以微粒观引领专题教学的思考与实践

2017-11-14吴朝辉

化学教学 2017年10期

吴朝辉

摘要：通过对微粒观主要内容的归纳，揭示了微粒观对化学学习和研究的重要作用。分析了苏教版《化学1》的专题1的教材内容、初中阶段微粒观的教学及高中对微粒观的学习要求，提出用微粒观引领专题1教学，通过精心设计教学问题将学生思维不断引向微粒观，引导学生基于微观视角分析物质组成、结构和性质，帮助学生建构化学核心观念。

关键词：微粒观；化学核心观念；问题设计；专题教学

文章编号：1005–6629（2017）10–0044–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

化学新课程教学非常重视学生化学基本观念和基本方法的形成，注重学生对化学核心概念和基本原理的深入理解[1]。因此，新课程倡导开展观念建构为本的教学，在关注知识与技能目标的同时，更重视思想、观念这些高层次目标的达成[2]；强调在具体性知识基础上通过不断概括提炼出观念或观念性知识，建构起学科的观念体系[3]，使学生在深入理解化学学科特征的基础上获得对化学的一些基本认识[4]。

在分析苏教版《化学1》“专题1 化学家眼中的物质世界”的教材内容后，笔者将微粒观设定为引领整个专题教学的核心观念，据此设计教学问题，引导学生从微观视角认识物质的构成，理解化学变化的本质，明晰化学变化的过程，对反应中的现象作出本质的判断与推理[5]。

1 微粒观及其重要性

微粒观是基于微观视角，从微粒种类和数量、微粒的相互作用、微粒的运动和变化等角度，研究物质组成、结构及其变化规律，形成本质认识的一种思想方法[6]。高中阶段的微粒观主要包括以下几个方面[7～10]：

（1）微粒的种类及特点：①分子、原子和离子是构成物质的基本微粒，也是化学研究的重要对象；②微粒极其微小，常规量器无法度量其体积和质量；③原子是参加化学反应的最小微粒；④分子是保持物质化学性质的主要微粒，由若干个原子构成；⑤离子是带电的原子或原子团，电解质溶液导电是基于离子定向移动。

（2）微粒的结构：①构成分（离）子的原子分布于立体空间，呈现一定的立体构型；②原子可再分为质子、中子和核外电子等更小微粒；③同一元素的原子质子数相同，但中子数不一定相同。

（3）微粒的数量：①宏观物质是分子、原子、离子的聚集体；②用物质的量衡量物质具有的微粒数目。

（4）微粒的作用：①微粒内部更小的微粒间存在相互作用；②该微粒与其他微粒间存在相互作用；③微粒间发生化学变化的实质是强相互作用代替弱相互作用。

（5）微粒的运动和变化：①微粒间有间隙，间隙大小与聚集状态有关；②微粒具有能量，不停地作无规则运动，运动受温度等因素影响；③化学反应是原子间重组的动态过程。

（6）结构决定性质：①核外电子（特别是最外层电子）对化学性质有重要影响；②物质通过其独特的微粒种类、相互作用类型、聚集方式和聚集尺度实现了从微观结构到宏观性质的过渡，赋予物质独特的性质、用途、制法和保存方式；③物质的微观结构决定物质宏观性质，宏观性质反映微观结构。

化学不同于其他自然科学之处是不仅从宏观上对物质的变化进行观察和描述，更重要的是从微观结构上对其进行解释，以深刻把握物质变化的本质规律[11]。微观认识是化学学科理解或解释其基本问题“物质及其转化”规律性的独特思维方式[12]。故“宏观辨识和微观探析”被《普通高中化学课程标准（意见稿）》确定为学生必须具备的学科核心素养之一。

因此，中学教学一个重要任务是引导学生从微观视角认识物质世界，形成科学认知。

2 在高中起始阶段就需关注微粒观

高中化学是在初中化学（科学）的基础上实施的较高一层次的教学。高中教学以初中知识为基础，是对初中内容的拓宽与延伸。所以我们必须了解初中阶段围绕微粒观学了些什么，归纳起来有以下特点：

（1）涉及面窄。学生只要了解“物质是由极其微小的微粒构成的；微粒是不断运动的；微粒之间存在一定的间隔；微粒之间存在相互作用”[13]。上述学习范围只涉及微粒观（1）、（4）、（5）中的部分内容（此处编号与前文“微粒观的主要方面”编号一致。下同）。

（2）学习要求低。《义务教育化学课程标准（2011版）》中要求：“认识物质的微粒性，知道分子、原子、离子等是构成物质的微粒；能用微粒的观点解释某些常见的现象；知道原子是由原子核和核外电子构成的；知道原子可以结合成分子、同一元素的原子或离子可以相互转化，初步认识核外电子在化学反应中的作用。”学习要求以知道、了解等浅层次的要求为主。

（3）解决实际问题的能力不足。初中阶段只要求学生解释与物质三态变化和扩散等有关的问题。如，溶解是一个怎样的过程？为什么加热会加速固体溶解、液体挥发？为什么搅拌可以加速溶解？为什么桂花能十里飘香？

进入高中后，学习要求陡然上升：要求学生从原子、分子、离子、化学键、官能团等角度深入分析化学变化的微观特征[14]。如，通过电子转移认识、配平氧化还原反应及利用得失守恒进行计算。用离子反应认知电解质在水溶液中反应的本质、判断离子共存及根据溶液电中性进行计算。用微观结构分析物质的相似性和递变性。通过微粒间作用的变化计算反应过程的热效应……

微粒观需要借助专业词汇才能概括与交流。这些词汇是化学发展过程中逐渐固定下来的，本身具有一定的抽象性。学生需要一个从熟悉到领悟的渐进过程，才能建立词汇和化学涵义之间的联系。

经验越丰富，处理问题越得心应手，所以应尽早从认知角度、广度及深度等方面拓展学生的微粒观，丰富学生从微粒观理解物质组成、结构与性质的经验。

3 在高中《化学1》专题1教學中可引入微粒观

教材编写专家会有意识地将部分核心观念渗透进教材内容中，以具体知识为载体，促进学生建构化学核心观念。所以实施观念建构为本的教学，首先要审视教材内容，识别和提炼出一个关键性概念或原理或方法等作为核心观念，为教学设计思维过程指明方向[15]。《专题1 化学家眼中的物质世界》的内容如表1所示。endprint

从教材内容上看，物质的分类和转化实质是分子等微观粒子的变化；物质的量是微观粒子与宏观质量相联系的基本物理量；物质聚集状态的变化实质是微粒间相互作用的变化和分子间距离的变化，通过对物质微观结构分析引出气体摩尔体积；物质的分散系涉及分子等微观粒子。第三单元是让学生明白化学学习和研究必须进入原子、分子等微观世界。所以本专题内容实质上是引导学生用化学眼光、从微观的角度去认识物质世界，认识到宏观和微观的相互转化是研究化学的科学方法之一[16]。

苏教版教材主编王祖浩教授撰文指出：“专题1是《化学1》的‘灵魂，统领着专题2、专题3、专题4的内容，支撑着《化学1》教材的知识体系。只有处理好专题1的学习与应用的关系，才能逐渐形成比较合理的知识系统。……化学性质往往体现在宏观变化上，但本质是不同形式的粒子运动和相互作用。……因此，教师要引导学生‘看到、‘想到微粒的基本性质和相互作用，逐步深化对常见化学反应本质的认识。[17]”

4 在专题1教学中引入微粒观的设计

微粒的抽象性对抽象思维能力不强的新高一学生来说障碍不小。所以需要依据学习进度和学情，将微粒观的建构与基础知识学习、基本技能训练等有机结合起来，采取适时渗透、逐步整合、在应用中强化的策略[18]。下面围绕本专题的教学单元，简要介绍通过设计教学问题引导学生建构微粒观。

[物质的量]根据H2与O2反应的化学方程式，提出4个问题：①2个氢分子需要几个氧分子？②2g氢气需要几克氧气？③2个氢分子需要几克氧气？④2g氢气需要几个氧分子？

初中阶段已知道化学方程式有宏观、微观双重涵义，故可以轻松回答问题①②。但是，问题③④则让学生进入了“心求其通而未解，口欲言而未能”的愤悱状态，发现方程式的宏观、微观涵义之间存在着一道无法逾越的鸿沟，必须引入新的物理量来消除割裂，完成便捷交流。问题③④让学生意识到了引入“物质的量”的必要性和重要性，也有助于克服学习过程中的畏难情绪。

学习“物质的量”后，学生仿佛被赋予了这样的能力，把想象力当成显微镜，窥视一个微小的世界、一个遥远的世界，这个世界比宏观世界要小几十亿、几万亿倍，在那里可以看到组成物质的成分[19]。

微粒观建构目标：（1）①②，（2）②，（3）。

[物质的聚集状态]气体、液体、固体有什么共性？它们为什么会有这样的共性？为什么气体的体积易受温度、压强的影响？决定物质体积的微观因素有哪些？

学生知道物质三态的宏观特性：气体没有固定的形状和体积，液体有固定的体积但没有固定的形状，固体有固定的形状和体积。但并不清楚其中的原因。

根据教材第10页表1-3“不同聚集状态物质的微观结构与性质”以及图1，引导学生从微观视角分析和认知物质的三态。

固体的组成微粒排列紧密，间隙小，难以移动，所以固体难以形变和压缩，故有固定的形状和体积。气体的组成微粒排列松散，间隙大，易形变、易被压缩，所以气体没有固定的形状和体积。液体的粒子间隙介于两者之间，所以宏观特性也介于两者之间。

温度升高，粒子间隙增大，体积增大。温度降低，粒子间隙减小，体积减小，这就是热胀冷缩。压强增大，粒子间隙减小，体积减小。

由于固体、液体的间隙小，所以体积受温度、压强的影响较小。而气体的粒子间隙大，所以气体的体积易受温度、压强的影响。

借助教材第11页的表1-4“1mol物质的体积”，得出影响体积的三个微观因素：粒子数目、粒子直径及粒子间隙。总结出1mol气体的体积主要取决于粒子间隙，1mol固体或液体的体积主要取决于粒子直径。又因为同温同压下，不同气体的粒子间隙近似相等，自然地引出气体摩尔体积：同温同压下，分子数相同的气体具有相同的体积。

微粒观建构目标：（1）①②，（3），（5）①。

[物质的分散系]溶液、浊液有什么特征？为什么会有这些特征？

溶液是均一、稳定的混合物，而浊液是不均一、不稳定的混合物。因为溶液是溶质粒子以离子或分子形式擴散到溶剂分子的间隙中形成的，故其外观均一、稳定。而浊液的分散质是以小液滴或小颗粒形式分散到分散剂中，故其外观不均一、不稳定。

再从微观角度认识两种分散系。因分子、离子的粒子直径均小于10-9m，所以溶液的本质特征是分散质粒子直径小于10-9m。而小液滴或小颗粒是分子或离子的集合体，粒子直径都大于10-7m，故浊液的本质特征是分散质粒子直径大于10-7m。

上述介绍会引发学生好奇，如果粒子直径介于溶液与浊液之间应属于什么分散系，具有什么样的特性？顺利引出胶体概念的同时，让学生知道胶体是物质的一种常见的存在状态，如云烟雾。如NaCl分散到水中可形成溶液，分散到酒精中则形成胶体。

微粒观建构目标：（3）①②，（5）①②，（6）①②。

[电解质及其电离]为什么手上有汗时不要接触电器开关？为什么NaCl溶液能导电？

因为汗液含有NaCl，能导电。分析教材第15页图1-10“氯化钠在水中的电离”并结合化学史开展教学活动。1884年瑞典化学家阿累尼乌斯提出了电离学说：物质能导电，是因为溶于水时会解离成带电荷的离子。如NaCl溶于水时，在水分子作用下解离成能自由移动的Na+和Cl-，在外加电压的作用下，Na+和Cl-定向移动实现导电。endprint

借助电离和电离方程式，发现了酸、碱各自的共同点：酸溶液中的阳离子全是H+，碱溶液中的阴离子全是OH-。从微观角度掌握了酸、碱具有通性的本质原因，强化了物质分类观及结构决定性质的观念。

电离和电离方程的学习可延伸到“溶液配制及分析”一节，它们是分析溶液中离子组成的重要工具。当然，通过计算各离子浓度也能巩固对电离的认知。

分析和判断物质能否电离及电离产生的离子，有助于学生从微观角度理解电解质在水溶液中的各种行为，归纳它们在水溶液中的化学反应的实质。

微粒观建构目标：（1）①⑤，（3）①②，（6）①②。

在微粒观的指引下，学生完成了特殊到一般、整体与部分的归纳：组成相似的物质，化学性质相似；相似部分是支持物質共性的基础。

微粒观建构目标：（1）①③④⑤，（4）②③，（5）③，（6）①②。

[原子结构模型的演变][原子的构成]人类对原子的认识经历了怎样的从低级到高级的过程？原子的核外电子是如何排布？原子结构如何影响化学性质？

要研究物质的宏观性质，必须到微观世界去寻找原因。化学研究虽然涉及多种微观粒子，但最主要的是研究原子。因为，只要了解了原子结构，就可以了解分子和离子结构；了解了原子的结构，就可更深入地认识物质的组成和结构，了解化学变化的规律[21]。

在认识了多电子原子的电子分层排布规律后，根据Mg、O、Mg2+、O2-的核外电子排布变化，从微观角度归纳：①原子参与化学反应时，原子核不变，变化的是最外层电子。②最外层电子会向8电子稳定结构转化。③最外层电子数小于4时，易失去电子。最外层电子数大于4时，易得到电子。等于4时，既难以得到也难以失去。④元素失电子后化合价上升；元素得电子后化合价降低。⑤电子得失的过程又称为电子转移。

通过解剖原子，使学生认识了核外电子，知道了“结构决定性质”，特别是最外层电子在化学反应中的关键作用。

微粒观建构目标：（1），（2），（4）①②③，（5）②③，（6）①②。

微粒观的建构离不开学生积极主动的想象。但学生的想象需要问题引导，尤其是对于抽象概念的想象，更需要教师设疑激发[22]。在本专题的教学中，还可提供一些拓展性问题供学生讨论与思考，如：为什么同一容器中的气体分子越多，压强会越大？NaCl在其饱和溶液中不再溶解了吗？为什么质量不再改变？为什么将晶体磨细能加快NaCl的溶解？为什么NaCl固体不导电？影响溶液导电能力的因素有哪些？……通过拓展性问题让学生养成一种从微粒视角去思考宏观现象的意识，形成科学、严谨的想象能力，既能想象静态微粒，又能想象微粒的动态变化。

5 反思

核心观念建构是一个对大量经验认识进行抽象、概括的归纳过程[23]，注重的是核心观念对学生的持久性影响和迁移性价值，强调培养学生深层理解力和科学思维能力[24]。本文通过体悟教材编写意图，挖掘精髓内涵，引导学生深化对微粒观的认知，目的是让学生能牢固地、准确地以及多角度地建立起这一基本化学观念[25]。当然，仅通过一个专题的教学，还不足以建构起完整的微粒观，需继续强化和提升。

总之，在教学中应精心选择问题，将学生的思维向微粒观延展和聚焦，以具体性、事实性知识为载体，培养见著知微的能力，逐步完成微粒观思维拼图，多方位地建构对化学的本源认知：化学是一门在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、变化及其应用的基础自然科学。然后从这一认知向外发散，用微粒观分析物质在化学反应中的种种表现，实现与其他化学核心观念（元素观、变化观、能量观等）的串联。

参考文献：

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