的相似性與相異性。

最后，要體現(xiàn)物質(zhì)的變化美。既要引導(dǎo)學(xué)生欣賞物質(zhì)世界，感受人類生活因物質(zhì)的多樣性而美麗；更要引導(dǎo)學(xué)生欣賞物質(zhì)變化的規(guī)律性，感受化學(xué)變化中的創(chuàng)造美。如通過展示硫酸銅晶體、C60與DNA的分子結(jié)構(gòu)模型、硝酸銀溶液與鐵的反應(yīng)現(xiàn)象等，培養(yǎng)學(xué)生欣賞物態(tài)美，結(jié)構(gòu)美，變化美，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。這樣，化學(xué)物質(zhì)的多樣性的教學(xué)價值也就全面實現(xiàn)了。

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