1、基于学习进阶理论的“微粒观”跨学段教学研究张宁摘要:分析了当前中学化学的“微粒观”教学现状与要求，从“微粒观”4 个逐步进阶的核心要素“微粒”本身的性质；“微粒”集体的性质；“微粒”间的相互作用规律；“微粒”与宏观物质间的关系入手，基于学习进阶理论，提出了针对不同学习水平的 4 阶段教学设计及相应的教学建议。关键词:学习进阶 微粒观 核心要素 教学建议一、问题的提出普通高中化学课程标准（实验）指出：“化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础自然科学，其特征是研究分子和创造分子”。可见，在原子、分子等微粒的基础上认识和研究物质是化学学科的基本任务，也是化学学科区别于其
2、他学科的基本特征。所以掌握从微粒的角度认识物质的科学学习方法，并将微粒观纳入自身认知体系，成为中学生学习科学时的基本任务和必然要求。经调查显示，初三学生在刚接触到物质微粒时，知道构成物质的微观粒子有哪些，但不能将构成物质的分子、原子等微观粒子与原子核、电子联系在一起；知道构成物质的微粒间有间隙，但不能正确将物质状态的变化与微粒间隙的变化联系起来；刚进入高中阶段时，绝大部分学生能够理解微粒运动产生的变化，但在微粒间的相互作用（反应）产生的变化的理解上有一定的困难 1；在刚开始化学选修 4 的学习时，学生知道化学反应伴随着能量的变化，但不能将断键、成键与具体的能量参数联系起来。由此可见，中学生在“
3、微粒观”的学习上存在阶段性障碍，且在微观粒子方面的认知水平有限，以简单记忆和浅显理解为主，在实际问题中进行迁移和应用的能力还较为局限。此外，中学生刚接触化学学科之前的微粒观基本来自于物理学科的学习，且仅达到分子、原子水平，当突然跳跃到离子水平时，学生的实际理解能力将受到一定的挑战。同时，中学生还面临中考、高考的压力，以应试为主要目的，学习方式主要以记忆和割裂式学习为主，所以学生的头脑中很难形成系统的微粒观，这也给今后的微粒学习造成了一定的障碍。为了解决上述问题，我们应遵循学习进阶理念，通过初三化学上册、高中化学必修2、化学选修 4 与化学选修 5 四个学习阶段的跨学段设计，帮助学生分阶段逐步建
4、立系统的微粒观，提高学生的系统学习能力，培养学生从宏观和微观两个不同的角度辩证看问题的世界观。二、已有的“微粒观”研究的概述与不足通过检索与统计，发现前人对于“微粒观”内容的理解大多一致，都是在经典“物质微粒理论”的基础上对其进行的进一步丰富，其不同点在于从不同的角度对“微粒观”的核心要素进行了归纳，但目前存在的研究中鲜少提出“微粒观”的跨学段教学。张曹萍 2以学生的能力目标为划分标准，将微粒观的核心要素分为以下几点：微粒构成观、微粒结构观、微粒计量观和微粒应用观。康波 1、李瑩 3等基于微粒观的学习内容进行总结，认为微粒观的构成要素包括：微粒构成观、微粒间隙观、微粒运动观和微粒作用观。刘志勇
5、 4、杨德红 5等从知识的渐进性入手，将“微粒观”的构成概括为几个连续的问题：微粒是什么？即让学生相信客观事实，明确物质确实是由微观粒子构成的，以及认识微观粒子的性质。微粒如何构成物质？化学反应中有哪些微观实质？即了解分子、原子在化学变化中的变化过程。 综上所述，“微粒观”的核心要素可以描述为：（1）“微粒”本身的性质分子、原子、离子等微观粒子的客观存在、规范涵义、种类大小、结构组成等；（2）“微粒”集体的性质微粒集体的结合方式、微粒间隙、微粒运动等；（3）“微粒”间的相互作用规律微粒间的碰撞、键的断裂和重新组合的方式及能量变化规律等；（4）“微粒”与宏观物质间的关系宏观性质反映微观结构、微观
6、结构决定宏观性质等。不难看出，这四个核心要素的理解难度逐渐递增，并且分别分布于初三化学、高中化学必修、选修等各个阶段中。所以本研究主要通过设计跨学段教学序列，提出各学段相应的教学流程及教学设计示例，以期为相关教学实践与学术研究提供参考。三、“微粒观”跨学段教学流程及教学设计示例 1.阶段一：初三化学上册的学习基于“微粒”本身性质的教学图 1 基于“微粒”本身性质的教学流程基于“微粒”本身的性质即分子、原子、离子等微观粒子的客观存在性、微粒种类的多样性、微粒的实际涵义、微粒的极其微小性和微粒的结构组成（分子中原子的成键方式）等。初三化学上册中首次出现了“分子”、“原子”等概念，也是学生“微粒观”
7、学习的开始，所以第一阶段应主要设置在初三上册第二章空气、物质的构成。该部分的教学流程如图 1 所示，首先从学生所熟知的生活现象出发，通过眼见为实，亲身感受微粒在我们的生活中是客观存在的；其次，教师引出并解释微粒的正确涵义，纠正学生的前概念，规范学生对微粒涵义的理解；再次，利用现有的科学事实作为客观依据，让学生明白在我们的生活中存在着种类不同、大小各异的微粒，并且这些微粒都是极其微小的，只有在微观放大技术下才可以用肉眼观察到它们；最后，再加以模型展示的进一步巩固，将学生头脑中对微粒的抽象表征转化为实物模型，实现具体知识的深层理解与微粒观初步建立这两个目标的同时达成。相应的教学设计示例如下：任务
8、1提供生活情境和科学素材，讨论学习“分子”本身的性质。小任务 1提供熟悉的生活情境：从冰箱中取出一瓶冰水，在空气中放置片刻，会发现水瓶外壁附着一层水。这个现象证明了什么呢？学生活动思考，交流，讨论。结论空气中存在气态的水分子，并且水分子在空气中是肉眼不可见的，当温度降低时，水分子聚集成液态，会形成肉眼可见的小水珠附着在瓶壁上。在物理变化中，水分子本身不发生改变，仍然保持着水的化学性质。小任务 2提供学案，总结归纳分子的概念。学生活动讨论，回答。结论分子是保持物质化学性质的一种微粒。小任务 3展示“用扫描隧道显微镜获得的苯分子”的图像以及“通过移走硅原子构成的文字中国”的图像等现代科技成果。要求
9、用自己的语言将看到的微粒的特点描述出来。学生活动观察，思考，讨论。结论分子和原子是客观存在的，并且是极其微小、肉眼不可见的，必须通过高精度的仪器才可以观测。小任务 4展示水分子、氧气和氢气分子的球棍模型。描述水分子、氧气分子、氢气分子的构成。学生活动交流，回答。结论水分子由氢原子和氧原子构成，并且以 H-O-H 的形式连接；氧气分子由氧原子构成；氢气分子由氢原子构成。2.阶段二：高中化学必修 2 的学习基于“微粒”集体性质的教学图 2 基于“微粒”集体性质的教学流程基于“微粒”集体的性质即微粒运动、微粒间隙以及微观粒子集体的组成方式（分子间作用力等）等。高中化学必修 2 中首次提及“分子间作用
10、力”等概念，在此之前，学生已掌握微粒的运动形式和微粒间隙等较为简单的内容，所以该部分内容的学习重点应主要集中在高中化学必修 2 第一章第 3 节化学键。第一步，列举能够契合“微粒运动”这一教学主题的生活实例，使学生对学习内容获得丰富的感性认识；第二步，进行实验探究，使学生在实验中通过看、听、说、做的过程对微粒间隙的感性认识上升为理性认识；最后，将所学内容以 Flash 动画的形式展示出来，把实验中的微观过程转化为可见的动画模式，将学生头脑中的抽象图形以具体可见的方式呈现出来，感受微粒的组成方式。教学设计示例如下：任务 2通过实验探究和动画展示相结合的课堂形式，具体化“微粒集体”的结合形式。小任
11、务 1列举“远处传来的香味”、“湿衣服中的水的挥发”等生活实例，体会微粒的自发运动。小任务 2进行自主实验：将 50 mL 的水和 50 mL 的品红溶液混合，观察实验现象，并测量混合后的体积，比较二者混合前后体积有何变化。学生活动实验，记录，思考。结论混合后，红色逐渐扩散，直至整杯溶液变成了均匀的浅红色（如图 3），并且溶液总体积减少约 1mL（如图 4）。说明分子之间存在间隙。小任务 3认真观看水分子集体与品红溶液中的分子集体互溶的 Flash 动画。说明混合前后原子之间、分子之间分别是如何连接的，这些作用力稳固性如何。学生活动观看，记录，讨论。结论混合前，水分子是由氧原子和氢原子通过共价
12、键连接组成的，品红分子（C 20H19N3）是由碳原子、氢原子和氮原子通过共价键连接组成的，很稳固；水分子之间存在分子间作用力（氢键），不稳固。混合后，水分子和品红分子之间通过分子间作用力（氢键）连接，较稳固。图 3 品红溶液扩散过程图 4 品红溶液与水混合前后体积变化3.阶段三：高中化学选修 4基于“微粒”间相互作用规律的教学图 5 基于“微粒”间相互作用规律的教学流程“微粒”间的相互作用即微粒与微粒之间的碰撞、键的断裂和重新组合的方式及能量变化规律等，主要包括物质的物理变化和化学变化。高中化学必修 2 中首次出现化学键与反应能量等概念，但还未涉及到具体的能量转化与计算过程，而高中化学选修
13、4 第一章化学反应与能量中较为系统地对以上概念进行了阐述，所以该部分“微粒观”的培养主要通过高中化学选修 4 的学习获得。第一步，要求学生基于“微粒碰撞”这一教学主题进行实验设计，通过实验能够明显观察到证明微粒碰撞的实验现象；第二步，展示反应物的微观模型，由学生观察反应物中的化学键成键方式；第三步，提供元素的同位素示踪实验的结果或资料，分析反应物中的原子去向以及断键情况；第四步，观看整个反应的 Flash动画，要求学生自己总结反应过程；最后，提供反应物及生成物的键能参数，教师引导计算反应的能量变化数据。教学设计如下：任务 3通过单键氧元素同位素示踪实验的结果分析反应的断键位置；通过计算反应能量
14、变化体会能量守恒。小任务 1提出课题“汽水中碳酸的分解”，设计简易实验：静置汽水瓶，观察气泡产生的数量，摇晃汽水瓶，再观察气泡数量。气泡是怎样产生的？学生活动观察，讨论。结论碳酸是一种弱酸，分子不稳定，键的强度较弱，在静置时碳酸就能进行自发分解，但速度较慢，所以气泡数量较少；在摇晃汽水瓶时，增加了碳酸分子之间或碳酸分子与其他分子之间的碰撞频次，使得碳酸分子中的化学键断裂的速度加快，碳酸分解速率加快，气泡增多。小任务 2展示碳酸分子的球棍模型。观察碳酸分子中包含哪些键。小任务 3资料：碳酸分解时的氧元素同位素示踪结果。分析碳酸分解有哪些旧键断裂，哪些新键形成。学生活动分析，讨论。结论根据资料显示
15、，在生成物 H2O 中发现了标记的连有单键的氧原子，所以反应物 H2CO3中 C-O 单键、O-H 单键断裂（如图 6），形成 O-H 单键，C-O 双键（如图 7）。小任务 4播放碳酸分子在不同碰撞频次下分解成 H2O 分子和 CO2分子的动画模拟过程，并辅以总结与解释。小任务 5提供常见化学键键长与键能表（如表 1），计算反应热。 图 6 碳酸分解断键情况 图 7 碳酸分解生成物成键情况表 1 常见化学键键长与键能表化 学 键 键长/(10 -12m) 键能/(kJ/mol) 化 学 键 键长/(10 -12m) 键能/(kJ/mol)CI 214 240 OH 98 463CN 148
16、305 OO 148 146CN 135 615 OO 120 496CN 116 891 PBr 220 272CO 143 326 PCl 203 331CO 120 728 PH 142 322CO(CO2) - 803 PO 163 4104.阶段四：高中化学选修 5基于“微粒”与宏观物质间的关系的教学图 8 基于“微粒”与宏观物质间的关系的教学流程“微粒”与宏观物质间的关系即物质的宏观性质反映微观结构、微观结构决定宏观性质等。高中化学选修课是为具有一定的化学基础和学习兴趣的学生开设的课程，在进行化学选修 5 的学习时，学生应已形成基本的微粒观，而在选修 5 的学习结束后，就将进入高考
17、总复习。选修 5 主要内容为有机化学，较多涉及到化学物质的生活与社会应用，能够反映物质结构与性质、物质性质与用途之间的关系。所以该阶段要求学生进一步掌握宏观与微观之间的普遍规律，处于“微粒观”学习的较高水平。第一步，列举所学化学物质的社会生活用途，然后由学生总结归纳出物质的某一宏观性质；第二步，要求学生根据第一步中归纳出的宏观性质，对与该性质有关的微观结构进行假设，并根据假设完成微观模型的初步搭建；第三步，设计与第一步中所归纳出的宏观性质相关的实验，观察现象并讨论后，验证初步假设中的微观结构是否与实验现象所表征的宏观性质相吻合；最后，根据讨论的结果，在纠正初步假设后，再对初步搭建的模型修正，进
18、行二次模型建构。在该阶段教学的实施过程中，学生实现了宏-微观之间的多次转化，形成了正确的“微粒”与宏观物质间关系的理解。教学设计如下：任务 4通过聚氯乙烯的用途归纳出其化学性质，分析假设其微观结构进行初步模型搭建；通过实验修正假设，再次建立微观模型，实现“宏-微”转化。小任务 1资料阅读：“聚氯乙烯塑料具有良好的耐酸碱、耐磨、耐燃烧和绝缘性能，但是对光和热的稳定性差，在 90 以上或光照的情况下，会分解出氯化氢，引起颜色变黄，同时上述良好的力学和化学性能迅速下降。”根据以上材料可以得出聚氯乙烯具有什么性质？猜想聚氯乙烯在 90的条件下加热会发生什么反应？生成了什么产物？聚氯乙烯发生该反应的结构
19、基础是什么？学生活动阅读、分析、讨论。结论聚氯乙烯具有受热、见光易分解的性质。聚氯乙烯受热过程中发生了氧化反应和分解反应，生成了 CO2、H 2O、HCl 和 CH2=CH2。小任务 2初步搭建聚氯乙烯的球棍模型，教师协助。小任务 3进行实验：聚氯乙烯在 90加热条件下发生的反应，将收集的气体进行 GC-MC仪全扫描分析。实验结果如表 2 所示。小任务 4根据实验结果，聚氯乙烯在 90的条件下加热，并未生成学生猜测的 H2O、CO 2和 CH2=CH2，而是生成了 HCl 和氯乙烯。对聚氯乙烯球棍模型进行重建。表 2 不同温度条件下的热解产物的种类和浓度(mg/m 3)6温度（）热解产物90
20、110 130 150 170 190 210 230 250乙烯 未检出 0.68 1.98 3.54 5.26 7.53 9.65 12.52 15.76氯化氢 0.95 5.86 7.52 9.48 11.87 16.83 19.46 22.53 25.62一氯甲烷 未检出 未检出 未检出 0.26 0.84 1.73 3.91 6.14 8.08氯乙烯 1.03 4.08 7.85 11.57 14.12 18.23 22.84 27.56 30.68二氯乙烯 未检出 0.53 1.25 3.48 6.76 9.63 13.64 17.52 20.04二氯甲烷 未检出 未检出 未检出
21、0.41 0.83 3.12 6.34 9.87 12.57四氯化碳 未检出 0.51 1.02 3.78 7.86 11.24 15.13 19.51 22.34三氯甲烷 未检出 未检出 未检出 0.26 1.23 3.97 6.88 9.12 12.61二氯乙烷 未检出 未检出 未检出 0.24 0.71 1.54 3.72 6.91 9.24苯 未检出 未检出 未检出 未检出 0.37 0.94 1.28 2.54 5.83三氯乙烯 未检出 0.91 1.67 3.56 6.78 9.53 12.85 14.26 17.26甲苯 未检出 未检出 未检出 未检出 0.16 0.43 0.9
22、6 1.52 3.41四氯乙烯 未检出 未检出 0.43 0.96 1.87 3.98 6.34 8.21 10.82苯乙烯 未检出 未检出 未检出 未检出 未检出 未检出 0.76 0.91 1.36四、跨学段“微粒观”教学建议1.运用科技成果，证实微粒存在现代科学技术迅猛发展，中学化学课堂教学也应当紧跟时代的步伐。教师要善于利用层出不穷的科技成果，为自己的课堂教学提供更多的实证性材料。如利用扫描隧道显微镜等微粒观测技术，将肉眼不可见的微粒呈现在学生眼前，证实微粒是确实存在的，打消学生的疑虑。2.结合生活实例，感受微粒状态进行微粒教学时，教师要斟酌引入课题所使用的案例，不仅要与课题紧密联系，
23、而且要符合学生的认知发展，最好采用日常生活中所熟知的现象或案例。这样，既可以让学生深切感受到微粒的存在和状态，又能够激发学生的兴趣，提高学生的关注度，为课堂营造一个好的开始。最后，教师可以将结论回归到社会生活用途，让学生形成“化学即生活，生活即化学”的观念，为课堂画上一个圆满的句号。 3.自主设计实验，体会微粒作用分子、原子、离子等微粒是客观存在的，但这些微粒极其微小，不借助其他仪器无法用肉眼观察。所以教师要引导学生自主设计实验，把微观的反应放大为宏观的实验现象，利用宏观的实验现象来证明反应中微粒的相互作用，通过眼见为实，体会微观过程与宏观现象的相互转化。4.搭建实物模型，还原键的变化中学生的
24、抽象思维和空间想象能力较差，在接触物质的微粒观初期，对于物质较为复杂的微观结构，很难在头脑中形成一个形象且完整的图像，这也是学生在学习微粒时存在障碍的原因之一。所以，教师应当巧妙利用实物模型搭建、F lash 动画以及 3D 立体结构等多媒体技术向学生展示微粒在反应过程中所发生的旧键断裂以及新键形成等过程，将微粒反应的本质呈现在学生眼前，印刻在学生的头脑中，逐步理解微粒观的动态生成。5.剖析知识梯度，形成微粒观念中学生从九年级开始化学学科的学习，“微粒观”的形成是化学学习的基础，贯穿中学和大学的无机化学、有机化学等的学习，同时也是其他学科学习的基础。学生的化学核心观念是通过长期的、连续的几个学
25、习阶段获得的，教师应当注重“微粒观”等学习观念培养的循序渐进性，即遵循“微粒观”建构的顺序性，由易到难，由简到繁，从熟悉到陌生，应当善于把握整体要求，层层深入，最终形成系统的微粒学习观。参 考 文 献1康波.初中化学教学中学生微粒观的现状调查与分析D.长春：东北师范大学，20102张曹萍.高中化学优化微粒观教学的实践研究D.上海：上海师范大学，20133李瑩.以微粒观促进学生对化学知识的理解J.基础教育参考，2016，（2）：50-514刘志勇.九年级化学教学中微粒观的建立J.课程教学研究，2013，（6）：55-575杨德红. 以“电子转移”统领原电池教学设计J.化学教学，2014，（6）：37-406林华影,林瑶. 气相色谱-质谱法分析聚氯乙烯加热分解产物J.中国卫生检验杂志，2008,（4）:587-5897于昌凤.初中化学“微粒观”建构的教学实践研究以“分子”教学为例J.化学教育，2014，（9）：23-278张凤桂，杨帆. 基于微粒作用观的“离子反应”教学研究J.化学教育，2012,（4）：36-389张志杰. 微粒作用观视角下“离子反应及其发生条件”教学设计J.化学教与学，2015，（6）：49-5210黄琼.中学化学教学中学生物质微粒观的培养D.济南：山东师范大学，2009
