初中化學微粒觀的層級、內涵與策略

成素萍

摘要：分析有關發展學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的文獻特點，嘗試對比、分析三個版本教科書中“宏觀辨識與微觀探析”的發展層級、內涵，基于“證據推理與模型認知”，通過從微觀視角建構認識微粒的知識框架、建構原子水平上的分子模型、分析質量守恒定律的微觀實質、構建物質溶解的微觀模型和反應類型等實踐策略，使化學核心素養的培養具有可操作的實際意義。

關鍵詞：初中化學;宏觀辨識與微觀探析;內涵解析;實踐策略

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

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.07.001

一、問題的提出

普通高中化學課程標準（2017版）指出：“化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎自然科學，其特征是從微觀層面認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質[1]”。義務教育化學課程標準（2011版）中有關原子、分子的學習標準，注重控制難度，除“認識物質的微粒性、初步認識核外電子在化學反應中的作用”外，認知目標水平的行為動詞都是“知道”，認知性學習目標的最低水平[2]。

梳理有關發展初中學生“宏觀辨識與微觀探析”素養的代表性文獻發現，鮮有從初中化學的整體發展脈絡出發，深入研究如何分階段、有層次地促進和發展初中生的“宏觀辨識與微觀探析”思維水平。有的從分子、原子視角[3-4]，有的以離子或復分解反應條件教學的視角，通過實驗探究、模型運用、理論建立等教學策略，運用微粒觀建構概念，理解化學反應的本質，幫助學生構建微粒觀[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”發展的層級，表現為碎片化、片面化，不利于發展學生的化學學科核心素養。

本文在對比、分析義務教育化學課程標準（2011版）指導下的3個版本教科書[7-9]中“宏觀辨識與微觀探析”知識內容的選擇、編排體系和目標取向的基礎上，梳理出適合發展初中學生微粒觀的層級。就初中化學教學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”是人們對原型認識程度的一種反映，是化學學科重要的思維方法。知識具有提供核心的認識角度，形成重要的認識思路和推理路徑的功能，所以才具有核心素養的發展價值，在教學中需要彰顯核心概念對核心素養的發展功能[10]。義務教育化學課程標準（2011版）強調通過“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，幫助學生初步認識辯證唯物主義的一些觀點[11]。但這些探究活動，無法幫助學生依據這些現象判斷微粒是分子還是原子。三個版本教科書將“分子”作為學生從微觀角度認識物質性質及其變化的開始，將構成物質微觀粒子的變化作為甄別物理變化和化學變化的切入點，讓學生認識到不同的物質有不同的微觀結構，初步搭建起從微觀角度認識物質的知識框架（圖1）。

三、微粒觀層級構建的策略

“水的組成”從一個側面反映了化學學習的過程，從宏觀視角認識物質及其變化規律，并從微觀層面解釋物質及其變化本質的過程。認識分子、原子及其性質，解釋日常生活中一些常見的現象，是從分子、原子的水平深入認識“純凈物和混合物、物理變化和化學變化”等的人門階段;物質的溶解，對學生認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的關鍵時期;“質量守恒定律”“化學方程式”是學生形成以化學式、化學方程式及溶液組成等蘊含的量的關系為依據，分析構成物質的微觀粒子在化學變化中“質”與“量”的關系的突破時期;金屬單質與酸、可溶性鹽溶液發生的“置換反應”、溶液中酸、堿、鹽發生的“復分解反應”等微觀本質，是學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“微粒的結構影響著微粒之間相互轉化的過程和方式，物質發生化學變化的過程實質上就是微粒間相互作用、相互轉化的過程，微粒結構不同，作用方式、轉化方式也就不同”的觀念。

四、微粒觀發展的實踐策略

三個版本教科書都沒有將“水的分解”等示意圖作為模型認知層面加以利用。筆者認為教師應立足于水的微觀構成，從微觀視角分析問題，并建立宏觀一微觀之間的聯系，充分體現了化學微粒觀，突出了化學學科的思維特征，并啟示學生學習化學既要“見微知著”，也要“見著知微”。因此，嘗試利用不同的知識載體構建模型，既關注學生對知識體系的構建和高階思維能力的發展，又注重培育學生化學學科核心素養。

1.從微觀視角建構認識微粒的知識框架

“原子結構模型的演變”在培養學生“證據推理與模型認知”等素養上，具有獨特的功能價值。呈現了一個不斷建立模型、運用模型和修正模型的歷史過程，使學生認識到模型方法對理論建構的作用、模型的發展性特征以及證據推理在其中的重要作用。因此，對于“原子的構成”的教學，可由湯姆森提出“葡萄干布丁”模型的假設為起點，引導學生像科學家那樣思考問題。

盧瑟福研究放射性，找到具有一定質量的、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粒子發生偏轉，甚至有極少數的。粒子被彈了回來，說明了什么？

③描述你心目中原子及其內部是怎樣的？

實驗結果是盧瑟福得出原子核式模型的重要依據。這個有趣的核式模型，揭示了原子核與原子的質量、體積關系。最后，只能從電荷角度解釋“偏轉”：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成物質，使學生對構成物質的微粒有一個完整、系統的認識。

2.以水為媒介，建構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，立足于水的微觀構成，從微觀視角分析問題，并建立宏觀一微觀之間的聯系，充分體現化學微粒觀，突出化學學科的思維特征，并啟示學生學習化學既要“見微知著”，也要“見著知微”。通過觀察、畫模型等活動建構原子水平上的分子“模型認知”。從而，有梯度地幫助學生理解“物質一元素一微粒一化學式”四者聯系的思維角度，以解構混合物與純凈物、物質與元素、物質與分子、元素與原子、分子與原子、化學反應與反應物和生成物之間的定量關系，使之形成完善的認知結構[12]。

（1）通過“水的組成”模型，建立物質的定量研究思想方法

純凈物有固定的組成，可用化學式表示，組成元素的質量遵守定比定律?！八慕M成與化學式、元素之間質量關系”的“模型認知”（圖2），揭示了物質組成與化合價、化學式的關系;純凈物與元素、元素與元素間的定量關系，為學生建立定量研究思想方法奠定基礎。

（2）通過“水的分解”模型，建構原子水平上的化學變化

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

（3）通過“水的分解”模型，揭示質量守恒定律的實質

3個版本教科書都設計了2-3個具有代表性的研究對象、實驗體系驗證質量守恒定律，最終再從微觀分析質量守恒的原因。因此，以“水的分解”模型為例，從分子、原子水平設計驅動性問題：①參加反應的H2O與生成的H2、O2的分子數目比為多少？②計算分析參加反應的水和生成物的相對質量的變化情況？③參加反應的水和生成的氫氣、氧氣的質量比是多少？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一步的挖掘，既指向化學方程式的配平及原理，加深學生對化學反應中的物質、微粒變化、發生條件、微粒間定量反應關系的認識和理解，又突出學生對化學用語、化學計算的認識和理解。培養學生從化學變化中元素守恒和質量守恒的視角分析化學反應和解決化學問題的能力。

3.構建物質溶解的微觀模型，發展微粒觀

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，單位時間內擴散到溶劑中的溶質微粒數等于回到溶質表面的微粒數，即固體結晶與溶解之間存在動態平衡，雙方速率相等。因此，將形狀不規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，溶解與結晶速率相等，形成動態平衡體系。因此，晶體和溶液質量雖沒有改變，但晶體形狀由于動態平衡完全可能發生變化。

從而，引導學生理解物質溶解的本質，形成并發展學生的微粒觀、平衡觀和守恒觀。為進一步研究溶液中的金屬與酸、某些鹽溶液的反應和復分解反應問題打下認識的基礎。

4.微觀分析“反應類型”，深化微粒觀

鐵釘浸人硫酸銅溶液實驗，以其反應體系有色，現象明顯等特點，被3個版本教科書作為學生理解常見金屬的活動性順序、置換反應規律的重要資源。還被設計成質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：Fe+Cu2+=Cu+Fe2+，實現了原子與離子相互轉化（圖4）。鎂條與稀鹽酸反應：Mg+2H+=Mg2++H2↑，實現了原子向離子、離子向原子、原子再結合成分子的轉化（圖5）。得出金屬與酸、某些鹽溶液發生置換反應的規律：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）。

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

微粒觀指導下的“反應類型”研究，加深了學生對分子、原子和離子間相互轉化關系的理解。讓學生通過微觀圖示、解釋宏觀現象等具體任務探查學生對水溶液體系認識的障礙點，很好地解釋了物質變化是微粒間相互作用的結果，進一步循序漸進地引導學生構建出特征離子對思維導圖（圖8，若缺乏從熱力學層面的討論，是容易出現科學性錯誤的）。既可以突破學習“反應類型”的難點，解釋“CO2+2NaOH=Na2COs+H2O”為什么不屬于復分解反應，又可以發展學生“宏觀辨識與微觀探析，，“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”等化學學科核心素養，培養系統思維能力。

五、結語

“宏一微一符”體現了化學學科最具特征的觀察視角和思維方式，最終目的是希望學生通過相關的化學學習活動，能自覺利用宏微觀聯系的視角研究物質世界的變化，從而自覺形成的思維模型。這需要教師能關注知識間的聯系，精選真實的、有意義的、有探究價值的情境設計教學任務活動，幫助學生在了解物質的多樣性的基礎上，從“類”的角度認識化學反應。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018

[2][11]中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范天學出版社，2012

[3]于昌鳳.初中化學“微粗觀”建構的教學實踐研究[J].化學教育，2014，35（9）：23-27

[4][13]胡巢生.教科書微粗觀建構方式的分析與啟示[J].化學教學，2013（8）：26-29

[5]程紹山.運用微粒觀開發復分解反應教學價值的實踐與研究[J].北學教育，2015，36（15）：29-34.

[6]錢海如，趙華.初中生化學微粒觀構建的實踐反思[J].化.學教學，2017（5）：35-40

[7]王晶，鄭長龍.全日制義務教育化學九年級（上、下）[M].北京：人民教育出版社，2012

[8]王祖浩，王磊.全日制義務教育化學九年級（上、下）[M].上海：上海教育出版社，2012

[9]畢華林，盧巍.全日制義務教育化學九年級（上、下）[M].濟南：山東教育出版社，2017

[10]王磊，于少華.對高中化學課程標準若干問題的理論闡釋及實踐解讀[J].中學化學教學參考，2018（7）：3-9

[12]羅月旺，李珍，楊梓生.促進初中學生定量觀建構的教學設計[J].化學教學，2017（5）：29-31