利用多视角进行物质的组成教学——以“水的组成”教学为例

文∣邱惠芬

化学学科研究视角之一是从物质组成来认识物质。“研究物质的组成”是初中化学教学的重要组成部分，既有“混合物中某成分或含量的测定”，也有“纯净物元素组成的研究”。初中教材把物质的组成的内容编排在不同章节中，是根据化学学科知识进阶和学生的认知发展规律来安排的，有利于从学科理解的角度不断深化知识，促进学生的认识发展。初中化学核心知识是以各种元素为代表的单质、化合物的组成及其变化，教师首先需要帮助学生建构证明化合物组成的基本思路方法。本文以九年级人教版《化学》第四单元课题3“水的组成”教学为例，谈谈在研究物质的组成过程中如何促进学生认知发展。

一、以证据推理链串联学生认知视角

化学认知视角是指对物质及其变化的特征及规律进行认识的侧面、角度或切入点，是解决“从哪儿想”这一问题的，旨在启发和指导学生化学思维的方向或突破口。而学习是指由经验引起的行为、能力和心理倾向持久性的变化[1]，学习者的经验将是学生学习的证据，基于证据进而推理出合理性的结论。以证据推理链串联化学学习过程，能不断将学生的经验有效串联起来，形成系统的证据推理过程，进一步发展学生的认知视角。

在证明化合物组成的学习过程中，让学生学会如何辨别、理解和处理众多与化合物组成的有关证据，基于多维度的证据进行推理化合物的组成，让学生寻找“研究物质的组成”认知视角。 在“水的组成”教学中证据链是：古人“眼”中的水→科学家“眼”中的水→我们“眼”中的水。教师引导学生不断从古语、史料、实验、模型中寻找多重证据形成证据链进行推理。从古语的经验证据、史料的宏观证据、实验定性定量证据、模型的微观证据等来提高学生收集证据的广度和深度，进而提炼物质认知视角：从宏观元素组成来认知物质的组成，从微观粒子构成来认知物质的组成，从定性实验来体会物质的组成，从定量实验来计算物质的组成。教师设计的具体证据链如图1。

图1 化合物组成学习证据链

二、以案例和引导发展学生认知思路

化学认知思路是指对物质及其变化的特征及规律进行认知的程序，是解决“怎么想”这一问题的，旨在启发和指导学生化学思维的路径和分析框架。在教学过程中以案例和引导发展学生认知思路也是一种尝试。教学一定需要案例和引导。从原始的“口耳相传”教学，到“视听结合”的现代教学，甚至是以“学习中心”为主的未来教学，都离不开案例和引导。高质量的案例和引导促进学生集中注意力、激发兴趣、分析辨别、归纳推理、进行反思、生成意义、建构新知等， 这就构成了案例和引导的完整过程和连续环节。

在促进学生的认知发展教学过程中，需要高质量的案例和引导来促进学生的认知发展。在“水的组成”教学案例中，让学生接触大量科学家的研究史实，了解科学家研究物种组成的发展史，不断激发学生的学习兴趣，遵循化学的“原生态”发展轨迹，遵循学生认知发展规律，逐步引导学生从多角度进行学习的科学方法。从而掌握研究“物质组成”认知思路。

【案例1】屏幕播放模拟的普利斯特里“可燃空气”魔术，“可燃空气”由“可燃气”与空气混合组成；然后瓶子里还有一位神秘“客人”。“可燃空气”是什么？神秘的“客人”是谁？

引导：最初普利斯特里在变魔术中发现点燃“可燃空气”，生成了一种液体物质，分析史料，寻找证明“可燃空气”的证据；基于证据推出什么结论？

指出证据：“可燃空气”燃烧，瓶壁上有不少液态物质。

推理：从宏观实验证据猜想，“可燃空气”可能是氢气和空气混合，在点燃条件下生成水。

【案例2】随着氧元素得到确认，卡文迪许接着尝试用纯氧代替空气，进一步确认1单位体积的氧与2单位体积的“可燃气”恰好可以完全反应，生成水。但是受当时“燃素学说”的影响，卡文迪许并没有根据自己的实验证据做出正确合理的推理。

引导：以上是卡文迪许做的实验，他的证据是什么？结论是什么？卡文迪许收集了这么多证据，有没有推理出水的组成呢？

指出证据：实验和定量证据是1单位体积的氧与2单位体积的“可燃气”燃烧，生成液体水。

推理：1单位体积的氧与2单位体积的“可燃气”恰好完全反应生成水，但受“燃素学说”的影响，这一实验证据并没有得到正确的推理。

【案例3】拉瓦锡继续从元素守恒的角度，从化合物的化合和分解角度设计实验。他将15格令(1格令为65毫克)的易燃空气(H2)和120格令的生命空气(O2)放在一起燃烧，燃烧产物精确为135格令的纯净物(H2O)；再将135格令的纯净物(H2O)通过一根烧红的枪管，又得到原质量的H2和O2。

引导：以上是拉瓦锡所做的实验，他的证据是什么？结论是什么？

指出证据：拉瓦锡不但从水的生成找证据，还从水的分解找证据；根据定量分析推理水的组成。15格令的H2和120格令的O2燃烧，生成135格令的H2O。135格令的H2O分解为15格令的H2和120格令的O2。首次从纯净物(H2O)的角度进行实验，并排除其他物质的干扰，直接用烧红的枪管进行电解。

推理：从化合物的化合和分解角度，推理出水是由氢、氧两种元素组成的。

引导：科学家研究物质组成时，做了一系列的实验，你能说说科学家是利用哪些化学反应来研究水的组成的。

学生通过上面的案例与引导，总结出基于证据研究水的组成的认知思路，如图2。

图2 科学家研究水的组成思路

教师在循序渐进的案例与引导中，不断激发学生寻找科学家研究过程中的证据，并进行合理的推论，让学生按科学家研究元素化合物组成的进程去寻找研究元素化合物的认知思路。

三、以实验探究发展学生认知方式

学生认知方式指对物质及其变化的特征、规律进行认识的方式方法，是解决“怎么做”这一问题的，旨在启发和指导学生用化学思维方式解决问题。在化学学科发展历程中，每一次理论突破、每一个发现和发明，都是基于实验研究或通过实验检验的，并在实验证据基础上进行推理。按科学家研究水的组成认知方式，学生讨论提出实验探究来认识水的组成：

图3 实验探究来认识水的组成

化学是以实验为基础的，教师在引导学生了解科学家如何探究物质组成后，要让学生亲自动手实验。让学生在实验探究过程中，初步掌握物质的组成认知方式，并初步学会运用比较、分类、归纳、概括、演绎、抽象等科学方法推断物质的组成。

教师在实验教学过程中可以用问题链的形式开展实验教学。让学生善于从学科理解的视角发现问题。元素化学物的组成需要从化合物的生成视角设计问题，也需要从化合物分解的视角设计问题，不断激发学生进行猜想、收集证据、基于自己的实验证据进行推理结论。

(一)问题链推进认知过程

【问题1】如何从水的生成视角证明物质的组成？

表1 实验设计

根据设计的方案，进行氢气在空气中燃烧实验，收集、记录证据，依据证据展开推理活动。教师引导学生从元素视角思考水的组成。在探究过程中引导学生从元素守恒视角思考证据的准确性。拉瓦锡是对纯净物(H2O)进行实验，并控制没有其他物质的干扰，直接用烧红的枪管进行电解。

【问题2】氢气在空气中燃烧生成水的实验，能准确证明水是由氢、氧元素组成的吗？

空气中含有N2、O2、CO2、水蒸气、稀有气体等，从元素守恒的视角，氢气在空气中燃烧后生成水这个推理不严谨，我们需要寻求进一步的验证方案，能否从水的角度出发？

【问题3】如何从水的分解角度证明物质的组成？

学生思考如何从水的分解角度证明物质的组成，设计实验方案。电解过程中收集证据观察：①相同时间气泡产生的快慢，②相同时间气体体积的量。电解结束后(检查气体)观察：木条燃烧情况。教师带领学生从定性证据的收集到定量证据的收集，从不同视角(变化观、元素观)分析问题，基于证据展开推理的活动，推出合理的结论，同时建立纯净物的分类方法，进一步形成分类观。

表2 实验现象与结论

表3 实验总结

【问题4】电解过程中，为了增强导电性可在水中加入氢氧化钠、硫酸或硫酸钠等物质；从氢、氧元素守恒视角，你会选择哪种物质？

这个问题进一步引导学生思考化学反应变化过程中的变化观和元素观，为了确保元素守恒，应选择硫酸钠。

【问题5】气体体积受温度压强影响较大，电解过程中收集气体能保证在同温同压下准确测定气体体积吗？阅读下面史料证据，看看科学家如何解决这个问题。

出示史料证据：①同温同压下，气体的体积比为分子个数比。②1805年法国化学家盖·吕萨克从定量的角度精准测定水的组成：

盖·吕萨克设计实验较精确，氢气、氧气可以完全控制纯净，体积可以在同温同压下测定，反应条件为电火花点燃，可以使反应充分进行，反应后可以在同温同压下准确测量水蒸气的体积。进一步通过科学家的精确证据和推论，拓宽学生分析元素化合物组成的思路，进而定性分析和定量计算推出水的组成结论。

(二)模型帮助学生认知

研究化合物组成的过程中，宏观证据需要从微观角度进行科学解释，找到宏观证据和微观证据之间的因果关系，科学地归纳推理才能得到更合理的结论。在水的组成中可以从不同视角(实验观、微粒观、变化观、元素观)进行探究，运用分子模型进行解释宏观证据。让学生用橡皮泥模拟电解水的微观变化过程，并且让学生画出物质的微粒示意图和电解水的过程示意图，并用符号进行表征。

图4 物质的微粒示意图

图5 电解水的过程示意图

教师从学生的认知视角、思路、方式来重构知识体系指引下的教学，能促进学生认知发展，是核心素养下的教学新范式。在教学过程中，充分促进学生认知发展需要考虑“从哪儿想”“怎么想”“怎么做”这几个问题。从学生的认知起点出发，把握好知识的深度和广度，做到深入浅出、以点概面，不断从认知视角、认知思路、认知方式去帮助学生搭建学习支架，形成从“认知视角—认知思路—认知方式”这三个层次指导教学的教学方法，层层深入、螺旋上升，促进学生的认知发展。