利用多視角進(jìn)行物質(zhì)的組成教學(xué)
——以“水的組成”教學(xué)為例

文∣邱惠芬

化學(xué)學(xué)科研究視角之一是從物質(zhì)組成來(lái)認(rèn)識(shí)物質(zhì)。“研究物質(zhì)的組成”是初中化學(xué)教學(xué)的重要組成部分，既有“混合物中某成分或含量的測(cè)定”，也有“純凈物元素組成的研究”。初中教材把物質(zhì)的組成的內(nèi)容編排在不同章節(jié)中，是根據(jù)化學(xué)學(xué)科知識(shí)進(jìn)階和學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律來(lái)安排的，有利于從學(xué)科理解的角度不斷深化知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)識(shí)發(fā)展。初中化學(xué)核心知識(shí)是以各種元素為代表的單質(zhì)、化合物的組成及其變化，教師首先需要幫助學(xué)生建構(gòu)證明化合物組成的基本思路方法。本文以九年級(jí)人教版《化學(xué)》第四單元課題3“水的組成”教學(xué)為例，談?wù)勗谘芯课镔|(zhì)的組成過(guò)程中如何促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展。

一、以證據(jù)推理鏈串聯(lián)學(xué)生認(rèn)知視角

化學(xué)認(rèn)知視角是指對(duì)物質(zhì)及其變化的特征及規(guī)律進(jìn)行認(rèn)識(shí)的側(cè)面、角度或切入點(diǎn)，是解決“從哪兒想”這一問(wèn)題的，旨在啟發(fā)和指導(dǎo)學(xué)生化學(xué)思維的方向或突破口。而學(xué)習(xí)是指由經(jīng)驗(yàn)引起的行為、能力和心理傾向持久性的變化[1]，學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗(yàn)將是學(xué)生學(xué)習(xí)的證據(jù)，基于證據(jù)進(jìn)而推理出合理性的結(jié)論。以證據(jù)推理鏈串聯(lián)化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程，能不斷將學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)有效串聯(lián)起來(lái)，形成系統(tǒng)的證據(jù)推理過(guò)程，進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知視角。

在證明化合物組成的學(xué)習(xí)過(guò)程中，讓學(xué)生學(xué)會(huì)如何辨別、理解和處理眾多與化合物組成的有關(guān)證據(jù)，基于多維度的證據(jù)進(jìn)行推理化合物的組成，讓學(xué)生尋找“研究物質(zhì)的組成”認(rèn)知視角。 在“水的組成”教學(xué)中證據(jù)鏈?zhǔn)牵汗湃恕把邸敝械乃茖W(xué)家“眼”中的水→我們“眼”中的水。教師引導(dǎo)學(xué)生不斷從古語(yǔ)、史料、實(shí)驗(yàn)、模型中尋找多重證據(jù)形成證據(jù)鏈進(jìn)行推理。從古語(yǔ)的經(jīng)驗(yàn)證據(jù)、史料的宏觀證據(jù)、實(shí)驗(yàn)定性定量證據(jù)、模型的微觀證據(jù)等來(lái)提高學(xué)生收集證據(jù)的廣度和深度，進(jìn)而提煉物質(zhì)認(rèn)知視角：從宏觀元素組成來(lái)認(rèn)知物質(zhì)的組成，從微觀粒子構(gòu)成來(lái)認(rèn)知物質(zhì)的組成，從定性實(shí)驗(yàn)來(lái)體會(huì)物質(zhì)的組成，從定量實(shí)驗(yàn)來(lái)計(jì)算物質(zhì)的組成。教師設(shè)計(jì)的具體證據(jù)鏈如圖1。

圖1 化合物組成學(xué)習(xí)證據(jù)鏈

二、以案例和引導(dǎo)發(fā)展學(xué)生認(rèn)知思路

化學(xué)認(rèn)知思路是指對(duì)物質(zhì)及其變化的特征及規(guī)律進(jìn)行認(rèn)知的程序，是解決“怎么想”這一問(wèn)題的，旨在啟發(fā)和指導(dǎo)學(xué)生化學(xué)思維的路徑和分析框架。在教學(xué)過(guò)程中以案例和引導(dǎo)發(fā)展學(xué)生認(rèn)知思路也是一種嘗試。教學(xué)一定需要案例和引導(dǎo)。從原始的“口耳相傳”教學(xué)，到“視聽(tīng)結(jié)合”的現(xiàn)代教學(xué)，甚至是以“學(xué)習(xí)中心”為主的未來(lái)教學(xué)，都離不開(kāi)案例和引導(dǎo)。高質(zhì)量的案例和引導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生集中注意力、激發(fā)興趣、分析辨別、歸納推理、進(jìn)行反思、生成意義、建構(gòu)新知等， 這就構(gòu)成了案例和引導(dǎo)的完整過(guò)程和連續(xù)環(huán)節(jié)。

在促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展教學(xué)過(guò)程中，需要高質(zhì)量的案例和引導(dǎo)來(lái)促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。在“水的組成”教學(xué)案例中，讓學(xué)生接觸大量科學(xué)家的研究史實(shí)，了解科學(xué)家研究物種組成的發(fā)展史，不斷激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，遵循化學(xué)的“原生態(tài)”發(fā)展軌跡，遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，逐步引導(dǎo)學(xué)生從多角度進(jìn)行學(xué)習(xí)的科學(xué)方法。從而掌握研究“物質(zhì)組成”認(rèn)知思路。

【案例1】屏幕播放模擬的普利斯特里“可燃空氣”魔術(shù)，“可燃空氣”由“可燃?xì)狻迸c空氣混合組成；然后瓶子里還有一位神秘“客人”。“可燃空氣”是什么？神秘的“客人”是誰(shuí)？

引導(dǎo)：最初普利斯特里在變魔術(shù)中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃“可燃空氣”，生成了一種液體物質(zhì)，分析史料，尋找證明“可燃空氣”的證據(jù)；基于證據(jù)推出什么結(jié)論？

指出證據(jù)：“可燃空氣”燃燒，瓶壁上有不少液態(tài)物質(zhì)。

推理：從宏觀實(shí)驗(yàn)證據(jù)猜想，“可燃空氣”可能是氫氣和空氣混合，在點(diǎn)燃條件下生成水。

【案例2】隨著氧元素得到確認(rèn)，卡文迪許接著嘗試用純氧代替空氣，進(jìn)一步確認(rèn)1單位體積的氧與2單位體積的“可燃?xì)狻鼻『每梢酝耆磻?yīng)，生成水。但是受當(dāng)時(shí)“燃素學(xué)說(shuō)”的影響，卡文迪許并沒(méi)有根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)證據(jù)做出正確合理的推理。

引導(dǎo)：以上是卡文迪許做的實(shí)驗(yàn)，他的證據(jù)是什么？結(jié)論是什么？卡文迪許收集了這么多證據(jù)，有沒(méi)有推理出水的組成呢？

指出證據(jù)：實(shí)驗(yàn)和定量證據(jù)是1單位體積的氧與2單位體積的“可燃?xì)狻比紵梢后w水。

推理：1單位體積的氧與2單位體積的“可燃?xì)狻鼻『猛耆磻?yīng)生成水，但受“燃素學(xué)說(shuō)”的影響，這一實(shí)驗(yàn)證據(jù)并沒(méi)有得到正確的推理。

【案例3】拉瓦錫繼續(xù)從元素守恒的角度，從化合物的化合和分解角度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。他將15格令(1格令為65毫克)的易燃空氣(H2)和120格令的生命空氣(O2)放在一起燃燒，燃燒產(chǎn)物精確為135格令的純凈物(H2O)；再將135格令的純凈物(H2O)通過(guò)一根燒紅的槍管，又得到原質(zhì)量的H2和O2。

引導(dǎo)：以上是拉瓦錫所做的實(shí)驗(yàn)，他的證據(jù)是什么？結(jié)論是什么？

指出證據(jù)：拉瓦錫不但從水的生成找證據(jù)，還從水的分解找證據(jù)；根據(jù)定量分析推理水的組成。15格令的H2和120格令的O2燃燒，生成135格令的H2O。135格令的H2O分解為15格令的H2和120格令的O2。首次從純凈物(H2O)的角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并排除其他物質(zhì)的干擾，直接用燒紅的槍管進(jìn)行電解。

推理：從化合物的化合和分解角度，推理出水是由氫、氧兩種元素組成的。

引導(dǎo)：科學(xué)家研究物質(zhì)組成時(shí)，做了一系列的實(shí)驗(yàn)，你能說(shuō)說(shuō)科學(xué)家是利用哪些化學(xué)反應(yīng)來(lái)研究水的組成的。

學(xué)生通過(guò)上面的案例與引導(dǎo)，總結(jié)出基于證據(jù)研究水的組成的認(rèn)知思路，如圖2。

圖2 科學(xué)家研究水的組成思路

教師在循序漸進(jìn)的案例與引導(dǎo)中，不斷激發(fā)學(xué)生尋找科學(xué)家研究過(guò)程中的證據(jù)，并進(jìn)行合理的推論，讓學(xué)生按科學(xué)家研究元素化合物組成的進(jìn)程去尋找研究元素化合物的認(rèn)知思路。

三、以實(shí)驗(yàn)探究發(fā)展學(xué)生認(rèn)知方式

學(xué)生認(rèn)知方式指對(duì)物質(zhì)及其變化的特征、規(guī)律進(jìn)行認(rèn)識(shí)的方式方法，是解決“怎么做”這一問(wèn)題的，旨在啟發(fā)和指導(dǎo)學(xué)生用化學(xué)思維方式解決問(wèn)題。在化學(xué)學(xué)科發(fā)展歷程中，每一次理論突破、每一個(gè)發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，都是基于實(shí)驗(yàn)研究或通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的，并在實(shí)驗(yàn)證據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行推理。按科學(xué)家研究水的組成認(rèn)知方式，學(xué)生討論提出實(shí)驗(yàn)探究來(lái)認(rèn)識(shí)水的組成：

圖3 實(shí)驗(yàn)探究來(lái)認(rèn)識(shí)水的組成

化學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，教師在引導(dǎo)學(xué)生了解科學(xué)家如何探究物質(zhì)組成后，要讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，初步掌握物質(zhì)的組成認(rèn)知方式，并初步學(xué)會(huì)運(yùn)用比較、分類(lèi)、歸納、概括、演繹、抽象等科學(xué)方法推斷物質(zhì)的組成。

教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可以用問(wèn)題鏈的形式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。讓學(xué)生善于從學(xué)科理解的視角發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。元素化學(xué)物的組成需要從化合物的生成視角設(shè)計(jì)問(wèn)題，也需要從化合物分解的視角設(shè)計(jì)問(wèn)題，不斷激發(fā)學(xué)生進(jìn)行猜想、收集證據(jù)、基于自己的實(shí)驗(yàn)證據(jù)進(jìn)行推理結(jié)論。

(一)問(wèn)題鏈推進(jìn)認(rèn)知過(guò)程

【問(wèn)題1】如何從水的生成視角證明物質(zhì)的組成？

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行氫氣在空氣中燃燒實(shí)驗(yàn)，收集、記錄證據(jù)，依據(jù)證據(jù)展開(kāi)推理活動(dòng)。教師引導(dǎo)學(xué)生從元素視角思考水的組成。在探究過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生從元素守恒視角思考證據(jù)的準(zhǔn)確性。拉瓦錫是對(duì)純凈物(H2O)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并控制沒(méi)有其他物質(zhì)的干擾，直接用燒紅的槍管進(jìn)行電解。

【問(wèn)題2】氫氣在空氣中燃燒生成水的實(shí)驗(yàn)，能準(zhǔn)確證明水是由氫、氧元素組成的嗎？

空氣中含有N2、O2、CO2、水蒸氣、稀有氣體等，從元素守恒的視角，氫氣在空氣中燃燒后生成水這個(gè)推理不嚴(yán)謹(jǐn)，我們需要尋求進(jìn)一步的驗(yàn)證方案，能否從水的角度出發(fā)？

【問(wèn)題3】如何從水的分解角度證明物質(zhì)的組成？

學(xué)生思考如何從水的分解角度證明物質(zhì)的組成，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。電解過(guò)程中收集證據(jù)觀察：①相同時(shí)間氣泡產(chǎn)生的快慢，②相同時(shí)間氣體體積的量。電解結(jié)束后(檢查氣體)觀察：木條燃燒情況。教師帶領(lǐng)學(xué)生從定性證據(jù)的收集到定量證據(jù)的收集，從不同視角(變化觀、元素觀)分析問(wèn)題，基于證據(jù)展開(kāi)推理的活動(dòng)，推出合理的結(jié)論，同時(shí)建立純凈物的分類(lèi)方法，進(jìn)一步形成分類(lèi)觀。

表2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)論

表3 實(shí)驗(yàn)總結(jié)

【問(wèn)題4】電解過(guò)程中，為了增強(qiáng)導(dǎo)電性可在水中加入氫氧化鈉、硫酸或硫酸鈉等物質(zhì)；從氫、氧元素守恒視角，你會(huì)選擇哪種物質(zhì)？

這個(gè)問(wèn)題進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考化學(xué)反應(yīng)變化過(guò)程中的變化觀和元素觀，為了確保元素守恒，應(yīng)選擇硫酸鈉。

【問(wèn)題5】氣體體積受溫度壓強(qiáng)影響較大，電解過(guò)程中收集氣體能保證在同溫同壓下準(zhǔn)確測(cè)定氣體體積嗎？閱讀下面史料證據(jù)，看看科學(xué)家如何解決這個(gè)問(wèn)題。

出示史料證據(jù)：①同溫同壓下，氣體的體積比為分子個(gè)數(shù)比。②1805年法國(guó)化學(xué)家蓋·呂薩克從定量的角度精準(zhǔn)測(cè)定水的組成：

蓋·呂薩克設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)較精確，氫氣、氧氣可以完全控制純凈，體積可以在同溫同壓下測(cè)定，反應(yīng)條件為電火花點(diǎn)燃，可以使反應(yīng)充分進(jìn)行，反應(yīng)后可以在同溫同壓下準(zhǔn)確測(cè)量水蒸氣的體積。進(jìn)一步通過(guò)科學(xué)家的精確證據(jù)和推論，拓寬學(xué)生分析元素化合物組成的思路，進(jìn)而定性分析和定量計(jì)算推出水的組成結(jié)論。

(二)模型幫助學(xué)生認(rèn)知

研究化合物組成的過(guò)程中，宏觀證據(jù)需要從微觀角度進(jìn)行科學(xué)解釋?zhuān)业胶暧^證據(jù)和微觀證據(jù)之間的因果關(guān)系，科學(xué)地歸納推理才能得到更合理的結(jié)論。在水的組成中可以從不同視角(實(shí)驗(yàn)觀、微粒觀、變化觀、元素觀)進(jìn)行探究，運(yùn)用分子模型進(jìn)行解釋宏觀證據(jù)。讓學(xué)生用橡皮泥模擬電解水的微觀變化過(guò)程，并且讓學(xué)生畫(huà)出物質(zhì)的微粒示意圖和電解水的過(guò)程示意圖，并用符號(hào)進(jìn)行表征。

圖4 物質(zhì)的微粒示意圖

圖5 電解水的過(guò)程示意圖

教師從學(xué)生的認(rèn)知視角、思路、方式來(lái)重構(gòu)知識(shí)體系指引下的教學(xué)，能促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，是核心素養(yǎng)下的教學(xué)新范式。在教學(xué)過(guò)程中，充分促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展需要考慮“從哪兒想”“怎么想”“怎么做”這幾個(gè)問(wèn)題。從學(xué)生的認(rèn)知起點(diǎn)出發(fā)，把握好知識(shí)的深度和廣度，做到深入淺出、以點(diǎn)概面，不斷從認(rèn)知視角、認(rèn)知思路、認(rèn)知方式去幫助學(xué)生搭建學(xué)習(xí)支架，形成從“認(rèn)知視角—認(rèn)知思路—認(rèn)知方式”這三個(gè)層次指導(dǎo)教學(xué)的教學(xué)方法，層層深入、螺旋上升，促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展。