基于實(shí)驗(yàn)及模型認(rèn)知的微粒觀建構(gòu)教學(xué)研究

琚凱

[摘要]以“離子反應(yīng)”內(nèi)容為例，選取電離、離子反應(yīng)等教學(xué)案例，在“宏微符”三重表征的教學(xué)策略基礎(chǔ)上，在核心素養(yǎng)的引領(lǐng)下，添加了模型表征，提出了“宏微符模”四重表征，即指導(dǎo)學(xué)生繪制溶液微觀模型，幫助學(xué)生從微粒角度認(rèn)識(shí)化學(xué)變化，建立從微觀角度思考化學(xué)問題的思維。

[關(guān)鍵詞]微粒觀;模型認(rèn)知;離子反應(yīng);宏微符模

[中圖分類號(hào)]

G633.S

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

[文章編號(hào)] 1674-6058（2020）17-0055-04

化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)學(xué)科，其特征是從微觀層面認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)[1]?；瘜W(xué)學(xué)科的特點(diǎn)是研究微觀世界的變化，微粒觀是一種重要的化學(xué)基本觀念，是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的一扇大門，也是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，對(duì)于學(xué)生理解化學(xué)反應(yīng)的宏觀現(xiàn)象與其微觀本質(zhì)之間的關(guān)系有著重要的作用。

綜合國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)微粒觀的概念界定，歸納微粒觀內(nèi)涵：物質(zhì)由微粒構(gòu)成;微粒體積極小，肉眼不可見;微粒在不停地運(yùn)動(dòng);微粒間有一定的距離;微粒間存在相互作用[2]。化學(xué)微觀認(rèn)識(shí)屬于科學(xué)理論知識(shí)，是對(duì)微觀世界的建構(gòu)性認(rèn)識(shí)[3]。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，學(xué)生到了高三階段，對(duì)微粒觀的認(rèn)識(shí)還是處于一個(gè)較低的水平，這是部分學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)困難的原因[4]。因此促使學(xué)生從微觀視角來(lái)看待化學(xué)變化，是教師在教學(xué)過程中的一項(xiàng)重要任務(wù)。

一、問題的提出

高三復(fù)習(xí)課堂上，提問某學(xué)生：向硝酸亞鐵溶液中滴加硫酸，可以觀察到什么現(xiàn)象？該生回答不了。再問：向硫酸亞鐵溶液中加入硝酸，可以觀察到什么現(xiàn)象？該生卻可以答出來(lái)。在第二個(gè)問題中，學(xué)生知道硝酸具有氧化性，可以氧化亞鐵離子;而在第一個(gè)問題中，學(xué)生將硝酸亞鐵和硫酸分別看作一個(gè)整體，因此沒有找到反應(yīng)發(fā)生的條件，誤以為不會(huì)發(fā)生反應(yīng)。沒有認(rèn)識(shí)到題日中涉及的物質(zhì)在溶液中都是以離子的形式存在的，這是導(dǎo)致學(xué)生回答錯(cuò)誤的原因所在。究其根本，學(xué)生缺乏微粒觀才是出現(xiàn)上述問題的本質(zhì)原因。

二、以《離子反應(yīng)》一課為例淺議當(dāng)前普遍采用的教學(xué)模式

1.《離子反應(yīng)》在教材中的地位

學(xué)生的微粒觀并非一兩節(jié)課就可以形成?！峨x子反應(yīng)》這節(jié)課是學(xué)生認(rèn)識(shí)溶液中物質(zhì)變化的重要基礎(chǔ)，也是高中階段培養(yǎng)學(xué)生微粒觀非常重要的一節(jié)課。對(duì)于學(xué)生微粒觀的培養(yǎng)，教師應(yīng)該從整個(gè)高中階段的知識(shí)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行把握，在本節(jié)課的基礎(chǔ)上慢慢完善，讓學(xué)生學(xué)會(huì)從微觀角度看待化學(xué)變化、分析問題這一基本方法[3]。

本節(jié)課中，在知識(shí)內(nèi)容上要求學(xué)生知道酸、堿、鹽在溶液中能發(fā)生電離，了解電解質(zhì)的定義，認(rèn)識(shí)離子反應(yīng)、發(fā)生離子反應(yīng)的條件以及離子方程式的書寫。學(xué)生在后面學(xué)習(xí)元素化合物時(shí)，教師可將離子反應(yīng)作為工具，促使學(xué)生更好地理解元素化合物的反應(yīng)本質(zhì);同時(shí)，本課題學(xué)習(xí)的內(nèi)容，如電解質(zhì)的定義、電離等，也是學(xué)習(xí)選修4第三章《水溶液中的離子平衡》的重要基礎(chǔ)，有利于學(xué)生從微觀角度理解平衡的建立和移動(dòng)。

2.常用教學(xué)方法

關(guān)于離子反應(yīng)的教學(xué)，筆者通過與其他教師交流以及查閱文獻(xiàn)，得知“宏微符”三重表征法是日前最為主流的教學(xué)方法，以“氯化鈉電離和硫酸鋇沉淀生成”的教學(xué)為例[5]進(jìn)行展示（如圖1）。教師通過多個(gè)反應(yīng)的“宏微符”三重表征，以及后面的慢慢滲透，幫助學(xué)生在大腦中建構(gòu)微粒觀，最終達(dá)到讓學(xué)生一見到陌生的化學(xué)反應(yīng)，大腦就能夠浮現(xiàn)這個(gè)反應(yīng)的“宏微符”三重表征的日的。

3.“宏微符”三重袁征教學(xué)法的不足

離子反應(yīng)的“宏微符”三重表征的教學(xué)設(shè)計(jì)，是基于宏觀現(xiàn)象推測(cè)微觀原理，然后在微觀原理基礎(chǔ)上得出符號(hào)表征。這個(gè)教學(xué)路徑最核心的一步是推測(cè)微觀原理，這一步如果是學(xué)生自己完成，則學(xué)生可形成微粒觀;如果這一步學(xué)生不能完成，教師只能通過一定數(shù)量的習(xí)題，從“宏微符”三個(gè)角度對(duì)反應(yīng)進(jìn)行表征，描述反應(yīng)的微觀變化，幫助學(xué)生理解，以期學(xué)生能在大腦中形成對(duì)微觀變化真實(shí)狀態(tài)的認(rèn)知。而如此形成的微粒觀是被動(dòng)的、僵化的。

“宏微符”三重表征教學(xué)策略的基礎(chǔ)是要抓住反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但是遇到類似于過量的氫氧化鋇與硫酸氫鈉反應(yīng)等問題，讓學(xué)生書寫該過程的離子方程式時(shí)，學(xué)生就會(huì)不知所措，因?yàn)闅溲趸^無(wú)論足量還是少量，其宏觀現(xiàn)象是一樣的。當(dāng)學(xué)生賴以思考的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不再發(fā)揮作用時(shí)，學(xué)生的思維便會(huì)陷入僵局，這說明學(xué)生還沒有學(xué)會(huì)從微觀角度思考問題。在平常的教學(xué)中，教師通過“設(shè)量少的物質(zhì)系數(shù)為1”的方法，并結(jié)合離子方程式書寫的一般步驟，固然可以解決這類問題，但是學(xué)生的這種學(xué)習(xí)成果，是反復(fù)練習(xí)加上書寫技巧催生出來(lái)的，并非學(xué)生運(yùn)用微粒觀思考后形成的結(jié)果。這種教學(xué)方法嚴(yán)重背離了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。

三、核心素養(yǎng)下的“宏微符模”教學(xué)策略的提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任等五個(gè)維度的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。其中，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是思維核心。

微觀世界對(duì)于高一學(xué)生而言如同大象對(duì)于盲人，任憑教師把“大象”描述得多形象，都不如給“盲人”一雙眼看一下。微粒觀形成的最佳途徑是讓學(xué)生觀看微粒，哪怕只是模型也好。在常態(tài)教學(xué)中，教師可想方設(shè)法引導(dǎo)學(xué)生對(duì)微觀世界進(jìn)行建模，讓微觀“可視化”，使學(xué)生大腦中形成微觀模型。在此基礎(chǔ)上，教師再采取抽象推理的方法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生就會(huì)容易接受得多。在離子反應(yīng)教學(xué)中，教師應(yīng)盡可能地將反應(yīng)的真實(shí)情況展示給學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生去感受、收獲、生成?？梢?，能否建立恰當(dāng)?shù)奈⒂^模型，關(guān)系著課堂教學(xué)效率的高低，而培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的意識(shí)與思維習(xí)慣，也正是離子反應(yīng)教學(xué)的核心。

如何以恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法和策略，克服化學(xué)知識(shí)的抽象性，突破學(xué)生的認(rèn)知障礙，讓微觀變化可視化，是每一位化學(xué)教師經(jīng)常思考的問題[6]?；诖耍陔x子反應(yīng)的教學(xué)中，在原有的“宏微符”三重表征教學(xué)策略的基礎(chǔ)上，加入模型表征，即根據(jù)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)情況，繪制溶液微觀模型，模擬微觀變化。此時(shí)，模型表示的是微觀世界，是學(xué)生完成符號(hào)表征的出發(fā)點(diǎn)，是學(xué)生從離子角度認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的基點(diǎn)，微觀模型化過程可培養(yǎng)學(xué)生從微觀認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的思維方式。此外，化學(xué)反應(yīng)的微觀模型表征，使得學(xué)生的抽象思維有了可想象的圖像模型，學(xué)生理解起來(lái)更輕松。“宏微符?！彼闹乇碚鹘虒W(xué)框架如圖2所示。

四、基于“宏微符?！彼闹乇碚鞯慕虒W(xué)設(shè)計(jì)

1.借助實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生建立溶液的微觀模型，通過“宏微符?！彼闹乇碚餮堇[電離過程

學(xué)生在初中就學(xué)過溶液導(dǎo)電是因?yàn)槿芤褐写嬖谧杂梢苿?dòng)的離子。在教學(xué)時(shí)，教師可以基于學(xué)生這個(gè)基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)，通過比較同濃度的不同溶液的導(dǎo)電能力來(lái)推理物質(zhì)在水溶液中的狀態(tài)，為此設(shè)計(jì)如表1所示的導(dǎo)電性實(shí)驗(yàn)。

教學(xué)時(shí)，教師通過燈泡的亮或者不亮，引導(dǎo)學(xué)生建立物質(zhì)的完全電離模型與不電離模型;通過燈泡的亮與暗，介紹鹽酸、醋酸在溶液中的電離特點(diǎn);結(jié)合醋酸電離度的相關(guān)數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生建立醋酸的不完全電離模型;在學(xué)生有了豐富的感性認(rèn)識(shí)和通過模型來(lái)認(rèn)識(shí)電離的基礎(chǔ)上，抓住同類物質(zhì)的共性，結(jié)合電解質(zhì)的定義，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)分類的角度將化合物分為電解質(zhì)與非電解質(zhì);抓住鹽酸與醋酸導(dǎo)電性的差異進(jìn)行探究，結(jié)合前面講過的不完全電離模型，幫助學(xué)生建立強(qiáng)弱電解質(zhì)的概念。

在建立電離模型時(shí)，如何用模型恰當(dāng)?shù)乇硎究扇苄詮?qiáng)電解質(zhì)、難溶性電解質(zhì)以及弱電解質(zhì)是模型建立過程的難點(diǎn)，因此需要教師示范指導(dǎo)。下面以醋酸、鹽酸、氧化鐵為例，繪制微觀模型，幫助學(xué)生理解物質(zhì)在水溶液中的真實(shí)狀態(tài)（如圖3）。

從圖3可以看出，醋酸在溶液中只有少部分電離，鹽酸完全電離，氧化鐵由于難溶未發(fā)生電離。

從物質(zhì)分類的角度出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生思考討論：哪些物質(zhì)在水中的電離方式和醋酸相同？哪些物質(zhì)的電離方式與鹽酸相同？哪些物質(zhì)在水中的狀態(tài)和氧化鐵類似？最后在教師的引導(dǎo)下進(jìn)行歸納總結(jié)。

2.精心設(shè)計(jì)分組實(shí)驗(yàn)任務(wù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立復(fù)分解反應(yīng)的微觀模型

學(xué)生對(duì)復(fù)分解反應(yīng)是非常熟悉的，但是對(duì)反應(yīng)的認(rèn)知仍停留在化學(xué)式層面。以氯化鈉與硝酸銀的反應(yīng)為例，學(xué)生對(duì)反應(yīng)的理解是“NaCI+AgNO³”整體進(jìn)行反應(yīng)，停留在“交換組分”的層次上，他們雖然知道溶液中有離子的存在，但是沒有形成微觀意識(shí)。在離子反應(yīng)教學(xué)中，教師要給學(xué)生提供從微觀角度思考的土壤，要引導(dǎo)他們學(xué)會(huì)從微觀角度認(rèn)識(shí)復(fù)分解反應(yīng)。

有了電解質(zhì)電離模型的基礎(chǔ)，對(duì)于可溶性酸堿鹽的復(fù)分解反應(yīng)模型的建立，及離子方程式的書寫，學(xué)生就比較容易掌握了。但是對(duì)于書寫離子方程式時(shí)如何處理難溶電解質(zhì)和弱電解質(zhì)，教師要牢牢抓住“離子方程式是對(duì)化學(xué)變化的真實(shí)反映”這一原則，借助實(shí)驗(yàn)，緊扣電離模型，從分析這些電解質(zhì)在水溶液中的存在形式人手。如氧化鐵，在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)是難溶于水，在水中以固體的形式存在，而不是以鐵離子與氧離子的形式存在，所以氧化鐵不能拆成離子形式;醋酸，雖然易溶于水，但是在水溶液中只有少部分發(fā)生電離，大部分以分子的形式存在，因此醋酸在離子方程式中應(yīng)該寫成分子形式。最后，引導(dǎo)學(xué)生思考在書寫離子方程式時(shí)什么物質(zhì)在水溶液中主要以離子的形式存在，再由教師總結(jié)升華。

實(shí)施教學(xué)時(shí)，精選典型的具代表性的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將其進(jìn)行分組（如表2）。

實(shí)驗(yàn)一：向滴有酚酞的氫氧化鋇溶液中加硫酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)二：將鎂條加入鹽酸中，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)三：向氧化鐵中加入鹽酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)四：向碳酸鈉溶液中加入醋酸，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

為了增強(qiáng)課堂教學(xué)的趣味性，采取教師展示與學(xué)生演示相結(jié)合的方式。教師先展示實(shí)驗(yàn)三的反應(yīng)模型（如圖4），需要向?qū)W生說明的是溶液中的水未用模型表示。其他三組由學(xué)生在黑板上繪制反應(yīng)前后溶液的微觀模型。把模型建立設(shè)計(jì)成教學(xué)游戲，實(shí)施游戲化教學(xué)，讓學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行相互評(píng)價(jià)，以此調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，鍛煉學(xué)生的合作精神和溝通能力，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3.再建微觀模型，尋找破解離子方程式書寫難點(diǎn)的新方法

與量有關(guān)的離子方程式的書寫，一直是離子反應(yīng)模塊教學(xué)的經(jīng)典例題。例如下面四道例題，內(nèi)容雖然陳舊，但是在核心素養(yǎng)理念的指引下，我們可以從中挖掘新的內(nèi)涵，從而幫助學(xué)生建立微粒觀。

例題1：過量的氫氧化鋇與硫酸氫鈉反應(yīng)。

例題2：少量的氫氧化鋇與硫酸氫鈉反應(yīng)。

例題3：過量的氫氧化鋇與碳酸氫鈉反應(yīng)。

例題4：少量的氫氧化鋇與碳酸氫鈉反應(yīng)。

這類例題，在常態(tài)教學(xué)中，教師更注重方法的傳授而忽略對(duì)過程的剖析，通過重復(fù)地練習(xí)、默寫等手段強(qiáng)行讓學(xué)生記憶，學(xué)生對(duì)這類知識(shí)點(diǎn)的掌握僅僅停留在正確書寫離子方程式上。確實(shí)，通過設(shè)量少物質(zhì)的系數(shù)為“1”，可以引導(dǎo)學(xué)生寫出正確的方程式，但是學(xué)生并沒有真正理解其本質(zhì)，更是錯(cuò)過了一個(gè)幫助學(xué)生建立微粒觀的機(jī)會(huì)。

在運(yùn)用微觀模型解決上述問題前，還需要讓學(xué)生理解過量與少量如何在方程式中體現(xiàn)。其實(shí)設(shè)“l(fā)”法不僅是一種方法，還是一種思維，教師要通過教學(xué)內(nèi)容的巧妙設(shè)計(jì)，讓學(xué)生自己生成這種思維。以例題1為例，我們?cè)O(shè)計(jì)以下三個(gè)反應(yīng)情形（如表3）。

讓學(xué)生分析比較哪一種情形更加符合硫酸氫鈉量少的情況，學(xué)生很容易得出情形3中的硫酸氫鈉量少。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生繪制溶液的微觀模型（如圖5），通過微觀模型，研究反應(yīng)過程中的微粒變化，并寫出符合該變化過程的離子方程式，最后引導(dǎo)學(xué)生交流討論，將解題思維提煉成設(shè)“1”法。以例題1為例在課堂上進(jìn)行講解，其余的例題可以讓學(xué)生自己分組完成。

五、教學(xué)反思

模型方法作為思維方法和行為方式，蘊(yùn)含著很高的認(rèn)知價(jià)值，學(xué)生一旦將模型方法內(nèi)化為自己的認(rèn)知模式，就能獲得認(rèn)知水平的躍進(jìn)[7]?？梢暬虒W(xué)增加了課堂教學(xué)中的“視覺”比重，強(qiáng)調(diào)了對(duì)視覺的刺激，從學(xué)生單純地“聽”，變?yōu)槁?、看、?dòng)相結(jié)合，從教師單純地“講”，變?yōu)槎喾N形式調(diào)動(dòng)學(xué)生思維[8]。溶液微觀模型，帶來(lái)了微觀可視，降低了學(xué)生第一次學(xué)習(xí)離子反應(yīng)時(shí)抽象思維的成分，同時(shí)又為學(xué)生形成抽象思維及微粒觀奠定了基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯 羅艷）