基于学生认知障碍的化学概念教学

周体红

[摘   要]先概括学生对“物质的量的单位——摩尔”形成认知障碍的原因，再基于学生的认知障碍设计概念教学，以降低概念认知难度的同时发挥“物质的量”在化学计量中的宏微桥梁作用。

[关键词]认知障碍;物质的量;摩尔;概念教学

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2020）26-0056-02

物质的量的学习对学生而言是难点，在教学这一概念时，教师容易将其当成事实性知识呈现，先让学生识记众多的概念和公式，再通过大量练习来达到应用公式的目的。本文以破解学生的认知障碍为目的，思考如何有效开展“物质的量的单位——摩尔”的教学，以期与同行们共同探讨。

一、学生认知障碍形成的原因

1.学生认知因素

其一，化学作为从分子、原子层面研究物质组成、结构、性质及变化的一门学科，微观认识视角是重要的学科特征。初三课程的设置重基础性和启蒙性，从具体的课程内容来说，认知视角主要以宏观为主，很少从分子、原子、离子的角度去认识物质，这势必会导致学生的微观认知和微观意识薄弱。物质的量是微观认识视角的深度学习，若学生对微观粒子质量小、数量大没有感性认知，必将无法顺利建构物质的量的学习意义，形成认知障碍。

其二，认知以宏观为主还会导致学生的学习方法以识记为主、理解为辅，而且这种学习方法在初中化学考试中屡试不爽。这使得学生进入高中后，仍偏重识记物质的量的相关概念和符号，而忽视概念诞生的意义和推演过程。

其三，初中化学教学中渗透“宏观—微观—符号”三重表征的思维方式较少，用符号来表征物质的量、摩尔、阿伏加德罗常数、摩尔质量及等量关系对学生来说是重大的挑战。

2.概念定义因素

“物质的量”和“摩尔”在中文语系里晦涩生僻。“物质的量”来自于英文“the amount of substance”的翻译，在汉语语言习惯中显得比较别扭，加之教师一开始就强调“物质的量”这样一个专有名词不能分开理解成物质的质量和物质的数量，更让学生摸不着头脑。例如，H2O的物质的量为3 mol，O2的物质的量为2 mol相应的英文表述为：The amount of H2O is 3 mols.The amount of O2 is 2 mols.中文之所以别扭是因为同语重复，显然在上述英文例子中H2O 和O2 就是“物质的量”中的“物质”，英文中amount的意义已经不是简单的数量，而是“集合体”或者“堆”的多少，因此可以将“物质的量”理解成“堆量”。而“摩尔”作为物质的量的单位未曾在中文里出现，也给学生造成了困扰。教学中教师有必要讲清楚“摩尔”来自于拉丁语中的“mole”，其拉丁语的含义为“大量、堆”，音译成中文为“摩尔”，因此可以将“摩尔”理解成“堆”的意思，这恰好和将“物质的量”理解成“堆数”相呼应。

3.教师自身因素

（1）忽略概念的起源和发展

一个概念或者物理量的诞生有其特定的历史背景，了解概念产生的背景，有助于理解概念的价值。绝大多数师范院校没有开设化学史相关课程，这必将导致教师不关注化学概念的起源、演变与发展。具体就“物质的量”而言，绝大多数教师不知道“摩尔”和“物质的量”产生的先后顺序，不知道“摩尔”一词首次出现的作用，不知道阿伏加德罗对化学发展的贡献，不知道阿伏加德罗常数定义中选择12C的原因，甚至认为阿伏加德罗常数是阿伏加德罗测定的。历史发展中“摩尔”一词先于“物质的量”出现，它们出现的先后顺序代表了人类认知发展的过程，因此教学时教师可以先讲“摩尔”（堆）再讲“物质的量”（堆数）来降低学生认知的难度。

（2）忽视概念教学的原则和方法

教师在概念教学中容易墨守成规，甚至认为最有效的办法就是去记忆和练习。具体表现如下： 让学生记住数值和符号，不关注阿伏加德罗常数的来历;让学生直接记住公式，不推演n、NA、N的关系;让学生直接记住以g/mol为单位时摩尔质量的数值等于其相对分子（原子）质量，不关注选择12C的原因;不管学生能否理解引入“物质的量”的功能，直接让学生记住[N/NA=n=m/M]，然后生硬地补充一句“物质的量是连接宏观和微观的桥梁”。

心理学理论认为，学生学习概念大致包含五个阶段：感知阶段、加工阶段、初步形成阶段、联系整合阶段、应用阶段。教师直接把概念呈现给学生，实质是剥夺了学生的感知加工过程，这无疑增加了学生的认知负担。因此，只有让学生感知微观粒子数目庞大以及集合计数的思想，才能理解“摩尔”引出的意义和物质的量概念中“堆量”的属性;只有感知微观粒子质量小以及将一定数量整合在一起便于称量，才能理解“摩尔质量”的意义，最终才能整合加工数量之间的转换关系，理解物质的量的功能。

二、基于学生认知障碍的化学概念教学设计

1. “集合”计数思想的形成

将“退避三舍”“半斤八两”“锱铢必较”引入课堂，讲解“舍”“斤”“锱”“铢”等字的意义，让学生初步感知“集合”计数思想。分析单质C的组成，告诉一个12C原子的质量，计算12 g 12C所含有的C原子数;分析水的组成，告诉一个水分子的质量，计算18 g 水所含有的H2O 分子数。让学生将计算的结果用通常的数字表示形式书写并读数，然后教师再形象地讲解6.02 ×1023有多大。而引导学生分析套用集合思想计数微观粒子的关键是：将6.02 ×1023（庞大的数字）看作一个整体，称为1（单位）。

设计意图：引用成语典故并渗透集合计数思想，提升概念引入的趣味性;引导学生分析物质由微观粒子组成，感知宏观可称量的物质所包含的微观粒子数目庞大，再套用集合计数思想引出摩尔和计算12 g  12C的原子數来引出阿伏加德罗常数，让学生的认知顺理成章。

2.由“堆”引出“摩尔”和“阿伏加德罗常数”

先用“堆”来作为集合计量的单位，讲解摩尔的来历，让学生更容易接受“摩尔”这个单位;再让学生顺势念几遍“1 mol就是1堆”“2 mol就是2堆”“几mol就是几堆”;接着将6.02 × 1023个看作1 mol，直接引出阿伏加德罗常数（暂时回避12C）;然后让学生完成渗透[n=N/NA]思想的计算（暂时回避物质的量）。例如，3.01 × 1023个H2相当于           mol H2;1.204 × 1024 个O2相当于           mol O2;3NA个H2O相当于           mol H2O;含1.204 × 1024个H的H2O相当于           mol H2O。

设计意图：用形象化的语言“堆”来降低“摩尔”的认知难度，通过具体的计算增强学生对NA与1 mol之间的对应关系的认知，初步感知“数字+mol+微粒符号”这一描述物质多少的方式，为引出“物质的量”做好铺垫。

3. 由“摩爾”推演出“物质的量”

实际上，“数字+mol+微粒符号”就是该微粒的“物质的量”。“摩尔”相当于“堆”的意思，几摩尔就相当于几堆，因此可以将“物质的量”理解为描述微粒“堆数”的一个物理量，“摩尔”为其单位。对比其他物理量和单位的对应关系，加深理解，引导学生加工形成n、NA、N之间的转换关系。

设计意图：根据概念发展史，先有“摩尔”再有“物质的量”，概念的形成过程本身就是人类思维发展的过程，因此先讲“摩尔”再讲“物质的量”会更符合学生的认知规律。先初步感知“数字+mol+微粒符号”的描述方式，再加工形成“物质的量”的概念和n、NA、N之间的转换关系，符合概念教学的原理。

4.由“阿伏加德罗常数”推演出“摩尔质量”

关于为什么选择12C作为阿伏加德罗常数定义的基准，可引导学生回顾相对原子质量的定义，并计算1 mol  H2O的质量。

通过计算可以知道微观粒子的质量很小，但是1个集合体（1mol）的质量是可以称量的，以g作为单位的时候其数值等于相对原子（分子）质量，由此推出摩尔质量的定义、单位、符号、数值。

设计意图：消除学生对选择12C 的疑虑，帮助学生理解摩尔质量的数值为什么等于相对原子（分子）质量，更为重要的是，给学生渗透了摩尔质量可以将宏观的质量转化为微观的物质的量的意识。

5.构建[NNA=n=mM]思维模型

先创设生活情境：如何通过称质量的方式快速确立一麻袋一元硬币（一个硬币的质量太小不便于称量）的金额？学生很容易想到将一定数目看成一堆，称一堆硬币的质量和总质量，得硬币的总数[=总质量1堆硬币的质量×1堆硬币的数量]。再创设化学情境：一块铁的质量为112 g，求该铁块所含铁原子的数目。N=[112 g56 g/mol×6.02×1023个/mol=1.204×1024]个。建立模型后，找出题中涉及物质的量的知识概念模块，联想已有认知结构中与该知识模块相关的基础概念和知识，正确提取和运用解决问题所需的物质的量概念系统模块，找出已知项与所求项在量方面的内在联系，形成正确的解题思路。

设计意图：生活情境和化学情境相对照，学生很容易明白n相当于硬币的堆数，M相当于1堆硬币的质量，N相当于硬币总数。重点让学生明白“物质的量”的引入就是为了在宏观层面上通过质量（体积）求得微粒数目，搭建宏观和微观相联系的桥梁。

（责任编辑 罗   艳）