基于核心素养培养的物质组成教学—以“研究水的组成”为例

张永梅

一、研究背景

核心素养是指学生应具备的能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，核心素养代表了一系列知识、技能和态度的集合，它们是可迁移的、多功能的，这些素养是每个人发展自我、融入社会及胜任工作所必需的。化学学科核心素养之“证据推理”的培养目标包括“能初步学会收集证据，基于证据进行分析推理，证实或证伪假设，能解释证据与结论之间的关系，确定形成科学结论所需要的证据和寻找证据的途径”。证据推理能力是对科学理论进行归纳和演绎的过程，经由发现问题、提出假设、设计实验、证据评估、解释推断等一系列活动，最终使问题得以解决的思维过程。在这一系列活动中所需要的内在思维能力和技能即为证据推理能力，是思维发展到一定程度后的一种高级思维形式。需要教师在深刻理解证据推理能力内涵、构成的基础上，深入地挖掘学生头脑中证据推理能力的形成历程，从而指导学生形成内在逻辑的思维形式。

认识物质的组成是对物质性质及其化学变化本质的深层次理解，确定物质成分不应只通过物质的性质，还需要通过变化，在分子、原子层次上，研究物质的组成和结构，即研究化合物组成的第一个角度是确定元素种类，第二个角度是确定分子中各原子的数量关系。研究化合物的元素组成时，可以采用以下模型：通过分解反应将未知组成的物质分解为单一元素组成的较简单的已知组成的物质，然后根据元素种类守恒，推断出未知物中的元素组成。研究化合物分子中的原子个数比时可以根据宏观实验现象和微粒粒子数量的关系，进行严密推理。

二、教学活动的实施过程

1.引入

观看视频：美国一个天文学家团队宣布在一颗褐矮星上发现水的存在。

【教师设问】科学家如何确定发现的物质就是水？

【学生反馈】闻气味、尝味道、观察状态等。

【教师点拨】确定物质成分不应只通过物质的性质，还需要通过变化，在分子、原子层次上，研究物质的组成和结构。

2.环节一：确定研究水的元素组成的思路和方法

观看资料：二百多年前，法国化学家拉瓦锡把少量红色粉末放在密闭的容器里连续加热12天，发现该红色粉末变为银白色的液态汞和氧气。

【教师设问1】你能否推测出这些红色粉末的元素组成？依据是什么？

【学生反馈】红色粉末的组成中有汞元素和氧元素。根据质量守恒定律，反应前后元素的种类不变。分解后得到的两种物质中只含有汞元素和氧元素，这些元素都来自于唯一的反应物—该红色粉末，所以该红色粉末由氧元素和汞元素组成。

【教师设问2】如何研究水的元素组成？你的依据是什么？

【学生反馈】确定方案：通过分解水，并分析所得生成物中的元素，反推水的元素组成。

本环节的功能价值：借助化学史，确定依据元素守恒可以判断物质的元素组成，并发现选择分解反应的优点。使学生意识到研究化合物的元素组成时可以采用以下模型：通过分解反应将未知组成的物质分解为单一元素组成的较简单的已知组成的物质，然后根据元素种类守恒，推断出未知物中的元素组成。引导学生完成从感性认识到理性思维的过渡，突出本课题的研究价值。

3.环节二：研究水的元素组成

【教师设问1】如何让水分解？

【教师点拨】水分解需要的温度很高，不易达到。化学家们采用电解的方式分解水。

介绍装置：(1)1789年，杨•鲁道夫•德曼和阿德里安•派斯•范•特鲁斯维克使用静电电解水。(2)1800年，威廉尼克森和安东尼•卡莱尔使用伏打电池电解水。(3)1869年，格拉姆发明直流发电机，电解水逐渐引人关注。

【演示实验】电解水，并检验生成物。

【教师设问2】电解水生成了哪些物质？

【学生反馈】两极都产生气体，正极与负极气体的体积比为1:2，正极为氧气，负极为氢气。

【教师设问3】通过实验现象可以确定水的元素组成吗？

【学生反馈】水分解后生成氢气和氧气，这两种气体分别由氢元素和氧元素组成，即反应后生成了氢元素和氧元素。根据元素守恒，氢、氧元素来自于唯一的反应物水，所以水由氢元素和氧元素组成。

【教师设问4】上述推理过程是否严谨？

【学生反馈】如果水分解后，还有其他生成物，且这种生成物中有除氢、氧外的元素，则推理无法达成。

【教师设问5】如何证明电解水的生成物中，没有其他元素组成的物质？

【学生反馈】(1)将剩下的液体全部电解完，看是不是只有氢气和氧气。(2)将生成的氢气和氧气混合反应，看能否再生成水。(3)将电解后的液体和纯水进行对比，证明电解后剩余的液体仍是水。(4)看消耗水的质量与生成氢气和氧气的质量之和，是否相等。

观看资料：1785年，拉瓦锡将一定质量的氢气和氧气在一起燃烧，化合后生成了同质量的水；再将这些水分解，仍然得到同质量的氢气和氧气。

【学生反馈】电解水只生成氢气和氧气，从而得出结论：水由氢元素和氧元素组成。

本环节的功能价值：通过连续的问题链，引导学生经历“得出证据→发现证据的不严谨性→进一步完善证据→进行推理→重新得出结论”，从而明确证据与结论之间的关系，感知推理不仅要依据证据，同时还要考虑证据是否严谨，是否充分必要。并通过定性、定量两种分析方法，从“旧物质消耗”和“新物质生成”两个角度研究分析，关注化学变化的特征和过程，感受“分”和“合”在研究纯净物组成时的便捷性及合理性。

4.环节三：探究水分子的原子构成

【教师设问1】知道元素组成，就能确定液体是水么？

【学生反馈】不可以，过氧化氢和水的组成元素相同，但不是同一种物质。

【教师点拨】确定物质的组成不只要了解元素种类，还要了解构成物质的微粒种类。水由水分子构成，我们再来尝试推断水分子的构成情况。

(1)同温同压下，气体的体积比为分子个数比。(2)1805年，法国化学家盖•吕萨克利用以下实验精确测定水的组成：2体积氢气和1体积氧气点燃生成2体积水蒸气。

让学生观看资料。

【教师设问2】结合资料，利用球棍模型，推理一个水分子中的原子构成是怎样的？

【学生反馈】参加反应的氢气、参加反应的氧气、生成水蒸气的体积比为2:1:2，即氢分子、氧分子、水分子的个数比为2:1:2。那么，共有4个氢原子和2个氧原子平分到2个水分子中。从而得出结论：一个水分子由两个氢原子和一个氧原子构成。

本环节的功能价值：引导学生关注研究化合物组成的第一个角度是确定元素种类，第二个角度是确定分子中各原子的数量关系。指导学生分析资料信息，理解宏观实验现象和微观粒子数量的关系，进行严密推理，得出水的微观构成。

5.小结

【教师设问】通过本节课的学习，你了解到研究化合物组成的角度和方法是什么？

【学生反馈】(1)研究化合物组成的角度包括宏观和微观两方面：组成元素和分子构成。(2)研究化合物组成的方法可借助“分解”或“化合”反应，分析物质种类和量的变化，即定性和定量两个方面。(3)研究化合物的元素组成时，依据的基本原理是：化学反应前后，元素的种类不变。(4)找证据时，证据与结论的关系要一一对应。而且证据要严谨且充分必要。

观看资料：X-射线单晶衍射仪器可以观测到冰中的水分子，北京大学科学家也首次拍到水分子的内部结构。

6.课后应用

问题1：碱式碳酸铜是一种绿色粉末状固体，加热后可分解生成氧化铜、二氧化碳和水。根据以上信息，推理碱式碳酸铜的组成，并说明你推理的依据。

问题2：镁是一种活泼金属，燃烧的镁条在二氧化碳气体中也不会熄灭，而是剧烈反应后生成一种黑色固体和一种白色固体。根据以上信息，推测这两种固体的可能组成，并说明你推理的依据。

问题3：李比希于1831年最早提出测定有机化合物中碳、氢元素质量分数的方法—取1体积某有机物气体在2体积氧气中完全燃烧，可生成1体积二氧化碳和2体积水蒸气。请根据以上信息，推理这种有机物的化学式，并说明你推理的依据(已知：同温同压下，气体体积比为分子个数比)。

三、基于核心素养培养的物质组成的教学策略

如何开展物质组成的教学，如何在进行物质组成教学的过程中培养学生的核心素养，笔者有如下思考。

第一，初中化学阶段有两次对于物质组成的认识，可以引导学生建立并认知相应的研究模型。第一次是通过“测定空气中的氧气含量”的探究活动建立并认知“研究混合物组成的方法”的模型。第二次就是通过“研究水的组成”的探究活动建立并认知“研究化合物组成的方法”的模型，即利用化合或分解反应，根据元素守恒，推断物质的元素组成。模型的建立需要学生自主进行，不能由教师直接给出，但可以提供化学史上科学家研究的范例。

第二，全面认识物质组成的角度包括宏观和微观两方面，通过“研究水的组成”的探究活动可以帮助学生建构部分“元素观”和“微粒观”。通过多个学生活动，指导学生认识到研究物质组成的顺序：先了解组成物质的元素种类，再了解构成物质的微粒构成。

第三，在实施教学活动时，要关注培养学生证据推理的核心素养，发展学生的逻辑思维能力。实际上，很多学生已经知道“水由氢元素和氧元素组成”和“电解水会产生氢气和氧气”等内容，但他们对各知识点的认识是割裂的，不知道彼此之间的关系，也就是“知其然而不知其所以然”。通过“确定研究水的元素组成的思路和方法”的学生活动，指导学生自主建立实验方案和实验目的之间的关联，做到“知其然”。然后，通过设问“上述推理过程是否严谨？”让学生深入体会证据与结论之间的对应关系，并理解收集的证据要充分必要。

参考文献

[1]褚宏启.核心素养的概念与本质[J].华东师范大学学报:教育科学版2016,34(4):12-15.

[2]任唯,刘东方.科学推理能力的构成及其考查研究[J].化学教学,2015(3):63-66.