“物质的微粒性”主题PCK的核心要素研究

纪 丹

（华中师范大学化学教育研究所 湖北 武汉 430079）

PCK 是学科教学知识 （Pedagogical Content Knowledge）的简称，它是1986年美国斯坦福大学的教授舒尔曼（L．S．Shulman）提出的。PCK 水平较高的教师对自己所教的学科知识和所教的学生都有相当程度的了解，在教学过程中，教师不仅能设计有效的教学过程，让学生与课堂教学融为一体，而且还能识别学生的认知冲突，了解学生学习上的困难、错误认知以及解题策略等，并能选择适当的知识呈现与表征方式，帮助学生克服学习困难，避免错误认识的产生。

“物质的微粒性” 主要是通过初中化学九年级上册“物质构成的奥秘”这章内容呈现给学生的。物质的微粒性是中学阶段的一个重要的理论知识，一直以来就备受研究者的青睐，当前与这章内容相关的研究也层出不穷。它主要包括：分子和原子、原子的结构和元素的知识。分子和原子是初中生首次接触到的微小粒子，通过本章内容的学习，学生将从认识分子和原子的真实存在开始，去认识微观世界。同时，本章内容也是学生化学学习从具体到抽象、从宏观到微观的转变。因此本章的教学内容对学生了解微观世界、形成微观想象能力至关重要，而且本章也是学生继续探索物质结构奥秘、理解质量守恒定律、解释一切化学反应实质的基础。因此本章内容的学习对学生整个化学学习阶段至关重要。从学生已有的知识基础和生活经验来看， 学生通过小学自然科学和初二物理的学习，已经知道：分子是客观存在的，体积都很小，物质是由分子构成的，分子不停地做无规则运动，温度越高，分子的运动越剧烈，分子的种类不同且分子间有空隙等内容，对学习本章的知识有很大的帮助。虽然分子的性质在学生的前概念里比较全面，但是学生缺少对分子是微观粒子的认识，还不理解分子是保持物质化学性质的最小粒子、以及原子是化学变化中的最小粒子这些抽象的知识。因此本章的学习对初学的初中学生来说还是有一定的困难，并且也容易形成一些认知上的误区。

综上所述，物质的微粒性主题的学科教学知识的研究具有着非常重要的意义，对教师教学效果和教师专业的发展以及学生的学习都有很大的帮助。本研究通过研究确定了“物质的微粒性”主题PCK 的核心要素主要是以下几个方面：

一、教师对“物质的微粒性”学科内容的理解

“物质的微粒性” 这部分的学科内容知识是十分基础的知识，但同时也对学生整个化学学习起到至关重要的作用。比如分子和原子的化学史的知识：“原子”这一概念最早是由古希腊的哲学家提出的，他们认为万物都是由“原子”构成的，后来，道尔顿在做气体实验时，提出了“原子论”，他总结出气体的分压定律，并且认为气体的性质最好用“原子论”的观点解释。后来又提出了原子论的模型。科学是不断发展的，原子的结构模型也是如此，原子结构模型由道尔顿的实心球模型， 慢慢的发展到汤姆生的枣糕式模型、卢瑟福的行星模型、波尔的量子化轨道模型以及现代的电子云模型。而分子这一概念最早是由意大利的阿伏加德罗提出的，他认为原子是参加化学反应的最小质点，分子是保持物质特性的最小单位。他考察了盖·吕萨克和道尔顿的气体实验以及他们的争执，发现了矛盾的焦点，他在论文中指出：应当提出一个概念来表示直接构成物质的一种微粒，这种微粒就叫分子。如果引入分子的概念， 盖·吕萨克的实验假设只在名称上稍作修改就可以成立，原子论也会更加充实。这样，由于分子论和原子论的提出，就使得物质的宏观世界与微观世界联系起来。而当时的分子论和原子论仅仅是一种理论模型，当时分子论和原子论能用来解释很多难以解释的现象，当科学家们真正捕捉到分子和原子的存在时，分子和原子才成为一种理论。而在初中向学生介绍分子和原子主要是让学生开始学会从微观的角度看宏观世界。

对于“物质的微粒性”的理解，主要有以下几个方面：微观的构成上，物质都是由微粒构成的，构成物质的微粒包括分子、原子和离子等，宏观的组成上，物质都是由元素组成的。微粒能保持物质的性质，很多微观现象都能用微粒的观点来解释，构成物质的微粒有自身的属性，比如微粒之间有相互作用、微粒不断的运动、有间隙以及体积和质量都很小等，分子是由原子构成的， 原子又是由原子核和核外电子构成的，原子核又包括中子和质子， 原子带电荷后成了离子，因此，原子不仅能直接构成物质，还能构成分子和离子。分子是保持化学性质的基本微粒，而原子则是化学变化中的最小粒子，化学变化中原子重新组合成新的分子。对于分子和原子的模型，教师应该知道模型是人们为了某种特定的目的而对客观对象所做的一种简化描述，它并不是原型，也不是原型的复制，只是在一定程度上再现了原型。因此，教师在分子和原子的教学过程中要以严谨的态度使用模型，防止形成错误的引导。

初中阶段对物质的微粒性以及分子原子的认识主要是这些，教师只有自己比较准确全面的掌握这部分的学科内容知识， 才能准确的表达出来教授给学生，才能准确且及时的识别学生学习过程中产生的错误认识，帮助学生减少学习困难。

二、教师对学生理解的知识

在教学前教师要对学生的已有知识进行了解，明确学生的已有概念的正确与否， 这样才能有的放矢。在教学过程中，教师要了解学生的学习困难以及在学习过程中产生的错误认识，这样教师才能在学生的学习上起到促进作用。对于“物质的微粒性”的内容，教师要了解学生在学习过程中会产生哪些前概念和错误认识。本部分学生的学习困难主要是：这部分知识比较抽象， 学生在学习过程中对物质是由微粒构成的很难理解， 学生难以将宏观物质同微观粒子结合起来等。再加上教科书以及教学模型等的影响，学生在学习过程中对分子和原子会形成 “分子是有颜色的、有密度的”、“原子是球形的”等错误概念。教师只有了解这些知识才能更好的帮助学生去克服学习的困难和产生的误解， 才能帮助学生对这部分有更好的理解。

当前有关“物质的微粒性”的错误概念研究还是比较丰富的，本研究通过查阅相关文献资料，并结合相关的教学案例分析结果，统计出学生一些与“物质的微粒性”有关的错误概念，结果如表1 所示。

表1 “物质的微粒性”相关的错误概念

三、教师对“物质的微粒性”学科内容表征、呈现方式的知识

对于“物质的微粒性”这部分的知识，教师可以选择用语言、图片以及模型的表征方式将其呈现给学生。比如用语言的表征方式将分子的知识传递给学生时，就可以这样讲：同学们在很远就闻到花的香，这是由于大量的花的分子不断地运动，从而进入我们的鼻子里， 刺激我们的嗅觉系统使得我们闻到花的香味。这样的语言的表征方式不仅将分子客观存在、不断运动的知识传递给学生，而且也避免了学生产生“分子有味道”的错误认识。在讲述物质的构成时可以用图片的表征方式，比如运用苯分子和硅原子的图片去告诉学生物质是由分子或者原子构成的，但是要告诉学生这个图片仅仅是科学家们运用高科技描绘出的分子和原子，而不是运用高倍显微镜看到的，这样也就避免学生产生 “运用显微镜可以看到分子和原子”的错误认识。而在讲授分子和原子在化学变化中的行为时，教师可以运用模型的表征方式，如运用视频播放水分子电解的过程：水分子分解为原子、原子重新组合成分子。这种表征方式不仅可以将分子和原子在化学反应中的形象展现给学生，而且还有利于学生理解化学变化的本质。

四、教师对“物质的微粒性”教学策略的知识

“物质的微粒性”知识对教师来说难教，对学生来说难学。但是如果教师能设计有效的教学策略，就会使得教学工作达到事半功倍的效果。为提高教师的教学质量和学生的学习效率，目前关于“物质的微粒性”主题的教学策略的研究较多， 本研究的教学策略如下：

（1）利用多种教学手段

初中学生思维能力的发展正是处于从形象思维向抽象思维的过渡时期， 抽象思维还处于发展期，因此对抽象概念的学习需要感性材料的支持。所以，讲授物质的微粒性这部分的概念时要遵循学生的认识规律，从具体到抽象，做到从直观材料入手。

在讲授这部分知识时首先要引导学生联系实际的生活经验去学习化学概念，如讲授“分子”时，可以从红糖溶于水、桂花香、酒香不怕巷子深等日常生活现象中亲身感受，说明分子是客观存在的，再用“如果将一个原子跟乒乓球相比，将相当于将一个乒乓球跟地球相比”的形象比喻去描述原子的大小，这样就可以给学生留下深刻的印象了。教师在讲授本部分内容时，还应该运用现代化的教学手段，比如多媒体、模型和挂图等，对于分子和原子的知识，由于比较抽象，用多媒体教学则能更加形象的向学生展示物质的构成、分子的分解、离子的形成等过程，使学生更加直观地感知微观粒子的运动。当然利用模型教学则更能增加学生对复杂的微观世界的了解。

（2）引发学生的认知冲突

学生在学习这部分知识时头脑中已经存在一定的相关概念， 如果学生对当前头脑中的概念不满意，那么这时头脑里就会发生概念转变，因此利用引发学生的认知冲突的方式来促进概念的转变，对纠正学生的错误概念是一种十分有效的教学策略。知识并不是简单地由教师传递给学生的，而是学生通过自身已有的知识经验主动加以建构形成的。所以，教师在课堂教学时不能急于求成， 不能强行纠正学生的错误认识，可以通过引发学生的认知冲突，来诱导学生暴露其头脑中原有的概念。例如在讲“分子、原子”内容时，教师可以通过与学生的谈话，了解学生头脑中己有的“原子” 概念：“原子的体积很小”、“原子是圆形的”、“分子有颜色、有味道”等等，允许学生说出这样认为的原因，使学生与学生或者学生与教师间交换对同一概念的不同的认识。当学生发现自己头脑中已有的概念、想法与他人不同，而他人的观念比自己更合理，并且又能更好地解决问题时，这时他们会对自己原有的观念产生怀疑，在这种认知冲突下学生更加易于接受正确的科学概念。

（3）帮助学生形成概念网络

化学中任何概念都不是孤立存在的，而是同其他概念相互联系的。学生理清概念之间的相互关系，对他们掌握概念的本质、了解概念之间的联系与区别、形成概念网络具有十分重要的作用。“物质的微粒性”中的概念网络主要是物质、分子、原子、元素以及离子等之间的关系。本部分概念网络如下：

五、教师对“物质的微粒性”教学评价的知识

评价学生对知识的理解程度也是教学工作中重要的一个环节，通过教学评价，教师才能了解到学生是如何获得知识的、获得了哪些知识、对知识掌握的怎么样。本研究主要讨论以下几种评价的方法。

（1）纸笔检测法

在学习评价方式中，纸笔检测是最基本的也是最常用的一种评价方法。通过纸笔测试的结果，教师可以了解到学生对知识的记忆、理解程度，同时还能了解到学生运用知识的灵活程度。“物质的微粒性”这部分内容较为抽象，易产生错误认识，因此，教师在教授这部分知识时，应该在作业或者试卷中设计各式各样的题型，涵括多方面的知识，去检测学生对这部分知识的理解。

（2）课堂问答法

课堂问答法也是一种最常用的评价方法，它包括提问和追问。在课堂中教师通过提问学生对“分子和原子”的了解，不仅能够知道学生对这部分知识的掌握程度， 而且还能够及时发现学生头脑中的错误概念，有针对性地对学生进行教育。

（3）概念图法

概念图是一种能形象表达命题网络中一系列概念的含义及其关系的图解。它是由概念和连接概念之间的线段组成的。它能形象的表达某一命题中的各个概念的内在逻辑关系。利用概念图去评价学生的学习状况，不仅能够了解学生对新知识的理解，而且还能发现学生头脑中已有的认知结构是否正确。对学生有关“物质的微粒性”进行评价时，可以让学生画出物质、分子、原子、元素等概念之间的概念图， 通过学生画的概念图，教师可以了解和诊断学生的学习问题，反思自己的教学过程，改进教学方法。学生在画概念图时，可以发现自身学习的不足之处， 并通过与教师和同学所画的概念图的比较来发现自己知识的欠缺之处。

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