成素萍

摘要：分析有關(guān)發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的文獻(xiàn)特點，嘗試對比、分析三個版本教科書中“宏觀辨識與微觀探析”的發(fā)展層級、內(nèi)涵，基于“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，通過從微觀視角建構(gòu)認(rèn)識微粒的知識框架、建構(gòu)原子水平上的分子模型、分析質(zhì)量守恒定律的微觀實質(zhì)、構(gòu)建物質(zhì)溶解的微觀模型和反應(yīng)類型等實踐策略，使化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)具有可操作的實際意義。

關(guān)鍵詞：初中化學(xué);宏觀辨識與微觀探析;內(nèi)涵解析;實踐策略

文章編號：1008-0546（2021）07-0002-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.001

一、問題的提出

普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）指出：“化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及其應(yīng)用的一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，其特征是從微觀層面認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)[1]”。義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）中有關(guān)原子、分子的學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)，注重控制難度，除“認(rèn)識物質(zhì)的微粒性、初步認(rèn)識核外電子在化學(xué)反應(yīng)中的作用”外，認(rèn)知目標(biāo)水平的行為動詞都是“知道”，認(rèn)知性學(xué)習(xí)目標(biāo)的最低水平[2]。

梳理有關(guān)發(fā)展初中學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)的代表性文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，鮮有從初中化學(xué)的整體發(fā)展脈絡(luò)出發(fā)，深入研究如何分階段、有層次地促進(jìn)和發(fā)展初中生的“宏觀辨識與微觀探析”思維水平。有的從分子、原子視角[3-4]，有的以離子或復(fù)分解反應(yīng)條件教學(xué)的視角，通過實驗探究、模型運用、理論建立等教學(xué)策略，運用微粒觀建構(gòu)概念，理解化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，幫助學(xué)生構(gòu)建微粒觀[5-6]。雖有一定的效果，但在一定程度上割裂了“宏觀辨識與微觀探析”發(fā)展的層級，表現(xiàn)為碎片化、片面化，不利于發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

本文在對比、分析義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）指導(dǎo)下的3個版本教科書[7-9]中“宏觀辨識與微觀探析”知識內(nèi)容的選擇、編排體系和目標(biāo)取向的基礎(chǔ)上，梳理出適合發(fā)展初中學(xué)生微粒觀的層級。就初中化學(xué)教學(xué)中如何落實微粒觀作微觀思考，欲起拋磚引玉之作用。

二、三個版本教科書中.‘分子”知識框架分析

“模型”是人們對原型認(rèn)識程度的一種反映，是化學(xué)學(xué)科重要的思維方法。知識具有提供核心的認(rèn)識角度，形成重要的認(rèn)識思路和推理路徑的功能，所以才具有核心素養(yǎng)的發(fā)展價值，在教學(xué)中需要彰顯核心概念對核心素養(yǎng)的發(fā)展功能[10]。義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011版）強調(diào)通過“品紅擴散實驗”“壓縮空氣和水”“搭建水分子、氫分子模型”“分子運動探究實驗”等一系列探究活動，幫助學(xué)生初步認(rèn)識辯證唯物主義的一些觀點[11]。但這些探究活動，無法幫助學(xué)生依據(jù)這些現(xiàn)象判斷微粒是分子還是原子。三個版本教科書將“分子”作為學(xué)生從微觀角度認(rèn)識物質(zhì)性質(zhì)及其變化的開始，將構(gòu)成物質(zhì)微觀粒子的變化作為甄別物理變化和化學(xué)變化的切入點，讓學(xué)生認(rèn)識到不同的物質(zhì)有不同的微觀結(jié)構(gòu)，初步搭建起從微觀角度認(rèn)識物質(zhì)的知識框架（圖1）。

三、微粒觀層級構(gòu)建的策略

“水的組成”從一個側(cè)面反映了化學(xué)學(xué)習(xí)的過程，從宏觀視角認(rèn)識物質(zhì)及其變化規(guī)律，并從微觀層面解釋物質(zhì)及其變化本質(zhì)的過程。認(rèn)識分子、原子及其性質(zhì)，解釋日常生活中一些常見的現(xiàn)象，是從分子、原子的水平深入認(rèn)識“純凈物和混合物、物理變化和化學(xué)變化”等的人門階段;物質(zhì)的溶解，對學(xué)生認(rèn)識水溶液體系中的微粒行為，具有變革性意義，具有承上啟下的作用，是形成微粒觀看物質(zhì)的關(guān)鍵時期;“質(zhì)量守恒定律”“化學(xué)方程式”是學(xué)生形成以化學(xué)式、化學(xué)方程式及溶液組成等蘊含的量的關(guān)系為依據(jù)，分析構(gòu)成物質(zhì)的微觀粒子在化學(xué)變化中“質(zhì)”與“量”的關(guān)系的突破時期;金屬單質(zhì)與酸、可溶性鹽溶液發(fā)生的“置換反應(yīng)”、溶液中酸、堿、鹽發(fā)生的“復(fù)分解反應(yīng)”等微觀本質(zhì)，是學(xué)生形成微粒觀的深化時期（表1）。各層級之間相互依存、螺旋式滲透，最終形成“微粒的結(jié)構(gòu)影響著微粒之間相互轉(zhuǎn)化的過程和方式，物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化的過程實質(zhì)上就是微粒間相互作用、相互轉(zhuǎn)化的過程，微粒結(jié)構(gòu)不同，作用方式、轉(zhuǎn)化方式也就不同”的觀念。

四、微粒觀發(fā)展的實踐策略

三個版本教科書都沒有將“水的分解”等示意圖作為模型認(rèn)知層面加以利用。筆者認(rèn)為教師應(yīng)立足于水的微觀構(gòu)成，從微觀視角分析問題，并建立宏觀一微觀之間的聯(lián)系，充分體現(xiàn)了化學(xué)微粒觀，突出了化學(xué)學(xué)科的思維特征，并啟示學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)既要“見微知著”，也要“見著知微”。因此，嘗試?yán)貌煌闹R載體構(gòu)建模型，既關(guān)注學(xué)生對知識體系的構(gòu)建和高階思維能力的發(fā)展，又注重培育學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.從微觀視角建構(gòu)認(rèn)識微粒的知識框架

“原子結(jié)構(gòu)模型的演變”在培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等素養(yǎng)上，具有獨特的功能價值。呈現(xiàn)了一個不斷建立模型、運用模型和修正模型的歷史過程，使學(xué)生認(rèn)識到模型方法對理論建構(gòu)的作用、模型的發(fā)展性特征以及證據(jù)推理在其中的重要作用。因此，對于“原子的構(gòu)成”的教學(xué)，可由湯姆森提出“葡萄干布丁”模型的假設(shè)為起點，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣思考問題。

盧瑟福研究放射性，找到具有一定質(zhì)量的、帶正電荷的α粒子作為“炮彈”并不難。金具有很好的延展性、穩(wěn)定性且純度很高，是個很好的選擇。實驗中，金箔的厚度只有10-4cm（1μm）。

①絕大多數(shù)α粒子能穿透金箔，不改變原來的運動方向說明了什么？

②有一小部分α粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，甚至有極少數(shù)的。粒子被彈了回來，說明了什么？

③描述你心目中原子及其內(nèi)部是怎樣的？

實驗結(jié)果是盧瑟福得出原子核式模型的重要依據(jù)。這個有趣的核式模型，揭示了原子核與原子的質(zhì)量、體積關(guān)系。最后，只能從電荷角度解釋“偏轉(zhuǎn)”：如果原子核集中了原子中的正電荷，那么電子只能在核外。從而，順利地過渡到離子的形成和離子構(gòu)成物質(zhì)，使學(xué)生對構(gòu)成物質(zhì)的微粒有一個完整、系統(tǒng)的認(rèn)識。

2.以水為媒介，建構(gòu)原子水平上的分子模型

嘗試基于水的“宏一微一符”三重表征思維，立足于水的微觀構(gòu)成，從微觀視角分析問題，并建立宏觀一微觀之間的聯(lián)系，充分體現(xiàn)化學(xué)微粒觀，突出化學(xué)學(xué)科的思維特征，并啟示學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)既要“見微知著”，也要“見著知微”。通過觀察、畫模型等活動建構(gòu)原子水平上的分子“模型認(rèn)知”。從而，有梯度地幫助學(xué)生理解“物質(zhì)一元素一微粒一化學(xué)式”四者聯(lián)系的思維角度，以解構(gòu)混合物與純凈物、物質(zhì)與元素、物質(zhì)與分子、元素與原子、分子與原子、化學(xué)反應(yīng)與反應(yīng)物和生成物之間的定量關(guān)系，使之形成完善的認(rèn)知結(jié)構(gòu)[12]。

（1）通過“水的組成”模型，建立物質(zhì)的定量研究思想方法

純凈物有固定的組成，可用化學(xué)式表示，組成元素的質(zhì)量遵守定比定律。“水的組成與化學(xué)式、元素之間質(zhì)量關(guān)系”的“模型認(rèn)知”（圖2），揭示了物質(zhì)組成與化合價、化學(xué)式的關(guān)系;純凈物與元素、元素與元素間的定量關(guān)系，為學(xué)生建立定量研究思想方法奠定基礎(chǔ)。

（2）通過“水的分解”模型，建構(gòu)原子水平上的化學(xué)變化

從微觀的視角分析水的分解（圖3），發(fā)掘出分子、原子知識的生長點，強調(diào)“原子水平上的化學(xué)變化過程”。認(rèn)識分子和原子在化學(xué)變化中的行為：構(gòu)成物質(zhì)的分子改變，變成了其他的分子;原子是構(gòu)成一切物質(zhì)的基本成分，不隨物質(zhì)種類的變化而變化，形成化學(xué)變化是有條件且伴隨著能量變化的認(rèn)識，引領(lǐng)學(xué)生探究物質(zhì)的構(gòu)成、組成及變化之秘，初步形成從微粒的觀點看物質(zhì)和物質(zhì)變化的基本觀念[13]。

（3）通過“水的分解”模型，揭示質(zhì)量守恒定律的實質(zhì)

3個版本教科書都設(shè)計了2-3個具有代表性的研究對象、實驗體系驗證質(zhì)量守恒定律，最終再從微觀分析質(zhì)量守恒的原因。因此，以“水的分解”模型為例，從分子、原子水平設(shè)計驅(qū)動性問題：①參加反應(yīng)的H2O與生成的H2、O2的分子數(shù)目比為多少？②計算分析參加反應(yīng)的水和生成物的相對質(zhì)量的變化情況？③參加反應(yīng)的水和生成的氫氣、氧氣的質(zhì)量比是多少？④若要得到16g氧氣，需要電解多少水？⑤若要得到4kg氫氣，又需要電解多少水？同時得到多少氧氣？

使該實驗的教育功能得到進(jìn)一步的挖掘，既指向化學(xué)方程式的配平及原理，加深學(xué)生對化學(xué)反應(yīng)中的物質(zhì)、微粒變化、發(fā)生條件、微粒間定量反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識和理解，又突出學(xué)生對化學(xué)用語、化學(xué)計算的認(rèn)識和理解。培養(yǎng)學(xué)生從化學(xué)變化中元素守恒和質(zhì)量守恒的視角分析化學(xué)反應(yīng)和解決化學(xué)問題的能力。

3.構(gòu)建物質(zhì)溶解的微觀模型，發(fā)展微粒觀

氯化鈉在水分子的作用下，形成水合Na+和水合Cl-，并不斷移動。在一定條件下，形成飽和溶液后，溶解過程并未中止，單位時間內(nèi)擴散到溶劑中的溶質(zhì)微粒數(shù)等于回到溶質(zhì)表面的微粒數(shù)，即固體結(jié)晶與溶解之間存在動態(tài)平衡，雙方速率相等。因此，將形狀不規(guī)則的硫酸銅固體放入飽和的硫酸銅溶液中，溶液中的Cu2+、SO42-析出到晶體表面，晶體表面的硫酸銅又溶解到溶液中，溶解與結(jié)晶速率相等，形成動態(tài)平衡體系。因此，晶體和溶液質(zhì)量雖沒有改變，但晶體形狀由于動態(tài)平衡完全可能發(fā)生變化。

從而，引導(dǎo)學(xué)生理解物質(zhì)溶解的本質(zhì)，形成并發(fā)展學(xué)生的微粒觀、平衡觀和守恒觀。為進(jìn)一步研究溶液中的金屬與酸、某些鹽溶液的反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)問題打下認(rèn)識的基礎(chǔ)。

4.微觀分析“反應(yīng)類型”，深化微粒觀

鐵釘浸人硫酸銅溶液實驗，以其反應(yīng)體系有色，現(xiàn)象明顯等特點，被3個版本教科書作為學(xué)生理解常見金屬的活動性順序、置換反應(yīng)規(guī)律的重要資源。還被設(shè)計成質(zhì)量守恒定律的驗證實驗、曾青得鐵則化為銅、不能用鐵制容器來配制波爾多液等問題情境。

其微觀實質(zhì)：Fe+Cu2+=Cu+Fe2+，實現(xiàn)了原子與離子相互轉(zhuǎn)化（圖4）。鎂條與稀鹽酸反應(yīng)：Mg+2H+=Mg2++H2↑，實現(xiàn)了原子向離子、離子向原子、原子再結(jié)合成分子的轉(zhuǎn)化（圖5）。得出金屬與酸、某些鹽溶液發(fā)生置換反應(yīng)的規(guī)律：金屬原子失去電子給H+（位于其后的金屬陽離子）變成氫氣（金屬單質(zhì)）。

使用元素符號、化學(xué)式、化學(xué)方程式等表征復(fù)分解反應(yīng)的實質(zhì)，如HCl+NaOH=H2O+NaCl，說明鹽酸與氫氧化鈉的酸堿反應(yīng)，H++OH-=H2O說明溶液中H+與OH-以1：1的數(shù)量關(guān)系形成水分子（圖6）。硝酸銀與稀鹽酸反應(yīng)實質(zhì)：Ag++Cl-=AgCl↓，利用了稀鹽酸的Cl-（圖7）。宏觀上，這2個反應(yīng)都屬于酸與鹽的反應(yīng)，但微觀本質(zhì)卻大相徑庭，H+在前者中是“主角”，在后者中則是“配角”。

微粒觀指導(dǎo)下的“反應(yīng)類型”研究，加深了學(xué)生對分子、原子和離子間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的理解。讓學(xué)生通過微觀圖示、解釋宏觀現(xiàn)象等具體任務(wù)探查學(xué)生對水溶液體系認(rèn)識的障礙點，很好地解釋了物質(zhì)變化是微粒間相互作用的結(jié)果，進(jìn)一步循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出特征離子對思維導(dǎo)圖（圖8，若缺乏從熱力學(xué)層面的討論，是容易出現(xiàn)科學(xué)性錯誤的）。既可以突破學(xué)習(xí)“反應(yīng)類型”的難點，解釋“CO2+2NaOH=Na2COs+H2O”為什么不屬于復(fù)分解反應(yīng)，又可以發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識與微觀探析，，“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)系統(tǒng)思維能力。

五、結(jié)語

“宏一微一符”體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科最具特征的觀察視角和思維方式，最終目的是希望學(xué)生通過相關(guān)的化學(xué)學(xué)習(xí)活動，能自覺利用宏微觀聯(lián)系的視角研究物質(zhì)世界的變化，從而自覺形成的思維模型。這需要教師能關(guān)注知識間的聯(lián)系，精選真實的、有意義的、有探究價值的情境設(shè)計教學(xué)任務(wù)活動，幫助學(xué)生在了解物質(zhì)的多樣性的基礎(chǔ)上，從“類”的角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)。

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