核心素養(yǎng)視域下觀念建構(gòu)為本的概念教學(xué)

車銘妍

摘要： 化學(xué)鍵的教學(xué)要實(shí)現(xiàn)概念向能力素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化，發(fā)展學(xué)生對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)知，需基于化學(xué)學(xué)科觀念的建構(gòu)，建立概念模型。利用化學(xué)鍵發(fā)展史與“太空天梯”材料的尋找兩條情景線，認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵在物質(zhì)構(gòu)成、能量變化、化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)中的作用，建構(gòu)微粒觀與元素觀、化學(xué)價(jià)值觀、“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思想觀念，打造素養(yǎng)統(tǒng)領(lǐng)、觀念統(tǒng)攝、情景統(tǒng)一、認(rèn)知發(fā)展合理進(jìn)階的課堂，達(dá)成能力與素養(yǎng)的培育目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng)； 觀念建構(gòu)； 化學(xué)鍵； 概念教學(xué)； 認(rèn)知發(fā)展

文章編號(hào)： 1005-6629（2023）09-0046-05???中圖分類號(hào)： G633.8???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 研究背景

化學(xué)鍵的概念和原理對(duì)于元素化合物、化學(xué)反應(yīng)原理及有機(jī)化學(xué)的教學(xué)起到起承轉(zhuǎn)合的作用，可以有效促進(jìn)學(xué)生形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的思想觀念，是理解化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)的根本，也是培養(yǎng)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的重要知識(shí)生長(zhǎng)點(diǎn)。

在課堂教學(xué)中，一般教師輕化學(xué)鍵而重離子鍵和共價(jià)鍵，沒有充分發(fā)揮化學(xué)鍵概念、原理的教育功能。本文基于魯科版教材必修第二冊(cè)第二章第一節(jié)“化學(xué)鍵與物質(zhì)構(gòu)成”的第1課時(shí)“化學(xué)鍵”的教學(xué)設(shè)計(jì)，以化學(xué)鍵的發(fā)展史為情景，揭示其概念意義；在第2課時(shí)再進(jìn)行共價(jià)鍵和離子鍵的教學(xué)，更符合建構(gòu)主義思想和學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，著重從化學(xué)鍵的視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)，建立起解釋與分析物質(zhì)的性質(zhì)的意識(shí)［1］。

2? 學(xué)情分析

高中學(xué)生已經(jīng)建立起了初步的微粒觀：了解原子的基本結(jié)構(gòu)，知道原子是由帶正電的原子核和帶負(fù)電的核外電子構(gòu)成的，了解微粒之間存在一定的作用力，了解保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的最小微粒是分子，化學(xué)反應(yīng)中的最小微粒為原子。但這種微粒觀只是對(duì)微粒自身、微粒和物質(zhì)構(gòu)成、微粒和化學(xué)變化的認(rèn)識(shí)，尚未建立起微粒之間的作用和變化、微粒的結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的關(guān)聯(lián)等認(rèn)識(shí)。

同時(shí)，學(xué)生也形成了一定的化學(xué)變化觀：對(duì)化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)變化有一定的認(rèn)識(shí)，認(rèn)識(shí)到化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)是分子分解成原子、原子重新組合成新的分子的過程，對(duì)燃燒等放熱反應(yīng)也有較深的印象。

在魯科版高中化學(xué)必修第二冊(cè)第一章已經(jīng)學(xué)習(xí)了“原子結(jié)構(gòu)與元素周期律”，對(duì)原子的構(gòu)成有了更深入的了解，已經(jīng)建立起了“原子核外電子排布對(duì)元素性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生影響”的基本認(rèn)知，形成了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”觀念的初步意識(shí)，但仍然是停留在性質(zhì)的宏觀認(rèn)知層面，對(duì)于原子之間如何結(jié)合成新分子、離子之間如何形成新物質(zhì)尚未完全了解。

3? 教學(xué)思路

3.1? 教學(xué)框架

化學(xué)鍵的概念和原理抽象且不易理解，高中教學(xué)應(yīng)立足于微觀粒子之間的作用，進(jìn)一步建構(gòu)微粒觀、“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念（后面簡(jiǎn)稱“構(gòu)性觀”）、變化觀、化學(xué)價(jià)值觀等學(xué)科核心觀念。從物質(zhì)構(gòu)成到反應(yīng)實(shí)質(zhì)以及能量變化逐步揭示化學(xué)鍵的概念本質(zhì)與意義，建立觀點(diǎn)、證據(jù)、結(jié)論之間的合理邏輯。整節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)圍繞以下兩種情境展開。

情境1：通過化學(xué)鍵發(fā)展史，模擬科學(xué)探究發(fā)展過程以認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵。從“分子間作用力”到相鄰原子、離子之間的作用，從“親和力”到“庫侖力”，不斷挖掘微粒之間的作用力的過程中，形成概念模型，逐步構(gòu)建微粒觀、元素觀和構(gòu)性觀（見圖1）。

情境2：嫦娥五號(hào)登月。從宏觀應(yīng)用認(rèn)識(shí)物質(zhì)，將宏觀情景轉(zhuǎn)化為微觀探索欲。以“嫦娥五號(hào)”探月為背景，探求“太空天梯”材料，從“力”的角度尋找材料，必然從“力”的方向認(rèn)識(shí)物質(zhì)，引入化學(xué)鍵概念。利用長(zhǎng)征五號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料不同，構(gòu)建化學(xué)鍵與能量模型。揭示神秘材料“碳納米管”，導(dǎo)入碳的同素異形體，構(gòu)建化學(xué)鍵與物質(zhì)構(gòu)成關(guān)系模型。因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的斷裂和形成帶來了能量變化，使得“長(zhǎng)征五號(hào)”不同部位的發(fā)動(dòng)機(jī)燃料選擇有了數(shù)據(jù)依據(jù)，揭示化學(xué)反應(yīng)的三個(gè)特征：物質(zhì)變化、能量變化與化學(xué)鍵變化，形成化學(xué)反應(yīng)的微觀角度模型，提升學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)知，推動(dòng)變化觀的建構(gòu)。

兩條情境線交織，形成了宏觀認(rèn)知與理論發(fā)展的交替生長(zhǎng)線。素養(yǎng)的發(fā)展與觀念的建構(gòu)相輔相成，基于宏觀情景，探討微觀本質(zhì)，轉(zhuǎn)化舊思維，形成新思想（見圖2）。

3.2? 教學(xué)基本流程

教學(xué)流程見圖3。

4? 化學(xué)鍵的概念教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1? 建構(gòu)化學(xué)鍵概念模型

［教師］嫦娥五號(hào)順利登月，長(zhǎng)征五號(hào)功不可沒。是否存在建立“太空天梯”的材料，讓普通人也有機(jī)會(huì)登月？選擇“太空天梯”材料的關(guān)鍵是什么？

［學(xué)生］選擇材料的關(guān)鍵——微粒之間作用力要強(qiáng)！

［質(zhì)疑］播放視頻：零下20℃的肥皂泡，產(chǎn)生漂亮的雪花。問：為什么肥皂泡不散落？

［學(xué)生］水分子間存在作用力。

［深度質(zhì)疑］加熱至100℃時(shí)，水會(huì)沸騰變成水蒸氣。加熱至2200℃以上時(shí)，水會(huì)分解（見圖4）。

（1） 在這兩個(gè)變化過程中，外界提供的能量的作用是什么？使水分解和使水沸騰溫度不同說明什么？

（2） 你對(duì)“微粒之間是否存在著相互作用”這一問題有了哪些新的認(rèn)識(shí)？

［學(xué)生］把水氣化，需外界提供44kJ·mol-1的能量，用于克服水分子間的作用力，把水分解，需外界提供918kJ·mol-1的能量，用于克服水分子內(nèi)氫原子和氧原子之間的作用力。水分子內(nèi)部氫原子與氧原子之間的作用力遠(yuǎn)大于水分子間作用力，原子間存在強(qiáng)烈的相互作用（見圖5）。

［教師］水分子間與水分子內(nèi)的氫氧原子之間作用力是否相同？你如何理解化學(xué)鍵？

［學(xué)生］（1） 不直接相鄰，作用力弱；直接相鄰，作用力強(qiáng)。

（2） 化學(xué)鍵是直接相鄰原子之間強(qiáng)烈的相互作用（見圖6）。

［教師］（1） 十七、十八世紀(jì)的一些自然科學(xué)家把牛頓力學(xué)推廣到化學(xué)領(lǐng)域，把化學(xué)元素能夠互相結(jié)合的能力單純看作引力。你同意他們的觀點(diǎn)嗎？

（2） 從原子結(jié)構(gòu)的角度分析，HCl分子內(nèi)H、 Cl之間存在哪些作用力？NaCl中Na+、 Cl-之間存在哪些作用力？你如何理解“化學(xué)鍵”與“作用力”的關(guān)系？

［學(xué)生］化學(xué)鍵是引力與斥力的平衡，不是單純的引力?；瘜W(xué)鍵廣泛存在于分子內(nèi)原子之間和相鄰離子之間。

［教師］“直接相鄰”與“強(qiáng)烈相互作用”是否存在關(guān)聯(lián)呢？

［提供信息］H、 Cl之間“距離與能量關(guān)系圖”（見圖7）。

［學(xué)生］能量越低越穩(wěn)定，化學(xué)鍵越牢固。H、 Cl之間距離較遠(yuǎn)或者距離太近均能量高，不穩(wěn)定。只有達(dá)到“直接相鄰”能量最低，化學(xué)鍵穩(wěn)定。化學(xué)鍵是直接相鄰的微粒之間引力與斥力達(dá)到平衡時(shí)的強(qiáng)烈的相互作用。形成化學(xué)鍵，可以使分子穩(wěn)定性增強(qiáng)（見圖8）。

［教師］所有的物質(zhì)中都存在化學(xué)鍵嗎？

［提供信息］破壞兩氦氣相鄰原子之間的作用力只需要0.167kJ·mol-1的能量［3］，遠(yuǎn)小于斷裂化學(xué)鍵所需能量100～600kJ·mol-1的能量。

［學(xué)生］并非所有物質(zhì)都存在化學(xué)鍵，稀有氣體相鄰原子間不存在化學(xué)鍵。

［小結(jié)］化學(xué)鍵概念模型：化學(xué)鍵是直接相鄰的微粒之間當(dāng)引力與斥力達(dá)到平衡時(shí)產(chǎn)生的作用力?；瘜W(xué)鍵的存在使分子能量降低，是構(gòu)成物質(zhì)、使物質(zhì)穩(wěn)定存在的本質(zhì)原因。

4.2? 建構(gòu)化學(xué)鍵與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系模型

［教師］請(qǐng)描述H2在O2中燃燒和H2在Cl2中燃燒的現(xiàn)象，說出兩個(gè)化學(xué)方程式中化學(xué)鍵的變化。

［學(xué)生］不同化學(xué)反應(yīng)中化學(xué)鍵的變化不同。

［教師］（1） 室溫下，1mol H2在O2中完全燃燒生成液態(tài)水放出256kJ能量，1mol H2在Cl2中完全燃燒生成HCl放出185kJ能量。為什么不同的反應(yīng)，釋放的能量不同？

（2） 化學(xué)鍵的斷裂和形成對(duì)化學(xué)反應(yīng)的能量變化有什么影響？

［提供信息］展示H、 Cl之間“距離與能量關(guān)系圖”（見圖9）。

［學(xué)生］（1） 當(dāng)兩原子由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸遠(yuǎn)離，能量升高，說明斷開化學(xué)鍵需要吸收能量；兩原子從較遠(yuǎn)向穩(wěn)定狀態(tài)變化，能量逐漸降低，說明形成化學(xué)鍵要釋放能量。

（2） 化學(xué)變化的特征之一是生成新的物質(zhì)，在反應(yīng)過程中必然伴隨著舊化學(xué)鍵的斷裂和新化學(xué)鍵的形成。當(dāng)斷裂舊化學(xué)鍵吸收能量與形成新化學(xué)鍵釋放能量不相等時(shí)，化學(xué)反應(yīng)就表現(xiàn)為對(duì)外吸收或釋放能量。這就是化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)（見圖10）。

［提供信息］長(zhǎng)征五號(hào)芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用地面推力50噸級(jí)的液氫—液氧燃料；助推器采用地面推力為120噸級(jí)的液氧—煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。為什么不同的燃料燃燒，放出的能量不同，對(duì)地面的推力不同。

［學(xué)生］有效利用化學(xué)鍵的斷裂與形成帶來的能量變化，給航空航天帶來燃料的多種選擇。化學(xué)鍵的研究對(duì)人類探索能源提供了結(jié)構(gòu)上的依據(jù)。

4.3? 探索化學(xué)鍵研究意義

［提供信息］（1） 視頻——碳納米管可用作“太空天梯”登月的材料，目前清華大學(xué)對(duì)碳納米管的科研與生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)居于世界前列，相關(guān)成果發(fā)表于2020年8月28日《Science》。

（2） 金剛石堅(jiān)硬、碳60有優(yōu)良的光電磁性能、石墨滑潤(rùn)且有導(dǎo)電性、石墨烯和碳納米管強(qiáng)韌。碳所形成的多種同素異形體，結(jié)構(gòu)與性質(zhì)均不相同。

［教師］（1） 視頻中，碳納米管為什么可以做“太空天梯”？它的元素組成和化學(xué)鍵有什么特殊性？

（2） 碳的多種同素異形體化學(xué)性質(zhì)不同的根本原因是什么？

（3） 經(jīng)過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，請(qǐng)你談一談，你對(duì)化學(xué)鍵有了哪些新的認(rèn)識(shí)？

［學(xué)生］（1） 同樣的元素通過化學(xué)鍵形成了不同的物質(zhì)且性質(zhì)各異，說明化學(xué)鍵是物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同的根本原因，物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)性質(zhì)。

（2） 化學(xué)鍵決定了物質(zhì)構(gòu)成的多樣性，決定了化學(xué)反應(yīng)的能量變化，是化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)（見圖11）。

［提供信息］（1） 化學(xué)鍵理論的發(fā)展歷程（見圖12）。

（2） 2012年北京大學(xué)成功實(shí)現(xiàn)了化學(xué)鍵的選擇性操控。對(duì)化學(xué)鍵的操控，可以對(duì)單電子分子設(shè)備、納米機(jī)電系統(tǒng)、化學(xué)合成和藥物輸送產(chǎn)生很大的影響。

［教師］（1） 你對(duì)化學(xué)鍵的發(fā)展史有哪些感受？對(duì)北京大學(xué)選擇性操控化學(xué)鍵有怎樣的認(rèn)識(shí)？

（2） 中國科學(xué)院白春禮院士說，化學(xué)的發(fā)展支撐了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，你對(duì)這句話有了怎樣的感悟？

［學(xué)生］（1） 對(duì)化學(xué)鍵的選擇性操控，讓我們認(rèn)識(shí)到化學(xué)鍵不是虛擬的，而是真實(shí)存在于物質(zhì)內(nèi)部，影響著物質(zhì)構(gòu)成。

（2） 我們用一節(jié)課了解的科學(xué)，是無數(shù)科學(xué)家百年薪火相傳的成果?；瘜W(xué)鍵的發(fā)展史，就是人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)知的發(fā)展史。我們要遵循事物發(fā)展的一般規(guī)律，尊重科學(xué)事實(shí)，繼承并發(fā)揚(yáng)科學(xué)家們的探索精神。

（3） 通過化學(xué)鍵的學(xué)習(xí)，認(rèn)識(shí)化學(xué)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，學(xué)好化學(xué)、用好化學(xué)，發(fā)展科學(xué)事業(yè)，創(chuàng)造更美好的生活！

5? 教學(xué)反思

從學(xué)習(xí)的視角出發(fā)，化學(xué)基本觀念是學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)習(xí)進(jìn)行深入反思和體驗(yàn)的結(jié)果，這種反思和體驗(yàn)包括對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律等知識(shí)的概括性認(rèn)識(shí)、對(duì)化學(xué)探究過程和方法的反思、對(duì)化學(xué)科學(xué)本質(zhì)及其在社會(huì)發(fā)展中作用的認(rèn)識(shí)和反思［5］。對(duì)于抽象概念的教學(xué)，更要立足觀念建構(gòu)，滲透學(xué)科素養(yǎng)。在化學(xué)鍵的教學(xué)中，不僅要教會(huì)學(xué)生領(lǐng)會(huì)概念本身的含義，還要在微粒觀基礎(chǔ)上發(fā)展構(gòu)性觀，揭示化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，理解概念深層次的意義，認(rèn)識(shí)化學(xué)鍵與物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)性質(zhì)、能量變化、化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)：

［1］何彩霞. 在多重關(guān)聯(lián)中探尋知識(shí)的意義——以高中《化學(xué)2》“化學(xué)鍵”單元教學(xué)為例［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2014， （8）： 46～49.

［2］廖正衡. 化學(xué)鍵理論發(fā)展的四個(gè)階段［J］. 化學(xué)教育， 1986， （6）： 54～57.

［3］夏澤吉. 關(guān)于范德華力本質(zhì)的定量探索［J］. 川東學(xué)刊（自然科學(xué)版）， 1997， （4）： 84.

［4］王磊， 陳光巨. 普通高中教科書·化學(xué)必修第二冊(cè)［M］. 濟(jì)南： 山東科技出版社， 2019： 7.

［5］畢華林， 萬延嵐. 化學(xué)的魅力與化學(xué)教育的挑戰(zhàn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （5）： 4.