基于學習進階的中學化學“能量觀”建構(gòu)策略

王禹超 王后雄

摘要：化學基本觀念的建構(gòu)是中學化學教學的高層次目標，有助于學生在化學學習中達到更高的認知水平，能為學生提供有效的化學學習認知角度。基于學習進階理論，對中學化學教學中“能量觀”的建構(gòu)方式和階段進行了研究，緊扣普通高中化學課程標準，從物質(zhì)的化學反應、微粒的相互作用、微粒的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和情感態(tài)度價值觀四個角度分析了中學化學“能量觀”的內(nèi)涵要素，確定了不同學習階段的學生在建構(gòu)上要達到的進階水平，提出了中學化學“能量觀”建構(gòu)的教學策略。

關(guān)鍵詞：中學化學;學習進階;能量觀;建構(gòu)策略

文章編號：1008-0546（2019）03-0016-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.03.004

中學生的化學學習不但要獲得學科內(nèi)的知識與能力，還要掌握認識化學和用化學認識世界的方法，因此教師必須要引導學生建立起化學基本觀念，而“能量觀”正是其中的重要部分。開展基于學習進階的“能量觀”建構(gòu)研究，對于提高化學學科理解能力，挖掘化學學科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵具有獨特價值。

一、學習進階的理論概述

學習進階刻畫了學生在不同時期學習同一科學領(lǐng)域核心概念時的認知發(fā)展路徑，能夠表征同一概念在不同認知層面學生具有的表現(xiàn)，與化學基本觀念的建構(gòu)過程完美契合。2012年美國正式發(fā)布的《K-12科學教育框架：實踐、通用概念及核心概念》應用學習進階的方式對學生在不同學段應當達到的目標進行表征，其目的在于解決科學教育中“廣而不深”的問題，深化對核心概念的學習。

我國的科學教育也存在類似的“廣而不深”的問題。在化學當中體現(xiàn)最明顯的是初高中和高中與大學化學學習的銜接問題，而銜接的問題，實際上是前階段學習程度不足的體現(xiàn)，更是化學基本觀念沒有建立的后果。學習進階的方式能很好地刻畫出中學生化學基本觀念建構(gòu)的路徑，契合化學基本觀念建構(gòu)的要求。

學習進階的本土化研究對我國的科學教育意義深刻，尤其是有助于新課程的實施和評價…。從學生角度來講，學習進階的方式能夠促進學生的學習和認識發(fā)展，促進化學基本觀念的形成;從教師角度來講，能夠為教師的教學和評價提供依據(jù);從課標和教科書角度來講，有助于其修訂和完善;從科學素養(yǎng)的角度來講，學習進階為培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)提供了新視角、新思路和新方法。學習進階理論可以引導我們將研究和實踐的重心從關(guān)注單課時教學到關(guān)注單元整體教學、基于模塊整體的教學、跨必修和選修、跨年級以及跨學段的層級發(fā)展，而這對于化學基本觀念的建構(gòu)非常有利。

二、基于學習進階的中學化學“能量觀”的學習進階研究

1.“能量觀”的內(nèi)涵要素

化學基本觀念是化學科學的基本認識角度和方法，它不是具體的化學事實、概念或理論，而是以此為基礎(chǔ)抽象概括得到的總觀性認識。它的確定要有一定的基本視角，要能夠彰顯化學學科的基本特征，內(nèi)在地符合辯證唯物主義和科學哲學思想，體現(xiàn)化學與其他學科的相關(guān)性，并且適應世界科學教育的發(fā)展趨勢、我國中學化學教育的理論和實踐。學生學習化學，如果能夠建立起化學基本觀念，就可以事半功倍，尤其可以避免因不理解諸多化學知識的相互聯(lián)系而陷入把化學當成“文科”的誤區(qū)。

“能量觀”是國內(nèi)學者達成一致的對化學基本觀念界定的重要內(nèi)容之一。梁永平教授將中學化學“能量觀”凝練成7點要素。徐敏認為“能量觀”由“認識對象”“認識角度”“觀念性認識”及“能力表現(xiàn)”四個要素構(gòu)成，且存在一定的結(jié)構(gòu)關(guān)系。簡單地說，“能量觀”就是從能量的視角認識化學。能量滲透在化學科學的方方面面，從宏觀到微觀、從物質(zhì)到微粒、從變化到平衡。結(jié)合中學化學課程標準的要求，認為“能量觀”可以從四個方面認識和概括：物質(zhì)的化學變化、微粒的相互作用、微粒的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和情感態(tài)度價值觀。

（1）物質(zhì)化學反應的能量觀

“物質(zhì)化學反應的能量觀”指物質(zhì)的化學變化與能量變化的相互關(guān)系。從能量的增減角度看，化學反應分為放熱反應和吸熱反應;從能量轉(zhuǎn)化的方式看，除了化學能與熱能的相互轉(zhuǎn)化，還有化學能與電能的相互轉(zhuǎn)化、化學能與光能的相互轉(zhuǎn)化等。化學反應的發(fā)生受著兩方面的影響，一個是熱力學因素，一個是動力學因素：前者決定了反應是否能夠發(fā)生、發(fā)生的方向和程度如何，后者決定了反應進行的快慢。在熱力學上，中學生要有總觀性的認識，理解熱力學因素決定了化學反應發(fā)生的方向和限度：化學反應總是自發(fā)地向著能夠使自身能量更低（即“更穩(wěn)定”）的方向進行（包括“焓判據(jù)”和“熵判據(jù)”），熱化學方程式能夠?qū)瘜W反應的能量變化給予準確表征;“所有化學反應都是可逆的”，學生要理解化學反應限度如何受到各因素的影響，建立平衡的思想去認識和表征可逆反應，明確平衡的建立過程，知道如何打破平衡并預測平衡被打破后的移動方向。在動力學上，中學生要能從數(shù)學建模的角度認識化學反應速率的定義，學會用反應中的不同反應物和生成物表示同一化學反應的快慢，能用“碰撞理論”解釋化學反應速率的影響因素。

（2）微粒相互作用的能量觀

“微粒相互作用的能量觀”指對化學鍵和分子間作用力的認識。以H20（由兩個或兩個以上的原子形成的小分子物質(zhì)）為例，H20分子內(nèi)部氧原子和氫原子之間的相互作用是化學鍵，它們之所以能夠結(jié)合成分子是由于化學鍵的作用，化學鍵決定水的化學性質(zhì);化學鍵根據(jù)形成過程和構(gòu)成要素的不同，分為離子鍵和共價鍵;共價鍵根據(jù)成鍵方式的不同分為σ鍵和π鍵等、根據(jù)成鍵過程的不同分為一般共價鍵和配位共價鍵等、根據(jù)成鍵電子的偏向分為極性和非極性共價鍵;共價鍵有飽和性和方向性，其基本參數(shù)“鍵長”、“鍵能”、“鍵角”等影響著分子性質(zhì);根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學鍵的不同，晶體有著不同的分類，晶胞是研究晶體的經(jīng)典模型。獨立H2O分子之間的相互作用為分子間作用力，主要指范德華力和氫鍵（這里把“范德華力”和“氫鍵”作為分子間作用力的兩種主要類型），它影響著物質(zhì)的物理性質(zhì)如熔、沸點和溶解性等。

（3）微粒內(nèi)在結(jié)構(gòu)的能量觀

這里的微粒主要指原子。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的，兩者電性相反，相互吸引;核外電子的排布是有規(guī)律的，受能量最低原理的影響，按照能級分布排列，電子的失去是從能量最高的電子開始的，核外電子的躍遷會吸收或放出光子。電子云模型是認識核外電子的運動狀態(tài)的理想模型。原子軌道雜化理論和價鍵理論能夠共同解釋原子在形成多原子分子過程中電子排布的變化。

（4）情感態(tài)度價值觀的能量觀

這里主要結(jié)合課程標準中“情感態(tài)度與價值觀”的目標進行探討。中學生要認識到能量的利用對于人類的重要性、化學在能量利用上的重要性：化學可以簡化能量利用的方式，提高能量利用效率，如將傳統(tǒng)的化學能一熱能一機械能一電能路徑轉(zhuǎn)變?yōu)槔迷姵匮b置實現(xiàn)化學能一電能的一步轉(zhuǎn)化路徑;能量的錯誤利用會對自然環(huán)境和人類生活帶來負面影響，化學在解決環(huán)境問題上起著關(guān)鍵作用;控制化學反應速率和平衡對于工業(yè)生產(chǎn)和人類生活有重大意義。

2.“能量觀”的學習進階

圍繞上述對“能量觀”的分析，基于學習進階理論從物質(zhì)的化學變化、微粒的相互作用、微粒的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和情感態(tài)度價值觀四個角度進行了“能量觀”建構(gòu)的研究。學生在“能量觀”的認知層面發(fā)展上主要是從“知道”和“了解”某概念、理論，到“理解”相應原理，再到“運用”該理論進行“解釋”和“預測”，思維層級逐漸上升，為后續(xù)更深層次或更高概括性理論和模型的學習奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)人教版教材的安排順序，結(jié)合中學化學課標的要求劃定了不同學習階段中學生應學習的核心知識，及在該階段應達到的建構(gòu)水平，如表1、表2、表3、表4。

三、基于學習進階的中學化學“能量觀”教學策略

1.縱觀全局，跨越學段設(shè)計教學

想要在教學中幫助學生建立起“能量觀”，首先需要教師自身對化學基本觀念、對“能量觀”有深刻的認識，深入理解其內(nèi)涵及與其相關(guān)的中學化學教學內(nèi)容;其次要有幫助學生建構(gòu)的自發(fā)意識，將觀念建構(gòu)融入教學目標，將“能量觀”融入教學內(nèi)容，對學生進行引導;再次要站在宏觀教學角度關(guān)注“能量觀”，教學設(shè)計不要只針對某一課時、某一單元，而要針對整個高中階段進行2-3年的整體教學設(shè)計和規(guī)劃，再細化到具體學年、學期、單元和課時;最后要將工作落在實處，不能只呈現(xiàn)在教師的教學思想中，而要在教學設(shè)計和實際教學工作中貫徹執(zhí)行。

如引導學生“從能量觀認識微粒的相互作用”時，教師設(shè)計教學要充分考慮到學生對化學鍵學習的逐級進階，注意不同層次之間的銜接完整。第一階段“初識”，學生通過感知和解釋化學反應帶來的能量變化，認識到化學鍵的存在、不同的原子可能形成不同的化學鍵，它們對化學反應產(chǎn)生著重要影響;第二階段“理解”，通過學習電子云模型，形成對共價鍵本質(zhì)的認識，理解共價鍵其實是原子之間的共用電子對，且不同的原子軌道會形成形狀不同的共價鍵--盯鍵和π鍵;第三階段“深化”，將化學鍵與晶體的模型認知結(jié)合，理解不同原子之間化學鍵的多樣性，多樣的化學鍵形成多樣晶體結(jié)構(gòu)和類型，不同類型晶體的性質(zhì)受共價鍵、晶格能、金屬鍵等因素的影響。

2.逐層遞進，明晰位置厘清目標

在實際教學中，教師經(jīng)常會為了趕年級的整體教學進度而省略某些教學過程，但觀念建構(gòu)的教學在過程上是不能省略的。“能量觀”的建構(gòu)并非一朝一夕之事，必須循序漸進、逐層進階。因此，在整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，要時刻明確目前所處階段在總體規(guī)劃中的位置，明確學生的認知層次和認知發(fā)展規(guī)律，不能盲目拔高也不能停滯不前。這也是學習進階意義所在，能夠作為進度的參考依據(jù)，讓教師明確自己的教學、學生已有的“能量觀”在整體中所處的位置，以便教師厘清本階段教學的目標，避免發(fā)生產(chǎn)生“斷層”或“跳級”現(xiàn)象。

3.緊扣本質(zhì)，利用沖突引導進階

教師要增進化學學科理解，緊緊抓住“能量觀”的本質(zhì)，洞悉“能量觀”上升的階梯，選擇合適的上升方法。對于同一概念進行進階的學習時，要讓學生產(chǎn)生認知上的沖突。一方面，學生產(chǎn)生認知沖動，能夠內(nèi)在地意識到自己的概念理解需要升級，增進學習動力;另一方面，在進行升級學習時，沖突能夠幫助學生充分認識低層次與高層次的差距所在，自發(fā)地找到并“登上臺階”。

如在難溶電解質(zhì)溶解平衡的教學中，要引導學生將沉淀溶解過程用化學平衡的思想進行模型建構(gòu)。教師進行演示實驗，對比含硫酸鋇沉淀的濁液與純水的導電性，學生預測現(xiàn)象時認為所謂的“沉淀”就是完全不溶于水的，兩者導電性應該相同，但實驗后發(fā)現(xiàn)前者導電性更佳，沖突產(chǎn)生;之后逐步引導學生從平衡移動的角度理解沉淀的溶解、生成和轉(zhuǎn)化。這樣一來，學生加深了對平衡和化學反應本質(zhì)的理解，在“能量觀”上更進一步。

4.思維外顯，超越具體概念認知

學生具有怎樣的表現(xiàn)才是達到了“能量觀”建構(gòu)的相應進階目標，怎樣進行教學才能幫助學生更好地建構(gòu)和進階，這些問題需要有科學的評價體系提供參考依據(jù)、需要能夠清楚地認識到學生已達到的進階水平。因此，在教學中必須讓學生的思維外顯，不能只看到學生“學會了”哪些具體概念，而是要通過問答，讓學生顯露出自己的思維過程，方便教師進行診斷性教學。

如面對問題“CO2、NaCl、SiO2的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)分別由什么決定？”，教師要讓學生給出答案，并“說出”得到相應答案的原因。學生很容易便能夠正確判斷出三者的化學性質(zhì)依次取決于共價鍵、離子鍵和共價鍵，原因是三者內(nèi)在的微粒構(gòu)成分別為原子、離子和原子，對應的相互作用分別為共價鍵、離子鍵和共價鍵;而物理性質(zhì)上，學生可能會給出錯誤答案“三者物理性質(zhì)均取決于分子間作用力”，解釋是“分子間作用力決定物理性質(zhì)”。經(jīng)過這樣的思維過程外顯，教師發(fā)現(xiàn)學生認知上的偏差主要在于沒有理解微粒相互作用在化學性質(zhì)和物理性質(zhì)上產(chǎn)生影響的方式。學生關(guān)于二氧化碳的判斷和解釋沒有問題，而氯化鈉物理性質(zhì)的決定因素和化學性質(zhì)一樣也是離子鍵，錯誤原因在于沒有“看到”氯化鈉宏觀物理變化下的微觀變化，氯化鈉融化時，在微粒層面上的變化也是離子之間的相互作用，并沒有分子的存在，決定因素依然是離子鍵;二氧化硅雖然和二氧化碳一樣是酸性氧化物，但卻沒有和二氧化碳類似的“小分子”，而是所有原子都通過共價鍵相連接，物理變化的過程中破壞或生成的是共價鍵，因此其物理性質(zhì)也取決于共價鍵。這樣的“言語報告法”能讓教師準確抓住學生的思維漏洞，找到錯誤根源，針對性地進行教學，讓學生獲得超越具體概念認知的思維提升。

5.注重評價，促進教、學、評一體化

化學學習評價的根本目的是促進學生科學素養(yǎng)的主動、全面發(fā)展，在“能量觀”的建構(gòu)上，適當?shù)慕虒W評價顯得彌足珍貴。教師要把教、學、評相結(jié)合，以教促學、以學定評、以評改教。教學要從知識解析為本轉(zhuǎn)向促進學生認識發(fā)展為本，在促進學生發(fā)展的過程中不斷地進行評價;創(chuàng)設(shè)真實問題情境，運用多樣化的評價方式，在情景中進行教學評價;積極探索和實踐“教、學、評”一體化，將評價常規(guī)化、滲透化，任何一個教學單元無論是學期、單元還是課時乃至知識點，都要伴隨著對應的教學評價，任何一個教學過程不論形式和規(guī)模都要滲透著教學評價。

四、結(jié)語

中學化學教學中滲透化學基本觀念的建構(gòu)勢在必行，從學習進階的角度進行探討、研究和教學是一個相對有效的思路，但體系上還不夠成熟。基于學習進階進行“能量觀”的建構(gòu)不但需要理論上的研究和探討，還需要教師努力將其落實到教學實踐，真正讓學生受益。