從結(jié)構(gòu)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的概念

物質(zhì)是化學(xué)研究的對(duì)象，學(xué)會(huì)從結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)是學(xué)生學(xué)習(xí)中學(xué)化學(xué)的重要目標(biāo)之一。綜觀人教版中學(xué)化學(xué)教材，考慮到學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和學(xué)科知識(shí)邏輯順序，有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)被分散到了各個(gè)學(xué)習(xí)階段，即義務(wù)教育階段、高中必修階段和高中選修階段，有效地降低了學(xué)生的認(rèn)知難度。然而，由于這部分內(nèi)容比較抽象，不易理解，知識(shí)點(diǎn)分散不易整合，學(xué)生的理解還是存在一定的難度。

為了發(fā)展學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的深層次理解，教師可以提煉出從結(jié)構(gòu)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的概念。概念是對(duì)學(xué)科知識(shí)的概括性認(rèn)識(shí)，是處在具體事實(shí)之上的知識(shí)，能夠統(tǒng)攝相應(yīng)的學(xué)科事實(shí)。[1]教學(xué)中加強(qiáng)學(xué)生對(duì)概念的理解，可以幫助學(xué)生構(gòu)建合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)學(xué)科事實(shí)的再認(rèn)識(shí)。

一、從結(jié)構(gòu)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的四個(gè)主題

從結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)有四個(gè)基本的科學(xué)主題：[2]一是能量，在物質(zhì)的化學(xué)變化過(guò)程中往往會(huì)伴隨能量的變化，能量變化的大小與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，能量是認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要角度；二是尺度與結(jié)構(gòu)，化學(xué)領(lǐng)域?qū)ξ镔|(zhì)結(jié)構(gòu)的研究是基于不同的尺度的，比如原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)等，不同尺度上的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是不一樣的；三是系統(tǒng)與相互作用，要用系統(tǒng)的觀點(diǎn)看待物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如構(gòu)成要素（構(gòu)成粒子）、要素間的相互作用、要素間的組織秩序等都是認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)方面；四是穩(wěn)定性，從化學(xué)的角度來(lái)看其外在的表現(xiàn)就是物質(zhì)的性質(zhì)，結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)，因此，物質(zhì)的穩(wěn)定性也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要角度。這四個(gè)科學(xué)主題相互關(guān)聯(lián)、密不可分，教科書編寫者可以從這四個(gè)主題的角度選擇和組織有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)內(nèi)容，同時(shí)也為概念的提煉提供了基本依據(jù)。值得注意的是，考慮到學(xué)生的認(rèn)知能力，這四個(gè)科學(xué)主題在每個(gè)階段不一定同時(shí)出現(xiàn)。

二、從結(jié)構(gòu)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的四個(gè)概念

整個(gè)中學(xué)階段有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的概念大致分為四個(gè)方面：（1）物質(zhì)是由原子、分子和離子等基本粒子構(gòu)成的，涉及的科學(xué)主題為尺度與結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性；（2）構(gòu)成粒子的分散程度，涉及的科學(xué)主題為系統(tǒng)與相互作用、穩(wěn)定性和尺度與結(jié)構(gòu)；（3）構(gòu)成粒子的相互作用，涉及的科學(xué)主題為系統(tǒng)與相互作用、能量、尺度與結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性；（4）構(gòu)成粒子的空間秩序，涉及的科學(xué)主題為系統(tǒng)與相互作用、能量、尺度與結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性。這四個(gè)概念由易到難、層層遞進(jìn)，為學(xué)生提供一個(gè)認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體框架，有利于學(xué)生對(duì)學(xué)科事實(shí)的深層次理解。下面對(duì)這四個(gè)概念進(jìn)行詳細(xì)解析。

1.物質(zhì)是由原子、分子和離子等基本粒子構(gòu)成的

這個(gè)概念主要體現(xiàn)在初中化學(xué)的課程中，也是學(xué)生學(xué)習(xí)從結(jié)構(gòu)角度認(rèn)識(shí)物質(zhì)的第一個(gè)重要概念。這個(gè)階段有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容有：在尺度與結(jié)構(gòu)上要求學(xué)生了解原子結(jié)構(gòu)及其與原子種類的關(guān)系，了解分子的性質(zhì)和原子與分子的關(guān)系，知道原子、分子和離子都可以構(gòu)成物質(zhì)。這些突出強(qiáng)調(diào)的都是物質(zhì)構(gòu)成的粒子性，重點(diǎn)是讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物質(zhì)是由微觀粒子構(gòu)成的，能夠用微粒的觀點(diǎn)辨別和區(qū)分周圍的物質(zhì)，認(rèn)知物質(zhì)變化的本質(zhì)。學(xué)生對(duì)物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)也僅僅局限于“構(gòu)成粒子的影響”“粒子的種類不一樣物質(zhì)的性質(zhì)也就不一樣”。

在人教版初中化學(xué)教科書中，這部分內(nèi)容主要涉及“自然界的水”和“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”兩個(gè)單元的內(nèi)容，在其他單元中也有滲透。

2.構(gòu)成粒子的分散程度

這個(gè)概念主要是讓學(xué)生從微觀的角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)混合物的多樣性，構(gòu)成粒子的分散程度不一樣也會(huì)形成不同類型的混合物，這也可以看做是第一個(gè)階段性重要概念的延續(xù)。這個(gè)階段的內(nèi)容涉及溶液、膠體和乳（懸）濁液，主要集中在初中“溶液”單元和高中必修一“物質(zhì)的分類”等章節(jié)中。溶液是離子或分子尺度上的分散，膠體是納米顆粒（離子團(tuán)）尺度上的分散，乳（懸）濁液則是液滴（固體小顆粒）尺度上的分散，粒子的分散程度不同形成混合物的性質(zhì)也不一樣。

3.構(gòu)成粒子的相互作用

在了解了物質(zhì)是由原子、分子和離子等基本粒子構(gòu)成的之后，學(xué)生便進(jìn)入了下一個(gè)階段的學(xué)習(xí)，即這些構(gòu)成粒子是怎樣結(jié)合在一塊形成物質(zhì)的呢？這時(shí)學(xué)生開(kāi)始學(xué)習(xí)從系統(tǒng)與相互作用和能量的角度進(jìn)一步認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)。在學(xué)生眼里，物質(zhì)不再是“沙團(tuán)”而是有著一定功能的一個(gè)“系統(tǒng)”，物質(zhì)的性質(zhì)除了與構(gòu)成粒子有關(guān)，還與粒子間的相互作用密切相關(guān)。

這個(gè)概念主要涉及三個(gè)方面的內(nèi)容：（1）構(gòu)成粒子的排列秩序，在分子尺度上，多原子分子中每個(gè)原子之間并不是直接結(jié)合在一塊兒的，而是按照一定順序進(jìn)行排列，只有相鄰原子之間才會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，比如CO2分子中原子的結(jié)合方式是O=C=O；（2）構(gòu)成粒子間相互作用的形式，比如化學(xué)鍵（離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵）、氫鍵、分子間作用力等，系統(tǒng)的尺度不同粒子間相互作用的形式可能就會(huì)不一樣，比如在氧氣分子中氧原子之間的相互作用是非極性共價(jià)鍵，而在氧氣這種物質(zhì)中氧分子之間相互作用的形式是分子間作用力；（3）構(gòu)成粒子間相互作用的強(qiáng)度，即需要從能量的角度認(rèn)識(shí)粒子間的相互作用，這是學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的更高層次的認(rèn)識(shí)，比如氧分子和氫分子的成鍵類型都是非極性共價(jià)鍵，但是二者的鍵能不一樣，物質(zhì)的穩(wěn)定性也就不一樣。

學(xué)生在這個(gè)階段對(duì)化學(xué)變化的微觀認(rèn)識(shí)是“舊鍵的斷裂和新鍵的形成”“化學(xué)鍵的斷裂與形成是化學(xué)反應(yīng)中能量變化的主要原因”，因此，這個(gè)概念也進(jìn)一步拓展了學(xué)生對(duì)化學(xué)變化本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

這個(gè)概念主要集中在高中必修二“化學(xué)鍵”“化學(xué)能與熱能”以及高中選修三“共價(jià)鍵”的教學(xué)內(nèi)容中。

4.構(gòu)成粒子的空間秩序

物質(zhì)作為一個(gè)系統(tǒng)，不僅構(gòu)成粒子（要素）和構(gòu)成粒子間的相互作用影響物質(zhì)的穩(wěn)定性，粒子分布的空間秩序同樣也會(huì)影響物質(zhì)的穩(wěn)定性。

從尺度與結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，在原子尺度上，核外電子的空間分布與元素的性質(zhì)密切相關(guān)；在分子尺度上，多原子分子中原子之間是按照一定的空間位置進(jìn)行排列的，原子數(shù)目相同但空間位置不一定相同，比如BF3的構(gòu)型是平面三角形而NH3則是三角錐；在晶體尺度上，粒子之間也是按照一定的空間位置形成晶體結(jié)構(gòu)的，即使由同種粒子構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)也會(huì)不一樣，比如金剛石是立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而石墨卻是層狀結(jié)構(gòu)，這就造成金剛石和石墨的性質(zhì)具有很大的差異。構(gòu)成粒子的空間秩序在有機(jī)化合物中表現(xiàn)為同分異構(gòu)現(xiàn)象，同分異構(gòu)現(xiàn)象是造成有機(jī)化合物種類繁多的重要原因之一。

這個(gè)概念主要集中體現(xiàn)在高中選修三“分子的立體結(jié)構(gòu)”“分子晶體與原子晶體”“金屬晶體”“離子晶體”以及高中選修五“有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)”等內(nèi)容中。經(jīng)過(guò)本階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)將由平面結(jié)構(gòu)上升到立體結(jié)構(gòu)，基本具備了從能量、尺度與結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)與相互作用以及穩(wěn)定性等四個(gè)角度來(lái)認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的能力，這是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最高層次的認(rèn)識(shí)。

三、小結(jié)

通過(guò)上述分析，四個(gè)概念基本上統(tǒng)攝了中學(xué)階段有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識(shí)內(nèi)容，為學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了一個(gè)基本框架；同時(shí)也為教師的教學(xué)定位提供了參考方向。因此，化學(xué)教學(xué)要致力于通過(guò)概念建構(gòu)來(lái)發(fā)展學(xué)生的深層次理解，發(fā)展學(xué)生對(duì)化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的感悟。

參考文獻(xiàn)

[1]胡玉華.對(duì)生物學(xué)核心概念及其內(nèi)涵的研究[J].生物學(xué)通報(bào)，2011(10)：33-36.

[2]California State Board of Education.Science Framework for California Public Schools: Kindergarten Through Grade Twelve[M].Development and Supplemental Materials Commission， 1990: 40-45.

（作者單位：北京教育學(xué)院教師教育數(shù)理學(xué)院）

（責(zé)任編輯：林靜）