基于學生主動建構的微粒觀進階研究

張靈麗

摘要： 立足微粒的認識進階，以水和水溶液為素材，從物質(zhì)的構成微粒、物質(zhì)的溶解和結晶以及化學反應的本質(zhì)三個階段進行研究。借助實驗、模型、類比、想象、視頻、數(shù)字化實驗等手段，探究宏觀表象背后的微觀實質(zhì)，引導學生主動建構微粒觀，發(fā)展學生的化學思維能力和學科素養(yǎng)。

關鍵詞： 初中化學; 微粒觀; 認識進階; 水和水溶液

文章編號： 1005-6629（2021）10-0042-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

課程標準強調(diào)，義務教育階段的化學教育“要引導學生認識物質(zhì)世界的變化規(guī)律，形成化學的基本觀念”[1]。初中生學習化學時，普遍感到構成物質(zhì)的奧秘、溶解現(xiàn)象、酸堿鹽等概念比較難。學生學習化學困難的根源是什么？要克服學生學習化學的困難，需要讓學生明白化學的核心問題只是幾個簡單的基本觀念;大千世界看起來很復雜，但如果我們透過紛繁復雜的表面現(xiàn)象就會發(fā)現(xiàn)其核心問題，其實很簡單，科學就是要討論世界的核心問題。因此，如何在初中階段建構物質(zhì)的微粒觀念，值得化學教師積極探索和實踐。

1? 初中階段微粒觀的學習要求和主要內(nèi)容

化學是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結構、性質(zhì)、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?！读x務教育化學課程標準》指出，化學學科應通過具體化學知識和概念的學習，促進學生形成化學學科思想和基本觀念，逐步使學生從單一的定性與定量、宏觀與微觀的物質(zhì)認識過程，過渡到定性與定量相結合、宏觀與微觀相結合的物質(zhì)認識過程。從宏觀到微觀、從定性到定量，體現(xiàn)了化學學科的發(fā)展趨勢。對物質(zhì)組成的微觀研究和定量研究使化學逐步成為能在實驗和理論兩個方面同時發(fā)展的一門自然科學[2]。課程內(nèi)容在有關的一、二級主題中對微粒觀的構建有明確的要求，具體見表1。水是生命存在和發(fā)展的必要條件，許多化學反應都是在溶液中進行的。“水和水溶液”是初中化學學習的重要主題。滬教版教科書《化學（九年級上、下冊）》的有關章節(jié)中，以“水和水溶液”為素材，呈現(xiàn)了關于微粒觀的學習內(nèi)容，具體如表2所示。

從表2可以看出，教材中從第二章探究水的組成引入微粒觀的教學;第三章以構成物質(zhì)的奧秘進入原子、分子、離子的微觀世界;第四章學習質(zhì)量守恒定律的內(nèi)容和微觀實質(zhì);第五章學習金屬和酸溶液、鹽溶液的置換反應;第六章學習物質(zhì)在水中的分散、溶解和結晶;第七章學習復分解反應的發(fā)生條件等，從宏觀現(xiàn)象出發(fā)探尋微觀本質(zhì)，層層遞進。

2? 初中階段微粒觀學習的“進階模型”

微粒觀是人們對物質(zhì)微粒性的基本看法，表現(xiàn)為在原子、分子、離子的水平上認識常見物質(zhì)的組成、結構、性質(zhì)、用途和變化現(xiàn)象的思維方式。微粒觀的內(nèi)容主要有： 物質(zhì)是由微粒構成的;微粒的結構決定了微粒的性質(zhì)，微粒間的相互作用方式?jīng)Q定了宏觀物質(zhì)的性質(zhì);微粒的結構影響著微粒之間相互轉化的過程和方式。微粒觀是義務教育階段要求學生建構的核心觀念，因此，教學要從學生已有的知識經(jīng)驗開始，先建構起微粒觀和對微粒產(chǎn)生一定的認識，然后應用這些觀念（觀點）去分析和解決問題，使學生逐步增強抽象思維，形成微觀思維，以及在微粒認識的基礎上研究物質(zhì)。筆者把初中微粒觀學習的進階模型分為三個階段。第一階段： 物質(zhì)的構成微粒。先引導學生從分子、原子、離子的角度認識物質(zhì)，物質(zhì)是由微粒構成的，微粒在不斷地運動，微粒之間有空隙，學生能用微粒的觀點來解釋一些常見的生活與自然現(xiàn)象;第二階段： 物質(zhì)的溶解和結晶。引導學生從微粒觀的視角解析飽和溶液、不飽和溶液、溶解和結晶，讓學生明晰微粒的結構決定微粒的性質(zhì)，微粒間相互作用的方式?jīng)Q定了宏觀物質(zhì)的性質(zhì);第三階段： 化學反應的本質(zhì)。引導學生從微粒觀的角度認識四大基本反應類型，讓學生感悟化學反應的實質(zhì)是原子、分子或離子等層次微粒的相互作用。微粒觀學習的進階模型源于教材又高于教材，它體現(xiàn)了在不同教學階段的螺旋上升態(tài)勢。這種思維模型的建構，有助于學生更清楚地認識物質(zhì)的構成，理解化學變化的本質(zhì)，對反應現(xiàn)象做出本質(zhì)的判斷和推理，形成認識一類問題的思路。初中生對微粒觀的認識進階模型如圖1所示。

2.1? 第一階段： 物質(zhì)的構成微粒

學生生活中認識的世界是一個能用感官感知的世界，自然形成了一種宏觀思維方式。微觀世界是抽象的。對微觀世界的認識，需要學生的想象力，需要生動、形象、直觀的載體。本章教學應關注學生的興趣和認知特點，有策略地幫助學生搭建從宏觀到微觀的橋梁。恰當?shù)乩脤嶒灐㈩惐?、圖像、模型、視頻動畫等多種資源，使微觀世界形象化，引導學生認識微觀粒子與宏觀物質(zhì)的聯(lián)系，初步建立化學微粒觀[3]。結合學生熟悉的現(xiàn)象和已有的經(jīng)驗，創(chuàng)設直觀的情境，從身邊的現(xiàn)象（聞到花香、濕衣服晾干、物質(zhì)的三態(tài)變化）、探究實驗（氨分子擴散、酒精和水混合、壓縮空氣和水）、科學數(shù)據(jù)（1個水分子的質(zhì)量是3×10-26kg、 1滴水約有1.67×1027個水分子）、科學技術成就（盧瑟福α粒子散射實驗、掃描隧道顯微鏡獲得苯分子圖像、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子、原子核爆炸）等，讓學生認識到物質(zhì)確實是由肉眼看不到的微粒構成，初步建立原子和分子的概念。然后通過具體的實例，引導學生認識物質(zhì)的性質(zhì)和變化與其構成微粒的聯(lián)系。比如，通過水蒸發(fā)和電解水這兩個變化過程類型、相關物質(zhì)化學性質(zhì)的改變情況，以及構成物質(zhì)的分子進行分析，引導學生把物質(zhì)性質(zhì)的改變歸因于分子的改變，從而建立分子的概念，形成“物質(zhì)的性質(zhì)主要由物質(zhì)的結構決定”的觀念。借助動畫，模擬電解水的微觀過程，讓學生用水分子、氫原子、氧原子球棍模型來組建電解水和水蒸發(fā)的微觀過程。如表3所示，讓學生在微觀上體驗化學變化中分子變，物理變化中分子不變。由金屬鈉在氯氣中燃燒生成氯化鈉的演示實驗，動畫呈現(xiàn)鈉與氯氣反應的微觀過程，展示氯化鈉固體和氯化鈉的結構模型，從核外電子排布特點，引導學生畫出原子結構示意圖，引入離子概念和氯化鈉形成的微觀實質(zhì)，初步認識化學變化的本質(zhì)。

通過本章的學習，學生從五彩繽紛的宏觀世界步入充滿神奇色彩的微觀世界，激發(fā)了學生學習化學的興趣。學生能夠理解并建立物質(zhì)構成的微粒觀，能運用物質(zhì)構成的知識解釋一些簡單的化學現(xiàn)象，初步理解化學現(xiàn)象的本質(zhì)，通過對問題的探究和實踐活動，提高了學生的想象力和抽象思維能力[4]。同時，通過探索原子結構的化學史（德謨克利特的原子論、道爾頓的原子理論、湯姆生發(fā)現(xiàn)電子、盧瑟福的行星模型），讓學生了解科學家嚴謹求實的科學態(tài)度，培養(yǎng)學生堅毅求實的科學精神。

2.2? 第二階段： 物質(zhì)的溶解和結晶

2.2.1? 物質(zhì)的分散

從日常生活以及前面章節(jié)的學習中，學生已了解一些物質(zhì)在水中的分散現(xiàn)象，如雖知道物質(zhì)溶于水逐漸消失，卻不知道消失的根本原因;雖知道濕的手碰到電源容易觸電，但卻不知道其中的原因。本章的教學設計是從熟悉中感受新奇，新奇中探究其背后的微觀實質(zhì)，這種發(fā)現(xiàn)的過程和新奇的體驗對于學生的發(fā)展是非常有意義的。教學難點是讓學生知道某些物質(zhì)在溶液中是如何以微觀形式存在的。教學中，以氯化鈉溶于水、固體消失的學生實驗引入，動畫或圖片演示食鹽的溶解過程（見圖2），幫助學生理解物質(zhì)溶解的實質(zhì)。

演示某些物質(zhì)水溶液的導電性實驗，讓學生知道某些水溶液具有導電性的微觀原因是： 物質(zhì)溶于水后產(chǎn)生了自由移動的離子，如表4所示。

通過物質(zhì)在水中分散的微觀實質(zhì)的探討，進一步加強了宏觀和微觀的結合，鞏固提升學生的微粒觀的概念，學生能從微粒觀的視角分析溶液中的一些現(xiàn)象。

2.2.2? 溶解和結晶

溶解和結晶教學的難點是如何從微觀角度理解溶解和結晶的概念和過程。教學中，以學生分組實驗引入，在一定溫度條件下，以一定量的蔗糖放入一定量的水中，固體一開始消失，后來固體不再消失，引入飽和溶液和不飽和溶液的概念，通過動畫和圖片展示蔗糖溶解和結晶的動態(tài)過程。蔗糖在水中溶解和結晶的微觀過程如圖3所示[5]。

為強化物質(zhì)溶解和結晶的微觀過程，安排四組學生實驗（見表5），讓學生在實驗中體會溶解與結晶的微觀過程： 當把固體物質(zhì)放入水中時，溶質(zhì)表面的微粒（分子或離子）由于本身的振動和水分子對它的作用，離開固體的表面，均勻地擴散到水中，這是溶解過程。在溶解的同時，進入水中的分子或離子，由于不斷地做無規(guī)則的運動，當一部分分子或離子撞擊未溶解的固體表面時，又被吸引重新回到固體表面上，這是結晶過程。溶解和結晶是一個可逆的過程，是一種動態(tài)平衡狀態(tài)[6]。當外部條件改變時，溶解速率和結晶速率便會發(fā)生改變，舊的溶解-結晶平衡被破壞，再形成新的溶解-結晶平衡。

硫酸銅晶體形狀改變，質(zhì)量不變?nèi)芙夂徒Y晶是一個動態(tài)平衡過程硫酸銅的溶解和結晶在同時進行

通過對溶解和結晶這一宏觀現(xiàn)象背后的微觀實質(zhì)的探究，讓學生學會從微觀本質(zhì)上分析宏觀現(xiàn)象，主動建構微粒觀的概念。

2.3? 第三階段： 化學反應的本質(zhì)

初中生學習化學的難點往往在于不能透過宏觀表象聯(lián)系微觀實質(zhì)，因此教學中要訓練學生養(yǎng)成從現(xiàn)象看本質(zhì)的思維習慣，讓學生不僅要知道為什么學化學以及化學的特征，更要追問化學的本源、化學反應的本質(zhì)是什么?；瘜W反應的本質(zhì)是分子、原子或離子微粒間的相互作用、相互轉化的過程，引導學生從微粒觀的視角來認識四大基本反應類型（如表6所示）。

四大基本反應類型中，復分解反應的判斷是難點。在學習復分解反應時，若只從宏觀角度講解復分解反應發(fā)生的條件，學生可能會死記硬背，不能理解復分解反應為什么要滿足這些條件。如果從微粒觀來分析和幫助學生理解化學反應的本質(zhì)，就可以達到化繁為簡的效果。以氫氧化鈉和鹽酸反應為例，向滴有酚酞的氫氧化鈉溶液中逐滴加鹽酸到紅色突然消失，證實該反應的發(fā)生，讓學生寫出化學方程式，從宏觀角度分析得出反應物是鹽酸和氫氧化鈉溶液、生成物是氯化鈉和水;然后引導學生回憶酸堿鹽的溶液具有導電性的原因是溶液中有自由移動的離子，從微觀角度分析得出反應前后溶液中微粒的變化： 反應前的微粒是H+、OH-、 Cl-、 Na+，反應后的微粒是Cl-、 Na+、 H2O，通過對比前后溶液中的微粒，引導學生找到變化的微粒是H+、 OH-;再引導學生找出生成的微粒是H2O，從而得出： H+和OH-結合生成了H2O。為了幫助學生更直觀地看到微粒前后的變化，可以借助微粒動畫和微觀粒子示意圖，如圖4所示。

學生通過實驗、動畫、微粒示意圖得知，氫氧化鈉和鹽酸反應的實質(zhì)是氫離子和氫氧根離子結合生成了水;再引導學生分析討論，碳酸鈉和稀硫酸反應的實質(zhì)是H+和CO2-3反應生成了H2O和CO2、稀硫酸和氯化鋇反應的實質(zhì)是Ba2+和SO2-4反應生成BaSO4沉淀。通過微粒觀的分析，幫助學生理解復分解反應的條件是生成物中有水或氣體或沉淀產(chǎn)生。再進一步嘗試著讓學生從微粒觀的視角找尋規(guī)律： 為什么有水或氣體或沉淀產(chǎn)生，復分解反應就可以發(fā)生，其根本原因是什么？并總結出規(guī)律： 復分解反應的實質(zhì)是離子的結合，它總是朝向自由移動的離子濃度減少的方向進行。另外，在學習復分解反應時，加強“宏-微-符”的三重表征思維，讓學生熟練書寫離子符號，只要看到酸堿鹽的名稱，學生就能寫出相關的離子符號，并能聯(lián)想到哪些離子易結合成沉淀、氣體和水。學生從離子結合的特點上理解復分解反應，對一些題型就可以迎刃而解了。

3? 微粒觀的教學建議

3.1? 創(chuàng)設真實情境

要充分認識到學生的認知水平，創(chuàng)設貼近學生的教學情境，情境的價值在于“學和思”?；谡鎸嵡榫车膶W習，選取生活中熟悉又具有啟發(fā)意義的事例，設計驅(qū)動性的問題，引導學生進一步思考、領悟和表達。比如： 從微觀本質(zhì)上解釋： （1） 為什么溫度計中的液柱隨溫度的改變上升或下降？（2） 為什么廚房里的白醋和純堿混合會產(chǎn)生大量的氣泡？（3） 為什么蚊蟲叮咬后，涂肥皂水可以減輕痛癢？學生在這類活動體驗和在解決問題中以及在師生平等交流對話中，主動地、自主地建構物質(zhì)的微粒觀。

3.2? 注重實驗驗證

運用微粒觀研究物質(zhì)，要注重對學生強化微粒觀有效性的體驗，讓學生獲得并相信微粒觀認識物質(zhì)的科學性，最有效的手段就是實驗驗證。比如為了證明中和反應有水生成，做下列演示實驗： 變色硅膠吸水后，從藍色變?yōu)榧t色。把變色硅膠與氫氧化鈉固體混合，無明顯現(xiàn)象，變色硅膠和無水醋酸充分混合，亦無明顯現(xiàn)象。將2mL無水醋酸迅速倒入裝有3片NaOH固體和變色硅膠混合的試管中，變色硅膠由藍色變?yōu)榧t色。學生通過觀察變色硅膠顏色的變化相信： 中和反應生成了水。這類結合化學實驗的教學，能讓學生的理論分析和實踐認識有機結合起來，進一步深化他們的微粒觀的思維能力。

3.3? 加強符號表征

化學符號是微觀世界的縮影，它從微觀上科學、簡潔地反映宏觀物質(zhì)的性質(zhì)和變化規(guī)律，成為聯(lián)系宏觀事實和微觀世界的橋梁。教學中，要引導學生正確地認識元素符號、化學式、化學方程式等各種化學符號的宏觀和微觀含義，幫助學生借助化學符號“進入”物質(zhì)及其變化的微觀世界。

3.4? 善用科技手段

初中生的微觀知識在逐步進階形成中，教學中要注重發(fā)揮學生的想象力，善于運用實物模型、動畫模型、圖示模型、數(shù)字傳感器等形象直觀的科學技術手段，幫助學生主動地建構物質(zhì)的微粒觀。比如，用電導率傳感器測量氯化鈉固體溶于水的電導率曲線的變化，讓學生感知酸、堿、鹽溶液具有導電性的微觀實質(zhì)。向0.025mol/L氫氧化鋇溶液中逐滴滴加0.025mol/L稀硫酸溶液，根據(jù)電導率變化，可直觀驗證復分解反應的微觀實質(zhì)，如圖5所示。

3.5? 注意循序漸進

初中生微粒觀的建構過程是一個循序漸進的過程。教學中要善于運用學生已有的經(jīng)驗知識，對教學內(nèi)容做出整體規(guī)劃，科學設計教學目標和教學內(nèi)容，注意新舊知識的連貫性和漸進性，不強求一步到位。比如，從認識元素符號的練習開始，準確書寫化學式，在熟練書寫化學方程式的基礎上，再從離子視角認識復分解反應，難度逐步提升，防止學生畏懼化學，失去對化學的學習興趣。

立足學生主動建構微粒觀的化學教學是以“觀念建構”來促進“知識建構”。初中生微粒觀模型的建構是一個不斷深化、有機聯(lián)系和螺旋式上升的過程，隨著對微粒觀不斷地豐富和發(fā)展，把微粒觀用作教學的方法，使學生避開紛繁復雜的表象，從本質(zhì)上清晰地認識各種物質(zhì)的區(qū)別和聯(lián)系，以及各種化學規(guī)律，從而建構更加科學、深刻的化學知識系統(tǒng)。更為重要的是，讓學生了解從微觀的視角去研究化學知識的學習方法，對學科知識的理解更加本質(zhì)化，自身的觀念更加清晰化。微粒觀模型的建構，有利于學生形成認識物質(zhì)的思路： 深入到物質(zhì)內(nèi)部去看物質(zhì)的本質(zhì)，然后再跳出來看它的一些外觀特征、變化的規(guī)律[7]。同時也為高中的學習打下良好基礎，有利于學生的可持續(xù)發(fā)展和提升化學學科素養(yǎng)。

參考文獻：

[1][2]中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2011年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2012.

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[5]人民教育出版社化學室. 全日制普通高級中學教科書（試驗修訂本·必修加選修化學）（第二冊）[M]. 北京： 人民教育出版社， 2000： 37.

[7]錢海如， 趙華. 初中生化學微粒觀建構的實踐反思——以“離子”教學為例[J]. 化學教學， 2017， （5）： 36.