巧妙構(gòu)建化學(xué)核心觀念——以太極圖為工具的化學(xué)概念和理論教學(xué)

高 俊

（安徽省霍山二中 安徽 霍山 237200）

中國大百科全書出版社位于北京，在其臨街的外墻上，建筑師設(shè)計了一組記錄中國文明起源和發(fā)展歷程的浮雕，其中第一幅就是太極圖，可見它在我國古文明中的重要地位，它以簡潔、對稱、形象、旋轉(zhuǎn)的圖形表達(dá)了復(fù)雜、深奧、抽象、基本的人類智慧與知識，蘊含著古老而又樸素的哲學(xué)思想。

一、對太極圖的理解

太極圖是古代先民創(chuàng)造的寶貴思想財富，將太極分為截然對立的陰陽，具有鮮明的對稱性，陽中有陰，陰中有陽，又具有嚴(yán)密的對應(yīng)性；陰陽是動態(tài)的，不斷變化的，合在一起成為整個太極，體現(xiàn)了對立統(tǒng)一的思想，將數(shù)、形、理有機結(jié)合，這種對立和統(tǒng)一、對稱和對應(yīng)的關(guān)系，與初中化學(xué)的概念特點不謀而合，利用太極圖作為工具，將太極陰陽的哲學(xué)思想指導(dǎo)化學(xué)概念的學(xué)習(xí)，可以成為良好的平臺，既符合數(shù)量、圖形符號系統(tǒng)、理論三者循序漸進(jìn)的心理認(rèn)知順序，也是創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境的神來之筆。

二、初中化學(xué)新教材基本概念和理論的特點

1.內(nèi)容呈現(xiàn)特點

初中化學(xué)是啟蒙化學(xué)，為了降低學(xué)習(xí)難度，新教材將許多基本概念和理論分散在各章中，以適應(yīng)學(xué)生的心智水平和認(rèn)知能力。正是由于理論和概念的分散處理，初學(xué)化學(xué)的學(xué)生感覺化學(xué)概念和理論龐雜而凌亂，背不完，理還亂。如何找到合適的工具使其整合，從而能形成類似思維導(dǎo)圖的形式，讓圖形和理論相結(jié)合，既符合化學(xué)學(xué)科知識的邏輯順序，又符合學(xué)生的心理認(rèn)知順序，成為初中化學(xué)教學(xué)研究的重要課題。

2.基本理論和概念自身特點

初中化學(xué)的概念雖然數(shù)量較多，但是特點鮮明。

（1）對稱性

初中化學(xué)的概念基本是成對出現(xiàn)的，像孿生兄弟一樣，猶如一枚硬幣的正面和反面，彼此不能離開對方而獨立存在。例如物理變化和化學(xué)變化，物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)，化合反應(yīng)和分解反應(yīng)，置換反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)，純凈物和混合物，單質(zhì)和化合物，可燃性和助燃性，熱塑性和熱固性，酸性和堿性等。初中化學(xué)基本概念和理論呈現(xiàn)非常有規(guī)律的對稱性。發(fā)現(xiàn)了這條規(guī)律，就可以利用來指導(dǎo)概念和理論的記憶和掌握。

（2） 對應(yīng)性

初中學(xué)生在未學(xué)習(xí)化學(xué)之前，接觸到的主要是宏觀世界?；瘜W(xué)學(xué)習(xí)引入了另一種角度即微觀世界，化學(xué)是從分子、原子的微觀水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的科學(xué)，也就是說，化學(xué)是綜合宏觀和微觀的角度研究物質(zhì)的科學(xué)。

同一類概念在宏觀和微觀層次有不同的表達(dá)方式，宏觀上的“物質(zhì)”在微觀上表現(xiàn)為分子原子離子等粒子，宏觀上的“元素”在微觀上表現(xiàn)為“原子”，宏觀上的實際質(zhì)量在微觀上表現(xiàn)為相對質(zhì)量，換句話說，宏觀世界的概念在微觀世界有“影子”概念。這種對應(yīng)的關(guān)系在化學(xué)中表現(xiàn)得非常有規(guī)律性。利用這一點對于概念記憶有很大幫助。不僅概念如此，基本理論也是如此。從便于學(xué)生理解的角度出發(fā)，教學(xué)中可以將宏觀和微觀的概念“互譯”。例如化學(xué)式的意義，宏觀表示一種物質(zhì)和物質(zhì)的元素組成，根據(jù)宏微觀概念對應(yīng)的關(guān)系，可以將物質(zhì)“翻譯”成分子，元素“翻譯”成原子，“組成”翻譯成“構(gòu)成”，那么化學(xué)式的微觀意義就是一個分子和一個分子的原子構(gòu)成。

（3）對立統(tǒng)一性

初中學(xué)習(xí)化學(xué)的第一意識就是“分”，研究物質(zhì)的手段，首先將物質(zhì)分類如純凈物、混合物、單質(zhì)、化合物、有機物、無機物、酸、堿、鹽、氧化物等；化學(xué)反應(yīng)類型的分類如分解、化合、置換、復(fù)分解等，化學(xué)變化的本質(zhì)就是原子之間的分分合合；物質(zhì)的性質(zhì)分為物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。根據(jù)同一屬性將概念分為截然對立的兩個下位概念，這兩個下位概念彼此對立，又可以合二為一成為一個上位概念，化學(xué)上的這種例子層出不窮。例如自然界物質(zhì)根據(jù)組成成分可以分為純凈物和混合物兩種，這兩種合在一起組成了世界上形形色色的物質(zhì)。化合物根據(jù)是否含碳元素分為有機物和無機物，而有機物和無機物又共同組成了化合物等。

三、以太極圖為工具，巧妙構(gòu)建核心化學(xué)觀

1.宏觀和微觀（見圖1）

圖1 初中化學(xué)宏微觀

新教材在介紹質(zhì)量守恒定律內(nèi)容時，從宏觀上通過實驗來驗證化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量總和不變，微觀上通過分析反應(yīng)前后原子的種類、質(zhì)量和數(shù)目不變來解釋質(zhì)量守恒定律，宏觀上得出化學(xué)反應(yīng)前后物質(zhì)質(zhì)量和元素種類、質(zhì)量不變的結(jié)論。要幫助學(xué)生建立基本的化學(xué)觀，可以訓(xùn)練學(xué)生在宏觀微觀之間自由切換，以此作為構(gòu)建核心觀念的重要手段。從宏觀的現(xiàn)象可以推導(dǎo)微觀粒子的變化，例如通過香氣擴散推導(dǎo)構(gòu)成物質(zhì)的粒子在不斷運動；通過微觀粒子的結(jié)構(gòu)特點可以推導(dǎo)宏觀物質(zhì)的性質(zhì)特點，例如某元素原子最外層電子數(shù)為7，可推測其在化學(xué)反應(yīng)中易得到電子，化學(xué)性質(zhì)活潑，應(yīng)具有較強的氧化性。

2.質(zhì)量觀（見圖 2）

初中化學(xué)的質(zhì)量分為實際質(zhì)量和相對質(zhì)量，實際質(zhì)量一般指“物質(zhì)”和“元素”的質(zhì)量，根據(jù)太極圖中對應(yīng)關(guān)系，相對質(zhì)量一般指相對“分子”質(zhì)量和相對“原子”質(zhì)量。這兩種質(zhì)量既是對應(yīng)的，也是對稱的，也是對立統(tǒng)一的，相對質(zhì)量是以C－12原子質(zhì)量的十二分之一為標(biāo)準(zhǔn)得到的倍數(shù)，相對質(zhì)量和實際質(zhì)量成正比，在很多場合下可代替實際質(zhì)量進(jìn)行計算。相對質(zhì)量和實際質(zhì)量在一起組成初中對質(zhì)量的認(rèn)識觀。

圖2 初中化學(xué)質(zhì)量觀

3.物質(zhì)觀和微粒觀（見圖3）

圖3 初中化學(xué)物質(zhì)微粒觀

宏觀世界是由形形色色的物質(zhì)組成的，微觀世界是由分子、原子、離子、質(zhì)子、中子、電子、原子核等微觀粒子構(gòu)成的，物質(zhì)對應(yīng)著粒子，物質(zhì)就是由許多肉眼看不見的粒子構(gòu)成的，這些粒子在不斷地運動著，彼此之間有間隔。根據(jù)太極圖的對應(yīng)關(guān)系，理論上每種微粒都有屬性對立的兩種狀態(tài)，例如陽離子和陰離子，這種化學(xué)觀也引領(lǐng)學(xué)生打破知障，理論上可推測質(zhì)子、中子、電子等粒子也可能有相反屬性的粒子。西方也有類似的狄拉克反粒子理論，在這種理論的指引下，1932年，美國物理學(xué)家安德遜在宇宙射線實驗中果然發(fā)現(xiàn)了正電子，1956年發(fā)現(xiàn)反中子，1955年張伯倫和塞格雷用質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器證實反質(zhì)子的存在。學(xué)生如果頭腦中有這種太極圖的化學(xué)意識，對以后高中大學(xué)的化學(xué)學(xué)習(xí)大有裨益。

4.化學(xué)反應(yīng)觀（見圖4）

初中化學(xué)反應(yīng)有四種基本反應(yīng)類型，根據(jù)反應(yīng)物和生成物的數(shù)量分為對應(yīng)的化合反應(yīng)和分解反應(yīng)，化合反應(yīng)是“多變一”，分解反應(yīng)是“一變多”；根據(jù)反應(yīng)物和生成物的類型分為對應(yīng)的置換反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)，置換反應(yīng)是單質(zhì)和化合物的成分交換，復(fù)分解反應(yīng)是化合物和化合物的成分交換。根據(jù)太極圖的對應(yīng)關(guān)系，化合反應(yīng)宏觀是多種物質(zhì)生成一種物質(zhì)，微觀對應(yīng)的是多種分子結(jié)合成一種分子；置換反應(yīng)宏觀是單質(zhì)和化合物之間交換成分，微觀是同種原子構(gòu)成的分子和不同原子構(gòu)成的分子之間交換原子。

圖4 初中化學(xué)化學(xué)反應(yīng)觀

5.結(jié)構(gòu)性質(zhì)觀（見圖5）

圖5 初中化學(xué)結(jié)構(gòu)性質(zhì)觀

初中化學(xué)強調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”意識，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同決定了物質(zhì)有著不同的性質(zhì)。宏觀上物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)活潑還是穩(wěn)定，在粒子的微觀結(jié)構(gòu)上也能找到對應(yīng)的原因。

例如氯原子核外電子排布中最外層7個電子，容易在化學(xué)反應(yīng)中得到1個電子，所以氯元素化學(xué)性質(zhì)活潑。碳原子核外電子排布中最外層4個電子，要想形成穩(wěn)定的最外層8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，必須得到或者失去4個電子，這個難度較大，所以碳原子索性“原地不動”，宏觀上表現(xiàn)為化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

鏈狀結(jié)構(gòu)的高分子材料可以反復(fù)加工，具有熱塑性；有些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高分子材料一經(jīng)加工成型就不會受熱熔化，具有熱固性。

再如金剛石和石墨都是碳原子構(gòu)成的物質(zhì)，但是金剛石硬度極大，是天然存在最堅硬的物質(zhì)，石墨質(zhì)軟滑膩，可以做潤滑劑，宏觀上物理性質(zhì)差異如此之大，從微觀粒子在空間的排列方式也可以找到原因，金剛石中碳原子通過正四面體結(jié)構(gòu)排列成網(wǎng)狀，所以堅硬，石墨中碳原子以層狀的方式排列，層與層之間容易滑動，所以石墨滑膩。

以上是作者對利用太極圖作為工具進(jìn)行化學(xué)基本概念和基本理論教學(xué)的初步研究，希望能引起更多老師對太極與化學(xué)的關(guān)注。我國是有著五千年燦爛文明和悠久歷史的古國，有著博大精深的哲學(xué)思想，古人的學(xué)習(xí)經(jīng)驗對我們今天的學(xué)習(xí)仍然有著重要的指導(dǎo)意義，也希望通過我們的研究與挖掘，讓這些古老的哲學(xué)思想歷久彌新，重新散發(fā)出智慧的光芒，為化學(xué)教學(xué)研究提供新的思路和增長點。

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