基于实验及模型认知的微粒观建构教学研究

    琚凯

    

    

    

    [摘要]以“离子反应”内容为例，选取电离、离子反应等教学案例，在“宏微符”三重表征的教学策略基础上，在核心素养的引领下，添加了模型表征，提出了“宏微符模”四重表征，即指导学生绘制溶液微观模型，帮助学生从微粒角度认识化学变化，建立从微观角度思考化学问题的思维。

    [关键词]微粒观;模型认知;离子反应;宏微符模

    [中图分类号]

    G633.S

    [文献标识码] A

    [文章编号] 1674-6058（2020）17-0055-04

    化学课程标准中明确指出：化学是在原子、分子水平上研究物质组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层面认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质[1]。化学学科的特点是研究微观世界的变化，微粒观是一种重要的化学基本观念，是学生学习化学的一扇大门，也是化学学科核心素养之一，对于学生理解化学反应的宏观现象与其微观本质之间的关系有着重要的作用。

    综合国内学者对微粒观的概念界定，归纳微粒观内涵：物质由微粒构成;微粒体积极小，肉眼不可见;微粒在不停地运动;微粒间有一定的距离;微粒间存在相互作用[2]。化学微观认识属于科学理论知识，是对微观世界的建构性认识[3]。据调查统计，学生到了高三阶段，对微粒观的认识还是处于一个较低的水平，这是部分学生学习化学困难的原因[4]。因此促使学生从微观视角来看待化学变化，是教师在教学过程中的一项重要任务。

    一、问题的提出

    高三复习课堂上，提问某学生：向硝酸亚铁溶液中滴加硫酸，可以观察到什么现象？该生回答不了。再问：向硫酸亚铁溶液中加入硝酸，可以观察到什么现象？该生却可以答出来。在第二个问题中，学生知道硝酸具有氧化性，可以氧化亚铁离子;而在第一个问题中，学生将硝酸亚铁和硫酸分别看作一个整体，因此没有找到反应发生的条件，误以为不会发生反应。没有认识到题日中涉及的物质在溶液中都是以离子的形式存在的，这是导致学生回答错误的原因所在。究其根本，学生缺乏微粒观才是出现上述问题的本质原因。

    二、以《离子反应》一课为例浅议当前普遍采用的教学模式

    1.《离子反应》在教材中的地位

    学生的微粒观并非一两节课就可以形成。《离子反应》这节课是学生认识溶液中物质变化的重要基础，也是高中阶段培养学生微粒观非常重要的一节课。对于学生微粒观的培养，教师应该从整个高中阶段的知识结构上进行把握，在本节课的基础上慢慢完善，让学生学会从微观角度看待化学变化、分析问题这一基本方法[3]。

    本节课中，在知识内容上要求学生知道酸、碱、盐在溶液中能发生电离，了解电解质的定义，认识离子反应、发生离子反应的条件以及离子方程式的书写。学生在后面学习元素化合物时，教师可将离子反应作为工具，促使学生更好地理解元素化合物的反应本质;同时，本课题学习的内容，如电解质的定义、电离等，也是学习选修4第三章《水溶液中的离子平衡》的重要基础，有利于学生从微观角度理解平衡的建立和移动。

    2.常用教学方法

    关于離子反应的教学，笔者通过与其他教师交流以及查阅文献，得知“宏微符”三重表征法是日前最为主流的教学方法，以“氯化钠电离和硫酸钡沉淀生成”的教学为例[5]进行展示（如图1）。教师通过多个反应的“宏微符”三重表征，以及后面的慢慢渗透，帮助学生在大脑中建构微粒观，最终达到让学生一见到陌生的化学反应，大脑就能够浮现这个反应的“宏微符”三重表征的日的。

    3.“宏微符”三重袁征教学法的不足

    离子反应的“宏微符”三重表征的教学设计，是基于宏观现象推测微观原理，然后在微观原理基础上得出符号表征。这个教学路径最核心的一步是推测微观原理，这一步如果是学生自己完成，则学生可形成微粒观;如果这一步学生不能完成，教师只能通过一定数量的习题，从“宏微符”三个角度对反应进行表征，描述反应的微观变化，帮助学生理解，以期学生能在大脑中形成对微观变化真实状态的认知。而如此形成的微粒观是被动的、僵化的。

    “宏微符”三重表征教学策略的基础是要抓住反应的实验现象。但是遇到类似于过量的氢氧化钡与硫酸氢钠反应等问题，让学生书写该过程的离子方程式时，学生就会不知所措，因为氢氧化钡无论足量还是少量，其宏观现象是一样的。当学生赖以思考的实验现象不再发挥作用时，学生的思维便会陷入僵局，这说明学生还没有学会从微观角度思考问题。在平常的教学中，教师通过“设量少的物质系数为1”的方法，并结合离子方程式书写的一般步骤，固然可以解决这类问题，但是学生的这种学习成果，是反复练习加上书写技巧催生出来的，并非学生运用微粒观思考后形成的结果。这种教学方法严重背离了核心素养的培养要求。

    三、核心素养下的“宏微符模”教学策略的提出

    《普通高中化学课程标准》提出宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知、科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等五个维度的化学学科核心素养。其中，“证据推理与模型认知”是思维核心。

    微观世界对于高一学生而言如同大象对于盲人，任凭教师把“大象”描述得多形象，都不如给“盲人”一双眼看一下。微粒观形成的最佳途径是让学生观看微粒，哪怕只是模型也好。在常态教学中，教师可想方设法引导学生对微观世界进行建模，让微观“可视化”，使学生大脑中形成微观模型。在此基础上，教师再采取抽象推理的方法进行教学，学生就会容易接受得多。在离子反应教学中，教师应尽可能地将反应的真实情况展示给学生，引导学生去感受、收获、生成。可见，能否建立恰当的微观模型，关系着课堂教学效率的高低，而培养证据推理与模型认知的意识与思维习惯，也正是离子反应教学的核心。

    如何以恰当的教学方法和策略，克服化学知识的抽象性，突破学生的认知障碍，让微观变化可视化，是每一位化学教师经常思考的问题[6]。基于此，在离子反应的教学中，在原有的“宏微符”三重表征教学策略的基础上，加入模型表征，即根据实验的真实情况，绘制溶液微观模型，模拟微观变化。此时，模型表示的是微观世界，是学生完成符号表征的出发点，是学生从离子角度认识化学反应的基点，微观模型化过程可培养学生从微观认识化学反应的思维方式。此外，化学反应的微观模型表征，使得学生的抽象思维有了可想象的图像模型，学生理解起来更轻松。“宏微符模”四重表征教学框架如图2所示。

    四、基于“宏微符模”四重表征的教学设计

    1.借助实验，帮助学生建立溶液的微观模型，通过“宏微符模”四重表征演绎电离过程

    学生在初中就学过溶液导电是因为溶液中存在自由移动的离子。在教学时，教师可以基于学生这个基础认识，通过比较同浓度的不同溶液的导电能力来推理物质在水溶液中的状态，为此设计如表1所示的导电性实验。

    教学时，教师通过灯泡的亮或者不亮，引导学生建立物质的完全电离模型与不电离模型;通过灯泡的亮与暗，介绍盐酸、醋酸在溶液中的电离特点;结合醋酸电离度的相关数据，帮助学生建立醋酸的不完全电离模型;在学生有了丰富的感性认识和通过模型来认识电离的基础上，抓住同类物质的共性，结合电解质的定义，引导学生从物质分类的角度将化合物分为电解质与非电解质;抓住盐酸与醋酸导电性的差异进行探究，结合前面讲过的不完全电离模型，帮助学生建立强弱電解质的概念。

    在建立电离模型时，如何用模型恰当地表示可溶性强电解质、难溶性电解质以及弱电解质是模型建立过程的难点，因此需要教师示范指导。下面以醋酸、盐酸、氧化铁为例，绘制微观模型，帮助学生理解物质在水溶液中的真实状态（如图3）。

    从图3可以看出，醋酸在溶液中只有少部分电离，盐酸完全电离，氧化铁由于难溶未发生电离。

    从物质分类的角度出发，引导学生思考讨论：哪些物质在水中的电离方式和醋酸相同？哪些物质的电离方式与盐酸相同？哪些物质在水中的状态和氧化铁类似？最后在教师的引导下进行归纳总结。

    2.精心设计分组实验任务，激发学习兴趣，帮助学生建立复分解反应的微观模型

    学生对复分解反应是非常熟悉的，但是对反应的认知仍停留在化学式层面。以氯化钠与硝酸银的反应为例，学生对反应的理解是“NaCI+AgNO3”整体进行反应，停留在“交换组分”的层次上，他们虽然知道溶液中有离子的存在，但是没有形成微观意识。在离子反应教学中，教师要给学生提供从微观角度思考的土壤，要引导他们学会从微观角度认识复分解反应。

    有了电解质电离模型的基础，对于可溶性酸碱盐的复分解反应模型的建立，及离子方程式的书写，学生就比较容易掌握了。但是对于书写离子方程式时如何处理难溶电解质和弱电解质，教师要牢牢抓住“离子方程式是对化学变化的真实反映”这一原则，借助实验，紧扣电离模型，从分析这些电解质在水溶液中的存在形式人手。如氧化铁，在实验中的表现是难溶于水，在水中以固体的形式存在，而不是以铁离子与氧离子的形式存在，所以氧化铁不能拆成离子形式;醋酸，虽然易溶于水，但是在水溶液中只有少部分发生电离，大部分以分子的形式存在，因此醋酸在离子方程式中应该写成分子形式。最后，引导学生思考在书写离子方程式时什么物质在水溶液中主要以离子的形式存在，再由教师总结升华。

    实施教学时，精选典型的具代表性的实验内容，并将其进行分组（如表2）。

    实验一：向滴有酚酞的氢氧化钡溶液中加硫酸，观察实验现象。

    实验二：将镁条加入盐酸中，观察实验现象。

    实验三：向氧化铁中加入盐酸，观察实验现象。

    实验四：向碳酸钠溶液中加入醋酸，观察实验现象。

    为了增强课堂教学的趣味性，采取教师展示与学生演示相结合的方式。教师先展示实验三的反应模型（如图4），需要向学生说明的是溶液中的水未用模型表示。其他三组由学生在黑板上绘制反应前后溶液的微观模型。把模型建立设计成教学游戏，实施游戏化教学，让学生对模型进行相互评价，以此调动学生的学习积极性，锻炼学生的合作精神和沟通能力，培养学生的实践创新能力。

    3.再建微观模型，寻找破解离子方程式书写难点的新方法

    与量有关的离子方程式的书写，一直是离子反应模块教学的经典例题。例如下面四道例题，内容虽然陈旧，但是在核心素养理念的指引下，我们可以从中挖掘新的内涵，从而帮助学生建立微粒观。

    例题1：过量的氢氧化钡与硫酸氢钠反应。

    例题2：少量的氢氧化钡与硫酸氢钠反应。

    例题3：过量的氢氧化钡与碳酸氢钠反应。

    例题4：少量的氢氧化钡与碳酸氢钠反应。

    这类例题，在常态教学中，教师更注重方法的传授而忽略对过程的剖析，通过重复地练习、默写等手段强行让学生记忆，学生对这类知识点的掌握仅仅停留在正确书写离子方程式上。确实，通过设量少物质的系数为“1”，可以引导学生写出正确的方程式，但是学生并没有真正理解其本质，更是错过了一个帮助学生建立微粒观的机会。

    在运用微观模型解决上述问题前，还需要让学生理解过量与少量如何在方程式中体现。其实设“l”法不仅是一种方法，还是一种思维，教师要通过教学内容的巧妙设计，让学生自己生成这种思维。以例题1为例，我们设计以下三个反应情形（如表3）。

    让学生分析比较哪一种情形更加符合硫酸氢钠量少的情况，学生很容易得出情形3中的硫酸氢钠量少。在此基础上，让学生绘制溶液的微观模型（如图5），通过微观模型，研究反应过程中的微粒变化，并写出符合该变化过程的离子方程式，最后引导学生交流讨论，将解题思维提炼成设“1”法。以例题1为例在课堂上进行讲解，其余的例题可以让学生自己分组完成。

    五、教学反思

    模型方法作为思维方法和行为方式，蕴含着很高的认知价值，学生一旦将模型方法内化为自己的认知模式，就能获得认知水平的跃进[7]。可视化教学增加了课堂教学中的“视觉”比重，强调了对视觉的刺激，从学生单纯地“听”，变为听、看、动相结合，从教师单纯地“讲”，变为多种形式调动学生思维[8]。溶液微观模型，带来了微观可视，降低了学生第一次学习离子反应时抽象思维的成分，同时又为学生形成抽象思维及微粒观奠定了基础。

    [参考文献]

    [1]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[s].北京：人民教育出版社，2018.

    [2]梁永平.微粒作用观的科学学习价值及其科学建构[J].化学教育，2003（6）：6-10.

    [3]谢鸿雁.微粒作用观下的化学课堂教学[J].教育理论与实践.2008（2）：62-63.

    [4]崔吉生.高三学生微粒作用观现状及其影响因素的调查[D].长春：东北师范大学，2011.

    [5]樊煜曦.基于三重表征的化学教学设计与实践研究[D].桂林：广西师范大学，2019.

    [6]张天民.微观表征的可视化尝试与思考[J].中学化学教学参考，2018（10）：78.

    [7]吴克勇，蔡子华.模型认知释读[J].中学化学教学参考，2017（ 17）：11-14.

    [8]陈维，张红俊.高中化学可视化教学例谈[J].化学教与学，2017（9）：28-29.

    （责任编辑 罗艳）