促進(jìn)空間能力進(jìn)階發(fā)展的物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型教學(xué)分析

鄒國(guó)華 童文昭 韓閩江

摘要： 物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊是從微觀層次逐步認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的聯(lián)系，學(xué)生要理解多種類型的微觀模型，需要具備一定的空間能力，而各類微觀模型是分段學(xué)習(xí)的。對(duì)各階段涉及的空間模型進(jìn)行學(xué)習(xí)進(jìn)階分析，并探索在此基礎(chǔ)上整體規(guī)劃教學(xué)： 以物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型為主題，以促進(jìn)學(xué)生空間能力發(fā)展為目標(biāo)，科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)單元。

關(guān)鍵詞： 物質(zhì)結(jié)構(gòu)； 空間能力； 學(xué)習(xí)進(jìn)階； 教學(xué)單元設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 10056629（2018）9005205 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

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)學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，也在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)[1]。高中物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊是帶領(lǐng)學(xué)生從原子、分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，以微粒之間的不同的作用力為線索，側(cè)重研究不同類型物質(zhì)的有關(guān)性質(zhì)，進(jìn)一步豐富學(xué)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力[2]。微粒結(jié)構(gòu)的模型要用特定的符號(hào)進(jìn)行呈現(xiàn)，學(xué)生要從微觀上認(rèn)識(shí)物質(zhì)，就必須理解微粒的結(jié)構(gòu)模型，并理解微粒結(jié)構(gòu)模型的符號(hào)表示。物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的模型相當(dāng)一部分是以三維的形式呈現(xiàn)的，從原子的結(jié)構(gòu)，到分子的空間構(gòu)型，再到分子晶體、離子晶體、金屬晶體和原子晶體的晶胞結(jié)構(gòu)等等，學(xué)生在解決這些涉及抽象的符號(hào)和微觀水平的三維空間問題時(shí)，出現(xiàn)了很大的困難[3]。物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊的學(xué)習(xí)需要較強(qiáng)的視覺空間能力，學(xué)生在該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程中，空間能力起重要作用。學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀模型的認(rèn)識(shí)需要由淺入深，循序漸進(jìn)，每個(gè)階段的教學(xué)需要教師先研究各種微觀模型的空間構(gòu)型，再引導(dǎo)學(xué)生從各個(gè)角度透徹理解有限的模型，形成模型認(rèn)知，從而才能推廣到對(duì)陌生微觀模型的認(rèn)識(shí)。

1 空間能力的意義與內(nèi)涵

空間能力研究在心理學(xué)和教育學(xué)領(lǐng)域由來已久，研究者因所持的觀點(diǎn)、分析角度或?qū)哟蔚牟煌瑢?duì)空間能力的解釋會(huì)有些差異，臺(tái)灣學(xué)者鄭海蓮[4]（2007）綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的觀點(diǎn)后認(rèn)為空間能力是指?jìng)€(gè)體能夠正確觀察、辨識(shí)物體，并根據(jù)視覺所吸收的圖像記憶于腦中，且進(jìn)一步透過思維想象方式，在2D平面與3D立體之間任意移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)，展現(xiàn)出再認(rèn)、保留與回憶圖像的思考能力。空間能力構(gòu)成要素有很多，Lohman[5]（1988）通過綜合文獻(xiàn)，歸納出十種不同空間能力構(gòu)成因素，其中主要構(gòu)成要素有： 空間視覺、空間定位和空間關(guān)系三個(gè)，三者的內(nèi)涵見圖1。

在物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)中引入空間能力概念，旨在運(yùn)用空間能力的研究成果，指引教師從空間視覺、空間定位、空間關(guān)系三個(gè)角度引導(dǎo)學(xué)生對(duì)微觀模型進(jìn)行觀察和分析，加深學(xué)生對(duì)微觀空間模型的認(rèn)識(shí)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)微觀空間模型，進(jìn)而促進(jìn)其空間能力的發(fā)展。

學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊需要學(xué)生具有較好的空間能力，但學(xué)生的空間能力不可能一蹴而就，所以教學(xué)中需要遵循學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。教師要清楚每個(gè)階段學(xué)生空間能力水平的起點(diǎn)和教學(xué)后需要達(dá)到的空間能力水平，合理安排教學(xué)計(jì)劃，逐步提高學(xué)生的空間能力。

2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型的學(xué)習(xí)進(jìn)階構(gòu)建

2.1 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的意義

科學(xué)知識(shí)和技能的學(xué)習(xí)是分階段有明確的路徑的，思維要遵循一條連貫的、由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的軌跡。人們?cè)谶^往已經(jīng)認(rèn)識(shí)到學(xué)科知識(shí)和技能的形成、建立和深化是一個(gè)螺旋式的學(xué)習(xí)過程[6]。學(xué)習(xí)進(jìn)階描述學(xué)生在一定時(shí)間跨度下對(duì)某一核心概念的理解以及對(duì)某種技能的掌握連貫且逐漸深入的典型發(fā)展路徑[7]。其研究?jī)r(jià)值有： 學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究成果具有對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)的功能，有利于解決課程設(shè)計(jì)的核心問題，即選擇合適的課程內(nèi)容并進(jìn)行學(xué)段組織的問題[8]；了解學(xué)生對(duì)學(xué)科中核心概念認(rèn)識(shí)的發(fā)展規(guī)律，作為制定學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)中科學(xué)概念進(jìn)階發(fā)展的依據(jù)，合理規(guī)劃學(xué)生在各個(gè)學(xué)習(xí)階段的概念理解水平[9]；能讓教師在教學(xué)前通過交流情況對(duì)學(xué)生既有水平做出準(zhǔn)確評(píng)估，也能在教學(xué)中依據(jù)相應(yīng)的進(jìn)階水平對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)作出評(píng)判并依此調(diào)整教學(xué)，還能在教學(xué)后有效合理地評(píng)價(jià)課堂學(xué)習(xí)效果[10]。

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論對(duì)跨時(shí)間段出現(xiàn)的同類型核心概念的教學(xué)有很重要的指導(dǎo)作用，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階描述的學(xué)生對(duì)核心概念的理解所經(jīng)歷的多個(gè)水平層次，教師可以設(shè)計(jì)適合學(xué)生發(fā)展的教學(xué)流程，逐步達(dá)到教學(xué)目標(biāo)，這有助于促進(jìn)學(xué)生更深層次地理解概念，從而促進(jìn)學(xué)生對(duì)具體知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)及關(guān)鍵性內(nèi)容的掌握。2017年版普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)引入學(xué)習(xí)進(jìn)階理論對(duì)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平進(jìn)行界定，對(duì)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)水平進(jìn)行劃分，將化學(xué)學(xué)業(yè)質(zhì)量水平和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分為4級(jí)。1級(jí)到4級(jí)能力水平逐漸遞增，每個(gè)學(xué)習(xí)階段的學(xué)生需要達(dá)到相對(duì)應(yīng)的學(xué)業(yè)質(zhì)量和學(xué)科核心素養(yǎng)水平。2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)引入學(xué)習(xí)進(jìn)階理論更好地界定了各階段學(xué)生的學(xué)業(yè)質(zhì)量和核心素養(yǎng)應(yīng)達(dá)到的水平等級(jí)，為各階段的教、學(xué)、評(píng)提供了參考。

2.2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型的學(xué)習(xí)進(jìn)階構(gòu)建

物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊從原子、分子水平上認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，并以微粒間不同作用力為線索，深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。學(xué)習(xí)中有很多微觀的空間模型需要學(xué)生掌握，如理解原子軌道空間結(jié)構(gòu)、共價(jià)鍵的空間模型、分子的空間構(gòu)型和各種晶體的空間構(gòu)型。這些微觀層面的模型，學(xué)生看不見、摸不著，內(nèi)化這些空間模型，學(xué)生需要具備一定的空間認(rèn)識(shí)能力。為更好地幫助學(xué)生理解這些模型特征，一方面，教學(xué)要有條不紊，層層遞進(jìn)，以分散難點(diǎn)，幫助學(xué)生克服恐懼心理；另一方面，在教學(xué)中又不能因?yàn)榭臻g模型抽象難懂而降低對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的要求，降低課標(biāo)規(guī)定的難度水平，降低評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。為遵循學(xué)生空間認(rèn)識(shí)規(guī)律和各階段課標(biāo)規(guī)定的能力水平，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，構(gòu)建物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型發(fā)展水平如表1，從1級(jí)到4級(jí)，能力逐漸增強(qiáng)。

學(xué)生需要理解的微觀模型越來越復(fù)雜，空間能力的要求也逐級(jí)增加，而這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)是隱含在整個(gè)模塊中的。微粒的空間構(gòu)型與物質(zhì)性質(zhì)有緊密的聯(lián)系，若要進(jìn)一步豐富學(xué)生的物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，提升學(xué)生對(duì)微觀模型的空間認(rèn)識(shí)能力是關(guān)鍵，而學(xué)生對(duì)空間模型的認(rèn)識(shí)不能僅僅停留在視覺感受上，應(yīng)該從空間視覺、空間定位、空間關(guān)系等角度去觀察、認(rèn)識(shí)微觀模型，這樣才能引導(dǎo)學(xué)生深度理解物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，深入認(rèn)識(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系。在各個(gè)階段的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)的起點(diǎn)和學(xué)習(xí)任務(wù)都不相同，表1對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊中涉及空間模型部分進(jìn)行進(jìn)階分析，旨在為教學(xué)和評(píng)價(jià)提供參考，促進(jìn)教師深度教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

此處選取水平4中金剛石的空間模型進(jìn)行分析（見表2），一則為進(jìn)一步闡釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)引入空間能力概念對(duì)教學(xué)的指引作用，二則為讀者提供示范，體會(huì)如何將表1中的分析運(yùn)用于實(shí)際教學(xué)，提升學(xué)生空間能力。

教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生從不同角度觀察、分析金剛石的空間立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和晶胞，總結(jié)晶胞中每個(gè)碳原子的位置特點(diǎn)，金剛石中每個(gè)碳原子與四個(gè)碳原子相連，形成正四面體結(jié)構(gòu)單元，六個(gè)碳相連形成椅式的六元環(huán)結(jié)構(gòu)；引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察、分析，總結(jié)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與晶胞間的空間關(guān)系，包括金剛石晶胞、晶體硅晶胞、二氧化硅晶胞、硫化鋅晶胞、氟化鈣晶胞的空間關(guān)系。

3 促進(jìn)空間能力進(jìn)階發(fā)展的物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型主題教學(xué)單元設(shè)計(jì)

物質(zhì)結(jié)構(gòu)所蘊(yùn)含和培育學(xué)生的空間能力分散并滲透在整個(gè)模塊的學(xué)習(xí)中，空間能力的培養(yǎng)和提高需要有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行，可根據(jù)不同的內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，參照表1的進(jìn)階分析實(shí)施教學(xué)。目前教學(xué)中，往往沒有系統(tǒng)地對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模塊中的空間模型進(jìn)行整體分析和研究，沒有理清各個(gè)知識(shí)點(diǎn)、各教學(xué)環(huán)節(jié)在空間能力發(fā)展層面的內(nèi)在聯(lián)系；沒有從物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間能力培養(yǎng)這個(gè)主題來分析把握各知識(shí)點(diǎn)、各環(huán)節(jié)的教學(xué)；沒有基于整個(gè)主題來剖析各環(huán)節(jié)、各部分內(nèi)容在整個(gè)空間能力培養(yǎng)中的地位和作用。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型的學(xué)習(xí)進(jìn)階構(gòu)建，為教學(xué)設(shè)計(jì)提供了可參考的教學(xué)起點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)。以物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間模型為主題，以促進(jìn)學(xué)生空間能力進(jìn)階發(fā)展為目標(biāo)，整體把握學(xué)生空間能力的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)教學(xué)單元如表3所示。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)微觀模型的教學(xué)分散在整個(gè)模塊中，是分階段、依次加深的，教師要有宏觀、整體的教學(xué)意識(shí)，每個(gè)階段的教學(xué)要運(yùn)用好實(shí)物模型和多媒體設(shè)備，化難為易、化抽象為具體。教學(xué)中使用的模型是有限的，教師需要引導(dǎo)學(xué)生從空間視覺、空間定位和空間關(guān)系上透徹理解有限的模型，形成模型認(rèn)知，進(jìn)而推廣到對(duì)其他微粒的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1][2]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1， 36.

[3]魏釗， 王后雄. 化學(xué)學(xué)習(xí)中的空間能力研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018，（3）： 12～17.

[4]鄭海蓮， 陳世玉. 標(biāo)準(zhǔn)化空間能力測(cè)驗(yàn)之建模與驗(yàn)證[J]. 教育研究與發(fā)展， 2007，（4）： 185～190.

[5]Lohman D.F. Spatial abilities as traits， processes and knowledge [M]. Advances in the psychology of human intelligence， Sternberg R. J， Eds， Hillsdale， N J， England： Lawrence Erlbaum Associates， Inc， 1988： 181～248.

[6]鄒國(guó)華. 學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下電化學(xué)核心概念的認(rèn)識(shí)功能分析[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017，（10）： 22～26.

[7]鄭曼瑤， 張軍朋. 學(xué)習(xí)進(jìn)階的研究及其在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 物理通報(bào)， 2014，（12）： 2～4.

[8]王磊， 黃鳴春. 科學(xué)教育的新興研究領(lǐng)域——學(xué)習(xí)進(jìn)階研究[J]. 課程·教材·教法， 2014， 34（1）： 114.

[9]郭玉英， 姚建欣， 張靜. 整合與發(fā)展——科學(xué)課程中概念體系的建構(gòu)及其學(xué)習(xí)進(jìn)階[J]. 課程·教材·教法， 2013， 33（2）： 48.

[10]童文昭， 王后雄. 學(xué)習(xí)進(jìn)階本土化研究的意義及面臨的問題[J]. 化學(xué)教育， 2016， 37（7）： 3.