洪茲田 王鋒 陳女婷
摘? ? 要:“變化觀念”著重從物質(zhì)的動態(tài)層面研究化學(xué)變化,它貫穿于化學(xué)學(xué)習(xí)的始終。教師應(yīng)在遵循學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律的前提下,結(jié)合素養(yǎng)的核心內(nèi)涵和提升的階段性特點,梳理教材的邏輯順序,整體規(guī)劃設(shè)計“變化觀念”的教學(xué)。教師可采用直觀形象策略,增強學(xué)生的主體情感體驗,促進“變化觀念”的內(nèi)化;引導(dǎo)學(xué)生多維分析化學(xué)變化的特征和本質(zhì),使其形成結(jié)構(gòu)化思維;挖掘化學(xué)方程式的教學(xué)價值,深化學(xué)生對“變化觀念”的理解,促使學(xué)生形成守恒思想。
關(guān)鍵詞:初中化學(xué);變化觀念;化學(xué)變化;教學(xué)策略
“變化觀念”從物質(zhì)轉(zhuǎn)化層面對學(xué)科思想進行了高度凝練,重點是研究化學(xué)變化的條件、規(guī)律、守恒、利用等物質(zhì)的動態(tài)層面的問題。它體現(xiàn)了化學(xué)的學(xué)科思想和學(xué)科特點,貫穿于化學(xué)學(xué)習(xí)的始終。以下,筆者梳理了初中化學(xué)“變化觀念”的內(nèi)涵和特點,探索“變化觀念”建構(gòu)的教學(xué)策略,為核心素養(yǎng)在初中化學(xué)課堂教學(xué)中的落地提供借鑒。
一、“變化觀念”的內(nèi)涵解讀
《義務(wù)教育化學(xué)課程標準(2011年版)》有關(guān)“變化觀念”的內(nèi)容如下:認識化學(xué)變化的基本特征;逐步了解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì);逐步形成“在一定條件下物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化”的觀點;能用轉(zhuǎn)化的觀點看物質(zhì)之間的關(guān)系;能用定量和能量的觀點初步認識化學(xué)變化;能說明化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系并進行簡單計算;能用變化和聯(lián)系的觀點分析常見的化學(xué)現(xiàn)象,解釋一些簡單的化學(xué)問題?!白兓^念”的內(nèi)涵主要包括化學(xué)變化是有條件的、化學(xué)變化是守恒的、化學(xué)變化是有規(guī)律的、化學(xué)變化是可利用的等。
(一)化學(xué)變化是有條件的
世界是物質(zhì)的,物質(zhì)的變化無處不在,時時都在發(fā)生。這就要求我們用變化的眼光認識世界,用觀察、實驗的方法獲取宏觀物質(zhì)變化的定性和定量的信息。物質(zhì)的變化是有一定層次的(包括物理變化和化學(xué)變化),化學(xué)變化的本質(zhì)特征是有新物質(zhì)的生成?;瘜W(xué)變化是有條件的,在一定條件下物質(zhì)可以發(fā)生轉(zhuǎn)化,反應(yīng)條件不同,發(fā)生的變化可能也不同。
(二)化學(xué)變化是守恒的
從宏觀角度看,發(fā)生化學(xué)變化的特征是有新物質(zhì)的生成。從微觀角度看,發(fā)生化學(xué)變化時反應(yīng)物分子被破壞成原子,原子重新結(jié)合構(gòu)成新的分子,眾多新分子聚集成新物質(zhì)。因此,化學(xué)反應(yīng)前后,從宏觀角度看物質(zhì)種類發(fā)生變化而元素種類不發(fā)生變化,從微觀角度看分子種類發(fā)生變化而原子種類和數(shù)目不發(fā)生變化。
(三)化學(xué)變化是有規(guī)律的
物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了物質(zhì)的性質(zhì)和變化。物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)特點構(gòu)成了物質(zhì)變化的內(nèi)因,反應(yīng)條件構(gòu)成了物質(zhì)變化的外因。內(nèi)因、外因相互作用、相互影響,導(dǎo)致物質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化?;瘜W(xué)反應(yīng)在生成新物質(zhì)的同時,還伴隨著能量的變化,且以光、電、熱等形式表現(xiàn)出來。不同形式的能量可以相互轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化過程中總能量沒有改變,遵循能量守恒定律。質(zhì)量守恒定律是所有化學(xué)反應(yīng)都遵守的基本規(guī)律,也是分析化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量關(guān)系的理論依據(jù)。物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)是按一定質(zhì)量比(或粒子個數(shù)比)進行的,根據(jù)化學(xué)方程式計算可獲得化學(xué)反應(yīng)中相關(guān)物質(zhì)的質(zhì)量。化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律還有:酸、堿、鹽反應(yīng)的規(guī)律;燃燒的反應(yīng)規(guī)律;化學(xué)反應(yīng)的快慢與物質(zhì)的性質(zhì)、濃度、溫度、催化劑等條件有關(guān)。不同基本反應(yīng)類型的變化特征和規(guī)律不同,例如:用金屬活動性順序?qū)τ嘘P(guān)的置換反應(yīng)進行判斷;復(fù)分解反應(yīng)進行的條件是“兩種化合物互相交換成分后,生成的另外兩種化合物中有沉淀或氣體或水”。
(四)化學(xué)變化是可利用的
化學(xué)反應(yīng)在生成新物質(zhì)的同時,還伴隨著能量的變化,且以光、電、熱等形式表現(xiàn)出來。化學(xué)變化中的物質(zhì)變化和能量變化是可利用的。通過化學(xué)變化,人們可以獲得有用物質(zhì)或消除有害物質(zhì),使物質(zhì)變化朝著對人類更有利的方向發(fā)展,更好地造福人類。同時,能量變化的最常見表現(xiàn)形式為熱量的變化?;瘜W(xué)反應(yīng)可分為放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)。通過化學(xué)反應(yīng),人們可以儲存或釋放能量。當今社會,人類生產(chǎn)生活中所需要的大部分能量都是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。有效利用化學(xué)變化中的能量變化作為能量的來源,可以滿足人類生產(chǎn)和生活的需求。
二、建構(gòu)“變化觀念”的教學(xué)策略
(一)整體設(shè)計,促進“變化觀念”的進階
學(xué)科核心素養(yǎng)的達成和觀念的建構(gòu)都不是一蹴而就的,而是一個循序漸進、逐漸深化的過程。教師應(yīng)在遵循學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律的前提下,結(jié)合素養(yǎng)的核心內(nèi)涵和提升的階段性特點進行整體規(guī)劃設(shè)計。以“變化觀念”建構(gòu)為例,教師在進行整體規(guī)劃設(shè)計時,應(yīng)明確“變化觀念”包括哪些內(nèi)容,這些內(nèi)容分布在教材的哪些章節(jié),該觀念提升的階段性特點(起點、障礙點和延伸點)是什么,教學(xué)關(guān)鍵點的突破策略是什么[1]?!白兓^念”貫穿于人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》九年級(以下簡稱“教材”)的絕大部分章節(jié),其滲透和發(fā)展可分為四個階段。第一階段(從緒論到第四單元),認識化學(xué)變化的特征及本質(zhì),即從宏觀變化入手獲得感性認識,再從微觀角度理解變化本質(zhì)。第二階段(第五單元),認識質(zhì)量守恒定律及化學(xué)反應(yīng)的表示方法,即從定性分析轉(zhuǎn)到定量分析化學(xué)變化。第三階段(第六、七單元),認識化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)變化、能量變化及其應(yīng)用。第四階段(第八、十、十一單元),認識置換反應(yīng),酸、堿通性及中和反應(yīng),復(fù)分解反應(yīng)及其變化規(guī)律,即從變化的特征轉(zhuǎn)向變化的規(guī)律。教師應(yīng)整體規(guī)劃設(shè)計教學(xué),促進“變化觀念”的精準化滲透、進階式發(fā)展和高效性達成。
(二)直觀呈現(xiàn),感受變化的過程
1.利用宏觀模型使變化過程直觀化
物質(zhì)變化的微觀過程較為抽象,教師可利用宏觀模型(如球棍模型、磁性黑板貼等)代替微觀粒子,促進學(xué)生對物質(zhì)變化微觀過程及其本質(zhì)的理解。
例如,在探究物質(zhì)的變化時,教師可利用磁性黑板貼的宏觀模型模擬物理變化和化學(xué)變化的過程。在模擬物理變化時,用磁性黑板貼模擬分子的整體運動,直觀表現(xiàn)出物理變化過程中分子種類不變而分子間的間隔發(fā)生變化。在模擬化學(xué)變化過程時,用磁性黑板貼模擬分子的拆分和原子的組合,讓學(xué)生直觀感受化學(xué)變化的實質(zhì)。
2.利用角色扮演使變化過程趣味化
由于物質(zhì)變化的微觀過程是看不見、摸不著且較為抽象的,學(xué)生普遍感覺枯燥乏味。教師可利用角色扮演(或動畫)模擬物質(zhì)變化的微觀過程,使變化過程趣味化。
例如,在教材下冊第十單元課題2中“中和反應(yīng)的微觀本質(zhì)”的教學(xué)中,筆者讓學(xué)生分別扮演Na+、H+、Cl-、OH-(以繪制的微觀模型圖示展現(xiàn)),配合音樂用肢體動作表演NaOH溶液和稀鹽酸發(fā)生中和反應(yīng)的微觀過程。學(xué)生在趣味化的氛圍中主動參與角色扮演,增進了對中和反應(yīng)的過程、結(jié)果和本質(zhì)的深層次理解。
3.利用實驗現(xiàn)象使變化過程可視化
化學(xué)實驗是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和動力的重要手段,也是學(xué)生感受和認識物質(zhì)變化的最有效途徑。教師讓學(xué)生親自動手操作實驗,并仔細觀察和分析實驗現(xiàn)象,可以讓學(xué)生對發(fā)生的物質(zhì)變化和能量變化獲得最直觀的認識。
例如,稀鹽酸與NaOH溶液的中和反應(yīng)沒有明顯現(xiàn)象,教師可改變實驗手段使學(xué)生通過可觀測的現(xiàn)象獲得相應(yīng)認知。
(1)向溶液中滴加酚酞試液,溶液顏色會發(fā)生變化,這能讓學(xué)生感受到化學(xué)反應(yīng)中有新物質(zhì)生成。
(2)改變滴加的酸或堿的量,使溶液顯色不同,可讓學(xué)生感受到化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)物之間是按照一定比例進行反應(yīng)的。
(3)讓學(xué)生在反應(yīng)前后觸摸儀器外壁,他們可體驗到化學(xué)變化過程中伴隨著能量變化。
(4)用手持技術(shù)(數(shù)字化實驗)的pH傳感器和溫度傳感器,測出混合過程中溶液的pH及溫度變化,可讓學(xué)生感受到酸堿溶液在混合過程中的物質(zhì)變化和能量變化[2]。
(三)建構(gòu)“變化觀念”,形成守恒思想
守恒思想是“變化觀念”的重要組成部分。質(zhì)量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一,是守恒思想的支撐。運用學(xué)習(xí)進階的方法開展教學(xué),可以較好地促進核心概念的建構(gòu),促進“變化觀念”的形成。
例如,在教材上冊第五單元課題1“質(zhì)量守恒定律”的教學(xué)中,筆者以波義耳、羅蒙諾索夫、施塔爾、拉瓦錫四位科學(xué)家關(guān)于“化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)總質(zhì)量變化”的“爭鳴”導(dǎo)入,激發(fā)學(xué)生探究化學(xué)變化前后物質(zhì)總質(zhì)量變化的興趣。筆者先以學(xué)生熟悉的水的電解為例,從微觀領(lǐng)域分析,引導(dǎo)學(xué)生用微粒的觀點推測化學(xué)變化前后物質(zhì)的總質(zhì)量相等。然后再讓學(xué)生自主設(shè)計實驗,應(yīng)用定量探究的方法驗證“化學(xué)反應(yīng)前后質(zhì)量守恒”的猜測,引導(dǎo)學(xué)生從微觀視角解釋質(zhì)量守恒定律的本質(zhì)原因。同時,筆者利用宏觀模型展示并模擬分子的拆分和原子的組合,使學(xué)生更直觀明了地體驗化學(xué)變化的微觀過程及其本質(zhì)。此外,筆者又利用兩個貌似違反質(zhì)量守恒定律的實驗,激發(fā)學(xué)生思維的碰撞,幫助學(xué)生深化對質(zhì)量守恒定律的理解。需要注意的是,在知識的遷移運用中,教師要利用質(zhì)量守恒定律在定性和定量分析方面的應(yīng)用,幫助學(xué)生進一步體會化學(xué)反應(yīng)前后原子種類、數(shù)目和質(zhì)量“三不變”的觀點。
(四)增強主體情感體驗,內(nèi)化“變化觀念”
1.基于科學(xué)探究
以化學(xué)實驗為主的科學(xué)探究是學(xué)習(xí)物質(zhì)及其變化的基本方法,也是促進“變化觀念”內(nèi)化的重要途徑。以科學(xué)探究為載體的學(xué)習(xí)活動,可增強學(xué)生的主體情感體驗,幫助學(xué)生深度認識化學(xué)變化的規(guī)律和研究化學(xué)變化的思想方法。
例如,在教材下冊第八單元課題3“鐵制品銹蝕條件”的教學(xué)中,筆者以科學(xué)探究的基本程序為引領(lǐng),設(shè)計如下學(xué)習(xí)活動過程。
(1)以問題“鐵制品生銹需要的條件是什么”引導(dǎo)學(xué)生查閱相關(guān)資料,明確鐵銹的主要成分,并對鐵制品生銹條件進行猜想假設(shè)。
(2)讓學(xué)生自主設(shè)計實驗方案,用家庭生活用品進行家庭實驗探究(提前一周進行),注意收集證據(jù)(含實驗用品、操作方法及現(xiàn)象)。
(3)引導(dǎo)學(xué)生從條件控制、現(xiàn)象分析等方面梳理總結(jié),得出鐵制品生銹條件、防銹措施,拓展延伸“鐵粉用作食品保鮮劑的原理”。
如此,學(xué)生在經(jīng)歷了完整的科學(xué)探究過程之后,就能學(xué)會控制實驗條件進行對比探究,認識鐵制品生銹過程中的物質(zhì)變化及其現(xiàn)象,了解金屬發(fā)生銹蝕的條件,知道防止金屬銹蝕的原理及其應(yīng)用,從而逐步形成“物質(zhì)是變化的”“化學(xué)變化需要一定的條件”“物質(zhì)的變化是可利用的”“物質(zhì)的變化是可控制的”等觀點[3]。
2.基于真實問題
真實而富有價值的問題情境為“變化觀念”的建構(gòu)提供了表現(xiàn)機會。教師在課堂上展示社會新聞、科技前沿、生活經(jīng)驗等與生產(chǎn)、生活實際緊密相關(guān)的各種變化的真實素材,有利于提升學(xué)生的參與意識,使其真切地感受發(fā)生的化學(xué)變化、特征及應(yīng)用。
例如,“CaO—Ca(OH)2—CaCO3”(俗稱“鈣三角”)相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的復(fù)習(xí)教學(xué)[4]。
師:用酒精燈灼燒粉筆,如何證明該過程中CaCO3遇高溫分解生成CaO?
生:將灼燒后的粉筆加水靜置,若伴隨放熱現(xiàn)象,即可證明其中含CaO。
師:若CaO量少,則該反應(yīng)放熱可能不明顯,是否有其他方案?
生:可用酚酞試液檢驗靜置后的上層清液,若清液變紅,證明分解生成CaO。同時,將粉筆研碎放入鹽酸中,將生成的CO2通入靜置后的上層清液。
師:指導(dǎo)學(xué)生結(jié)合實驗現(xiàn)象書寫“CaCO3→CO2,Ca(OH)2→CaCO3”的方程式。
如此,學(xué)生就能在真實的情境中感受物質(zhì)變化的特征及其相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律,進而總結(jié)出轉(zhuǎn)化過程中元素守恒的特點,習(xí)得無明顯現(xiàn)象的反應(yīng)發(fā)生的證明方法。
(五)多維視角分析,形成結(jié)構(gòu)化思維
1.建構(gòu)變化網(wǎng)絡(luò),深入理解化學(xué)變化特征
建構(gòu)物質(zhì)變化網(wǎng)絡(luò),有利于引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)構(gòu)化角度深化對化學(xué)變化的理解,樹立物質(zhì)間的反應(yīng)是相互聯(lián)系的觀念。教師可基于元素守恒、反應(yīng)類型、物質(zhì)類別等視角建構(gòu)物質(zhì)變化特征網(wǎng)絡(luò)圖[5]。
(1)基于元素守恒視角?;瘜W(xué)變化前后元素種類不變,因此可圍繞核心元素(如C、O)建構(gòu)物質(zhì)變化的網(wǎng)絡(luò)。
(2)基于反應(yīng)類型視角。從四大基本反應(yīng)類型出發(fā),對所認識的化學(xué)變化進行分類。通過判斷反應(yīng)類型、理解反應(yīng)條件、比較不同的反應(yīng),進一步建構(gòu)物質(zhì)變化的觀念。
(3)基于物質(zhì)類別視角。一是同一類物質(zhì)具有相似的化學(xué)性質(zhì),因此可由典型代表物的研究拓展到類別通性。二是不同類別的物質(zhì)(如單質(zhì)、酸、堿、鹽)間可相互轉(zhuǎn)化。
此外,教師也可視情況,綜合元素守恒、反應(yīng)類型、物質(zhì)類別等多維視角建構(gòu)物質(zhì)變化網(wǎng)絡(luò),幫助學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化思維。例如,以CO2為核心物質(zhì)建構(gòu)碳及其化合物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖,凸顯“變化觀念”,著眼于物質(zhì)觀的建立與發(fā)展。這可以為后續(xù)從化合價和物質(zhì)分類(即“價—類”二維)、化學(xué)反應(yīng)類型、化學(xué)反應(yīng)中的能量變化、有機物等多種角度,全方位、多層次地對“碳家族”進行梳理和整合作鋪墊。
2.分析物質(zhì)結(jié)構(gòu),深刻揭示化學(xué)變化本質(zhì)
物質(zhì)是由一定數(shù)目的微粒按一定的空間結(jié)構(gòu)形成的。化學(xué)變化的過程是舊結(jié)構(gòu)的破壞(舊鍵斷裂)和新結(jié)構(gòu)的形成(新鍵形成)。物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)性質(zhì),物質(zhì)性質(zhì)反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)。教師從微觀層面研究物質(zhì)結(jié)構(gòu),揭示物質(zhì)結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)之間的關(guān)系,可以幫助學(xué)生從本質(zhì)上認識物質(zhì)變化的內(nèi)因,即結(jié)構(gòu)被破壞。同時,教師還要結(jié)合反應(yīng)條件,即物質(zhì)變化的外因?qū)ζ溥M行具體分析,深刻揭示化學(xué)變化的本質(zhì),幫助學(xué)生更全面地認識變化條件、物質(zhì)性質(zhì)、物質(zhì)變化,解決“變化觀念”的基本問題。其中,物質(zhì)性質(zhì)即是否變化,物質(zhì)變化又包括變化規(guī)律和變化本質(zhì),即怎樣變化和為什么變化。
例如,教師引導(dǎo)學(xué)生分析原子結(jié)構(gòu)中的核外電子排布情況,學(xué)生就能推斷出物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的難易程度及反應(yīng)進行的方向,也能更好地理解原子按一定的數(shù)量關(guān)系可結(jié)合成為種類繁多的分子的原因,從而對離子化合物和共價化合物產(chǎn)生初步的認識。又如,教師從離子角度分析酸與堿的反應(yīng),結(jié)合水的穩(wěn)定性和微觀模型圖示,可幫助學(xué)生更好地認識中和反應(yīng)的本質(zhì),更深刻地認識酸與堿之間的反應(yīng)規(guī)律。
(六)挖掘化學(xué)方程式的教學(xué)價值,深化對“變化觀念”的理解
化學(xué)方程式是一種高度凝練的符號化語言,蘊含著豐富的信息,是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的通用語言和重要工具。深度挖掘化學(xué)方程式的教學(xué)功能和教育價值,可以深化學(xué)生對“變化觀念”的理解。
化學(xué)方程式的教學(xué)功能及教育價值包括以下幾個方面。
(1)從宏現(xiàn)的角度看,化學(xué)方程式反映了一個客觀的化學(xué)反應(yīng)事實,清楚地表達了反應(yīng)物、生成物和反應(yīng)條件。學(xué)生在分析反應(yīng)條件的過程中,既能認識到化學(xué)變化的發(fā)生是有條件的,又能認識到反應(yīng)條件可以影響化學(xué)反應(yīng)的方向及反應(yīng)進行的速度。由此,學(xué)生認識到可以調(diào)控(包括“促進”和“抑制”)化學(xué)反應(yīng)的方向和進行的程度。
(2)從微觀角度看,化學(xué)方程式反映了反應(yīng)物、生成物之間微粒的數(shù)量關(guān)系,它能幫助學(xué)生更好地認識化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)。
(3)從質(zhì)量的角度看,化學(xué)方程式能反映反應(yīng)物、生成物之間的質(zhì)量關(guān)系,體現(xiàn)了質(zhì)量守恒定律。根據(jù)反應(yīng)物、生成物之間的質(zhì)量關(guān)系可進行有關(guān)化學(xué)方程式的計算,而控制物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系可達到控制反應(yīng)進行程度甚至反應(yīng)進行方向的目的[6]。
總之,要在初中化學(xué)階段建構(gòu)“變化觀念”,教師應(yīng)做到:首先,明確“變化觀念”的核心內(nèi)涵和提升的階段性特點,并在此基礎(chǔ)上進行整體規(guī)劃設(shè)計;其次,利用直觀形象策略,讓學(xué)生感受變化過程的具象性;再次,讓學(xué)生增強主體情感體驗,并在“變化觀念”的建構(gòu)中形成守恒思想;最后,通過多維視角,引導(dǎo)學(xué)生分析化學(xué)變化的特征和本質(zhì),挖掘化學(xué)方程式的教學(xué)價值,形成結(jié)構(gòu)化思維,深化對“變化觀念”的理解。
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