關(guān)于改進(jìn)作業(yè)設(shè)計(jì)的看法和建議之一

宋心琦

摘要：認(rèn)為改進(jìn)學(xué)生作業(yè)是一個(gè)值得著力解決的問題。列舉了幾個(gè)在初等化學(xué)教學(xué)中曾經(jīng)和現(xiàn)在仍然存在的問題，依據(jù)化學(xué)學(xué)科的特點(diǎn)和基本概念介紹了一些看法，以豐富作業(yè)設(shè)計(jì)改革的內(nèi)容和途徑。

關(guān)鍵詞：作業(yè)設(shè)計(jì)；物理變化；分散系；金屬

文章編號(hào)：1005–6629（2014）9–0007–06 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

繼化學(xué)實(shí)驗(yàn)改革研討之后，《化學(xué)教學(xué)》編輯部繼而把改進(jìn)學(xué)生作業(yè)問題的探討提上了日程，我認(rèn)為這是一個(gè)非常有遠(yuǎn)見的創(chuàng)議。由于作業(yè)是一個(gè)不可缺少的教學(xué)環(huán)節(jié)，同時(shí)又是存在著諸多差強(qiáng)人意的教學(xué)環(huán)節(jié)，因而是一個(gè)值得認(rèn)真研討的問題。雖然在廣大教師中對(duì)此關(guān)注并不斷進(jìn)行研討者不在少數(shù)，遺憾的是，由于缺乏有效的和研討式的交流平臺(tái)，老師們各自積累的豐富資料和有益經(jīng)驗(yàn)，卻因具有很高的分散性和局域性，難以實(shí)現(xiàn)更廣范圍的交流與共享。因此，有效地進(jìn)行提煉和整合，是一個(gè)值得著力解決的問題。雖然在已頒布的中學(xué)化學(xué)（包括初中和高中化學(xué)）課程標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)學(xué)生作業(yè)的基本要求均有所提及，但是內(nèi)容和要求卻不像對(duì)學(xué)科知識(shí)和技能內(nèi)容的要求那樣具體，這和作業(yè)本身的特點(diǎn)有關(guān)，難以求全責(zé)備，從另一方面來看，也因此給廣大教學(xué)研究人員和教師留下了深入研討、創(chuàng)造和實(shí)踐的空間。通過這個(gè)研討活動(dòng)，可以進(jìn)一步激發(fā)廣大教師的教學(xué)改革熱情，更有效地實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，從而進(jìn)一步地體現(xiàn)出教學(xué)改革的生命力和有效性，故而應(yīng)當(dāng)?shù)玫交瘜W(xué)界及廣大師生的支持和關(guān)注。

就中學(xué)化學(xué)教育來說，課堂教學(xué)和課（內(nèi)）外作業(yè)，是相互依存和相互補(bǔ)充的不可分割的兩個(gè)方面，但是二者的教育功能并不等同。這是因?yàn)檎n堂教學(xué)往往以教師的引導(dǎo)和啟發(fā)為主，由于受到課時(shí)和學(xué)生人數(shù)的限制，學(xué)生的主動(dòng)性難以充分發(fā)揮；作業(yè)的內(nèi)容與預(yù)設(shè)要求雖然基本上也必須由課程標(biāo)準(zhǔn)、教材和任課教師設(shè)定，但是學(xué)生在完成作業(yè)時(shí)（特別是課外作業(yè)時(shí)），所需時(shí)間、思考方向、參考與問詢的深度與廣度等，均具有更大的自主性，因材施教的可能性和選擇性都能夠較好體現(xiàn)。如果允許學(xué)生在指定的學(xué)習(xí)或探索方向下具有更大的自由度，學(xué)生的興趣和創(chuàng)新意識(shí)將得以提升。我們期望的所謂“舉一反三”和通常說的“師傅引入門，修行在個(gè)人”將有可能成為現(xiàn)實(shí)。由此可見，作業(yè)的設(shè)計(jì)和學(xué)生完成作業(yè)過程的重要性不言而喻。

近期在《化學(xué)教學(xué)》上連續(xù)發(fā)表了多篇理論性文章[1，2，3，4]，比較系統(tǒng)地闡述了在研討有關(guān)問題時(shí)的幾個(gè)主要方向，起了很好的指導(dǎo)引領(lǐng)作用，值得認(rèn)真閱讀和思考。學(xué)習(xí)之余，我認(rèn)為在研討這個(gè)問題時(shí)，還有一個(gè)方面的工作值得兼顧，那就是結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)來研討和認(rèn)定中學(xué)化學(xué)學(xué)科的核心概念和基本原理，并且主要在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行作業(yè)設(shè)計(jì)和改革，也能有利于提高課程教學(xué)的有效性。根據(jù)個(gè)人的了解，就中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的學(xué)科概念問題提出幾個(gè)有關(guān)的看法和建議作為引玉之磚，希望經(jīng)過老師的研討和修正之后，能夠?yàn)樘接懽鳂I(yè)設(shè)計(jì)改革提供一點(diǎn)參考。

1 化學(xué)物質(zhì)物理變化的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

什么是物理變化？指的是物質(zhì)的物理性質(zhì)（包括聚集狀態(tài)）的變化，本來是一個(gè)簡(jiǎn)單的問題，但是由于過度思考，超越了化學(xué)學(xué)科，竟然成了一個(gè)模糊不定、眾多爭(zhēng)議的問題。以至于種種似是而非的習(xí)題進(jìn)入了教材和教輔，甚至成為中考試題之一。它的后果是，使得剛剛接觸化學(xué)的初中學(xué)生感到莫衷一是，有如陷入概念迷宮之中！雖然物理變化本身并非最重要的化學(xué)概念，而且化學(xué)教材在對(duì)物質(zhì)的物理性質(zhì)下定義時(shí)，并沒有把物體所處的時(shí)間、空間，人為改變后的形狀、質(zhì)量或數(shù)量列入物理性質(zhì)之中，但是并不表示大家對(duì)這個(gè)概念的界定達(dá)成了共識(shí)，這是一個(gè)值得澄清的學(xué)科概念。

化學(xué)是通過物質(zhì)的性質(zhì)以及在給定條件下性質(zhì)的變化（包括物理變化和化學(xué)變化）來識(shí)別物質(zhì)的，而且是在原子分子水平上來進(jìn)行的。所以，化學(xué)認(rèn)為水的三態(tài)間的互相變化屬于“純粹的”物理變化，因?yàn)樗肿拥慕M成和結(jié)構(gòu)沒有改變。而木料做成桌子、玻璃盆子摔成碎片等等諸如此類的事件在化學(xué)學(xué)科的視角下，都不能視為化學(xué)物質(zhì)的物理變化。

試想，如果木材做成桌子、玻璃盤子摔成碎片都屬于物理變化，那么火車開動(dòng)、伸腿彎腰也都是物理變化了。其實(shí)這些僅僅包含著人為地改變物體形狀、大小、單個(gè)物體的質(zhì)量以及空間位置的事例，因?yàn)闆]有改變所涉及物質(zhì)基本微粒的組成和結(jié)構(gòu)，亦即木料的材質(zhì)、玻璃的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都沒有發(fā)生變化，因此它們的基本性質(zhì)，包括物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都不會(huì)發(fā)生變化。也就是沒有發(fā)生化學(xué)變化和物理變化。其實(shí)在人們對(duì)“紅木”家具、純“棉”織物、“不銹鋼”炊具等等的敘述中，已經(jīng)隱含著材質(zhì)不因加工而改變的認(rèn)識(shí)啊。

產(chǎn)生這種爭(zhēng)議的原因在于脫離了化學(xué)，忘記了化學(xué)是在原子分子水平上來認(rèn)識(shí)、識(shí)別和鑒別物質(zhì)的一門科學(xué)，當(dāng)我們介紹物質(zhì)的物理性質(zhì)時(shí)，難道要附加它存在的空間位置和數(shù)量的多少嗎？我們會(huì)認(rèn)為在進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)所取試樣的數(shù)量或形狀會(huì)對(duì)認(rèn)識(shí)物質(zhì)的性質(zhì)產(chǎn)生影響嗎？會(huì)認(rèn)為微型實(shí)驗(yàn)、常規(guī)實(shí)驗(yàn)以及工業(yè)規(guī)模下的同一種化學(xué)物質(zhì)，以及它們?cè)谕环N反應(yīng)中的化學(xué)本質(zhì)應(yīng)該有所不同嗎？

物理變化概念的超越化學(xué)，不利于初學(xué)者牢固地把握與化學(xué)密不可分的微粒觀的建立。何況微粒觀對(duì)于初學(xué)者來說，因?yàn)闊o法親身感知原本就感到抽象難懂?。?/p>

最近見到一則介紹氧單質(zhì)顏色的報(bào)告，可以說明科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，能夠不斷地?cái)U(kuò)展人們對(duì)物質(zhì)物理性質(zhì)的認(rèn)識(shí)范圍，并且有效地彌補(bǔ)了依靠自身感知來認(rèn)識(shí)物質(zhì)的物理性質(zhì)和變化能力的不足。供老師們參考。

附：多彩的氧（該信息取自《Scientific American》2012年的一篇報(bào)道）

我們知道空氣中的氧是無色的，也許聽說過液氧呈淺藍(lán)色，但是不一定知道或想到氧還可以呈現(xiàn)為粉紅色、橙黃色、紅色、黑色，甚至于金屬態(tài)。在常壓下，液氧經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)，晶體呈藍(lán)色。當(dāng)增加或降低所施壓強(qiáng)時(shí)，由于發(fā)生相變，固態(tài)氧的結(jié)構(gòu)和顏色隨之而變。固態(tài)氧的物相目前已知的有6種：

（1）α-相：淺藍(lán)色，形成于1 atm低于23.8K時(shí)，單斜晶系。

（2）β-相：淡藍(lán)至粉紅色，形成于1 atm低于43.8K時(shí)，斜方晶系（于室溫和高壓下轉(zhuǎn)變?yōu)檠?分子tetraoxygen，O4）。

（3）γ-相：淡藍(lán)色，形成于1 atm低于54.36K時(shí)，立方晶系。

（4）δ-相：橙黃色，形成于室溫和壓強(qiáng)為9 GPa時(shí)。

（5）ε-相：暗紅至黑色，形成于室溫和壓強(qiáng)高于10 GPa時(shí)。

（6）ζ-相：金屬態(tài)，形成于壓強(qiáng)大于96 GPa時(shí)。

（7）O4為過渡態(tài)；O8是穩(wěn)定的，呈紅色；氧的金屬態(tài)具有超導(dǎo)性。

2 為什么溶液成為初等化學(xué)中的一個(gè)重要知識(shí)點(diǎn)

有關(guān)溶液的知識(shí)點(diǎn)包括了溶液的形成、溶液的濃度、一定濃度的溶液的配制方法（包括配料計(jì)算和配制，以及容量瓶和天平的使用等），并延伸到化學(xué)物質(zhì)的溶解度和飽和溶液（包括溶解度和溫度的關(guān)系——溶解度-溫度曲線的應(yīng)用等），溶解過程和結(jié)晶過程等一系列知識(shí)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)。形成了一個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)完整、邏輯關(guān)系明晰的“知識(shí)板塊”。只有明確了這個(gè)知識(shí)板塊內(nèi)知識(shí)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系，同時(shí)充分認(rèn)識(shí)到有關(guān)溶液的知識(shí)在化學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)和應(yīng)用中的重要性，才能真正地組織好教學(xué)過程，而且其中有很多認(rèn)知過程必須配合實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H生活中的體驗(yàn)才能真正地完成。

就一般的化學(xué)反應(yīng)而言，在選定反應(yīng)物之后，常用以調(diào)控反應(yīng)進(jìn)程（包括速率和產(chǎn)物）的手段，不外乎壓強(qiáng)、溫度、濃度和催化劑。由于催化劑需要通過繁復(fù)的篩選過程才能確定，并非唾手可得，而且目前還沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)于全部或大部分化學(xué)反應(yīng)過程都有作用的催化劑，所以催化劑不能歸入初學(xué)者經(jīng)常使用的調(diào)控手段之列。于是在初等化學(xué)中，由于儀器設(shè)備的原因，能夠演示壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程和結(jié)果的影響的體系寥寥無幾，更多的時(shí)候是通過實(shí)際的事例（如氨的合成）和化學(xué)平衡計(jì)算研習(xí)來體現(xiàn)壓強(qiáng)的作用。只有溫度和濃度才是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用到的調(diào)控手段。依靠酒精燈或其他簡(jiǎn)單方法加熱時(shí)，對(duì)溫度的調(diào)控一般不要求精確，也不容易做到精確，唯有濃度，特別是溶液的濃度，才是比較容易實(shí)現(xiàn)、而且能夠較為精確地對(duì)反應(yīng)進(jìn)程加以調(diào)控的因素。應(yīng)當(dāng)通過作業(yè)強(qiáng)化對(duì)濃度重要性的認(rèn)識(shí)，不僅止于計(jì)算和換算。

其次，把體積龐大、容易因擴(kuò)散而泄漏的氣態(tài)反應(yīng)物，和因接觸面積小密度差別大、需要不斷地進(jìn)行強(qiáng)力攪拌的固態(tài)反應(yīng)物，用適當(dāng)?shù)娜軇┌阉鼈冝D(zhuǎn)化為溶液后，既具有流動(dòng)性，又可以使反應(yīng)物以分子（或離子）狀態(tài)，均勻地分散在溶劑之中，而且在溶液內(nèi)的任何一處發(fā)生的反應(yīng)，都可以代表整個(gè)體系，與所取溶液的體積無關(guān)（這就是在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，更應(yīng)當(dāng)關(guān)注的是反應(yīng)物的大致比例，而不是所取試劑溶液的體積。實(shí)驗(yàn)講義上建議的用量，除考慮到反應(yīng)物的計(jì)量關(guān)系外，還要求初學(xué)者逐步養(yǎng)成用盡可能少的試劑來完成實(shí)驗(yàn)的習(xí)慣，做到物盡其用）。因?yàn)槿芤褐械幕瘜W(xué)反應(yīng)是反應(yīng)物以分子或離子狀態(tài)參加的反應(yīng)，所以只有溶液的濃度才能最直接地反映出它們?cè)诎l(fā)生反應(yīng)時(shí)的有效濃度。以溶液狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)體系的體積不是由所在容器決定，而是由溶液的體積決定的。在反應(yīng)的整個(gè)過程中，雖然反應(yīng)物和生成物的濃度一直在改變，但是每個(gè)瞬間的平均濃度將都有確定值。在研究反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過程時(shí)，這是一個(gè)非常重要的特點(diǎn)，它意味著在所涉及的瞬間，濃度不僅可知，而且可以視為“不變量”。變量的減少，有助于減少實(shí)驗(yàn)結(jié)論的不確定性。

由溶液濃度延伸出來的溶解過程的自發(fā)性和溶解度概念，是化學(xué)中極為重要的概念。前者屬于自然界的一個(gè)普遍存在的現(xiàn)象，它不僅是水源組成和所處地理環(huán)境密切相關(guān)的必然結(jié)果，也是半導(dǎo)體摻雜、合金熱處理等工藝的理論依據(jù)。表現(xiàn)為溶質(zhì)溶解和通過擴(kuò)散達(dá)到在溶劑內(nèi)均勻分布自發(fā)性（在高中化學(xué)選修模塊“化學(xué)反應(yīng)原理”中會(huì)把這個(gè)現(xiàn)象的本質(zhì)理論化）。

在配制一定溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液時(shí)，要反復(fù)提醒學(xué)生注意觀察和思考固體溶質(zhì)溶解的自發(fā)性現(xiàn)象和液體溶質(zhì)在溶劑中的自動(dòng)溶解、混合、擴(kuò)散和均一化現(xiàn)象，這是溶液和氣體分散系以外的其他分散系（如懸濁液、乳濁液、膠體溶液，包括現(xiàn)實(shí)生活中遭遇的陰霾、霧霾、沙塵暴等）的基本區(qū)別。后者的形成，不僅往往要借助外力，而且形成的分散系屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定體系。在放置過程中，它們的分散均勻程度會(huì)自動(dòng)下降（例如沙塵暴可以成為某個(gè)地域的環(huán)境問題，卻不會(huì)成為全球性的污染源）。通過溶液和其他分散系在形成過程和穩(wěn)定性的比較，可以加深對(duì)溶液的認(rèn)識(shí)和了解溶液與其他分散系的根本區(qū)別。

在選定適當(dāng)?shù)娜軇┖?，物質(zhì)的溶解過程雖然具有自發(fā)性，但是不同的物質(zhì)在同一種溶劑中的“最大”溶解量并不相同，亦即存在著飽和現(xiàn)象[能夠像水和乙醇、乙二醇、甘油（丙三醇）、乙酸等這樣無限混溶的體系在初等化學(xué)中不是很多，可暫不考慮]，于是根據(jù)溶液達(dá)到飽和時(shí)溶劑和溶質(zhì)的數(shù)量（體積或質(zhì)量，或物質(zhì)的量）比率關(guān)系，演化成為溶解度的概念，并進(jìn)一步得出溶解度與體系溫度間的依變關(guān)系。有趣的是，從溫度溶解度曲線可以看到，不同物質(zhì)在水中溶解度和溫度之間的關(guān)系及變化趨勢(shì)并不完全相同，從而使得這種差別可用于物質(zhì)分離和提純，并成為一種普遍采用的方法。從溶解度概念到結(jié)晶法成為一種應(yīng)用廣泛的分離提純方法，其間的邏輯關(guān)系和認(rèn)知發(fā)展途徑的脈絡(luò)，十分清晰。這種思維訓(xùn)練，在初等化學(xué)教學(xué)中，是非常難得的學(xué)科載體之一。如果只關(guān)注溶液濃度換算、溶解度計(jì)算和容量瓶配制一定質(zhì)量濃度的溶液實(shí)驗(yàn)中的基本操作，而不是把它們之間的邏輯關(guān)系理順，學(xué)生可以學(xué)到一個(gè)個(gè)孤立的知識(shí)，卻難以真正領(lǐng)會(huì)這個(gè)知識(shí)板塊所包含的極為豐富的學(xué)科內(nèi)容和科學(xué)教育的內(nèi)涵。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，以往的作業(yè)設(shè)計(jì)和要求在這方面是需要進(jìn)一步關(guān)注和強(qiáng)化的。

3 關(guān)于分散系的識(shí)別問題

分散系在初等化學(xué)階段，并不是一個(gè)重要的化學(xué)知識(shí)點(diǎn)。但卻是一個(gè)和學(xué)生日常生活密切相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)，因而也是一個(gè)便于設(shè)計(jì)學(xué)科作業(yè)的知識(shí)點(diǎn)。

在介紹關(guān)于分散系的基本知識(shí)時(shí)，如果注意到通過加強(qiáng)對(duì)溶液知識(shí)的學(xué)習(xí)與理解，同時(shí)通過溶液和其他分散系的根本區(qū)別來強(qiáng)化對(duì)溶液體系的認(rèn)識(shí)，反而有利于對(duì)其他分散系的了解。如若不能做到這點(diǎn)，不能厘清它們以及它們和溶液體系之間的差別與聯(lián)系，各類分散系便會(huì)成為一個(gè)個(gè)孤立的知識(shí)點(diǎn)。日常生活中存在的分散系很多，形式和種類豐富而且便于感知，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)知識(shí)后，能夠從化學(xué)的角度來認(rèn)識(shí)和分析周圍有關(guān)的分散系，如有關(guān)氣象、大氣污染、污水凈化到生活中經(jīng)常遇到的懸濁液、膠體溶液等。包括墨水、膠水、泥漿以及膨化制品和食品等。通過對(duì)它們的制備、應(yīng)用和存放條件等的分析和了解，將有助于獲得科學(xué)技術(shù)源于生活但又高于生活的體驗(yàn)。

從分散系形成時(shí)的自發(fā)性和非自發(fā)性來區(qū)分真溶液和其他分散系，屬于化學(xué)學(xué)科的基本要求，也是選擇或了解制備目標(biāo)分散系工藝方案的基礎(chǔ)。建議強(qiáng)化這方面的作業(yè)（包括實(shí)驗(yàn)、習(xí)題以及有針對(duì)性的討論和探究）。溶液之外的其他各類分散系，基于它們的不穩(wěn)定性（或介穩(wěn)性），有關(guān)加速破壞或延緩其“穩(wěn)定性”的方法和效率，都可以成為學(xué)生作業(yè)的內(nèi)容。包括學(xué)習(xí)有關(guān)資料和動(dòng)手進(jìn)行探究等方面。

丁達(dá)爾效應(yīng)是膠體溶液（包括氣溶膠在內(nèi)）因分散質(zhì)粒子對(duì)入射光的散射而產(chǎn)生的光學(xué)效應(yīng)。是否出現(xiàn)光柱和光柱的顏色，取決于分散質(zhì)粒子的直徑大小和分布。由于膠體分散系中膠粒產(chǎn)生的散射光頻率恰好處于可見光的范圍，當(dāng)粒度分布范圍較廣時(shí)，多種頻率并存的散射光最后合成為白光。如果能夠使得膠體溶液中的膠粒粒度局限在某個(gè)較窄的范圍內(nèi)，散射光可以成為有色光，甚至散射出較純的單色光。當(dāng)溶液體系中的溶質(zhì)分子具有類似于膠粒的粒徑（例如聚合度適當(dāng)?shù)母叻肿踊衔镌谌軇┲行纬傻姆肿尤芤?，常見的如聚乙烯醇的水溶液）也可以觀察到丁達(dá)爾效應(yīng)。而且已經(jīng)發(fā)展成為測(cè)定高分子化合物平均分子量的有效方法。所以丁達(dá)爾效應(yīng)不能作為分散系是否一定是膠體溶液的依據(jù)，就這個(gè)問題，可以設(shè)計(jì)出多種形式的饒有趣味的作業(yè)。

附：美國(guó)加州大學(xué)Riverside分校的三位華人化學(xué)家發(fā)現(xiàn)，可以利用外磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，改變納米Fe3O4（用聚丙烯酸修飾后帶有負(fù)電荷）膠體溶液中膠粒的聚集狀態(tài)，從而顯示出不同的色彩[5]。據(jù)認(rèn)為有可能成為一種工藝和結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)易的顯示器件。丁達(dá)爾效應(yīng)成為實(shí)現(xiàn)磁致變色體系的核心技術(shù)，不僅非常有趣，而且可能發(fā)展成為能耗和維護(hù)成本極低的一種新技術(shù)。圖1為該研究小組提供的試驗(yàn)結(jié)果。

由這則科技信息，可以提高學(xué)生對(duì)分散系和膠體溶液的學(xué)習(xí)質(zhì)量和興趣，也可以為設(shè)計(jì)不同層次的化學(xué)作業(yè)提供事實(shí)依據(jù)和實(shí)驗(yàn)探究方案的參考。

（1）為什么Fe3O4膠粒的聚集狀態(tài)可以用外磁場(chǎng)強(qiáng)度來調(diào)控？

（2）為什么這種體系必須是膠體體系？

（3）膠粒的聚集狀態(tài)改變?yōu)槭裁茨軌蚋淖凅w系在高亮度白光照射時(shí)所顯示的顏色？

4 化學(xué)反應(yīng)激烈程度和金屬化學(xué)活潑性關(guān)系沒有必然的相關(guān)性

初等化學(xué)的主要任務(wù)是進(jìn)行化學(xué)學(xué)科的啟蒙教育，它之所以必不可少，在于它的研究對(duì)象、研究方法和學(xué)生已經(jīng)學(xué)過的物理學(xué)、生物學(xué)，以及不太系統(tǒng)的天文學(xué)和自然地理學(xué)有所不同?；瘜W(xué)以和人類社會(huì)的物質(zhì)生活緊密相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)為主要研究對(duì)象。這里所說的化學(xué)物質(zhì)，不僅包括已經(jīng)存在于自然界的化學(xué)物質(zhì)，還包括自然界并不存在的，由化學(xué)家以現(xiàn)有物質(zhì)為原料制造出來（或可能制造出來）的新物質(zhì)，而且后者的數(shù)量和所能體現(xiàn)的功能可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出前者。所以化學(xué)研究不僅著力于發(fā)現(xiàn)，還致力于創(chuàng)造，最能體現(xiàn)出人類的智慧和創(chuàng)造力！更為令人感到神奇的是，對(duì)于數(shù)量近于天文數(shù)字的化學(xué)物質(zhì)，其組成和結(jié)構(gòu)的研究可以歸結(jié)為對(duì)總數(shù)百個(gè)左右化學(xué)元素性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和反應(yīng)性能的調(diào)控?；瘜W(xué)元素之間的結(jié)合規(guī)律-化學(xué)鍵理論并不復(fù)雜，當(dāng)化學(xué)物質(zhì)的組成比較復(fù)雜時(shí)，組成元素原子之間的空間排布對(duì)原子之間相互作用的影響，化學(xué)結(jié)構(gòu)理論，也不很復(fù)雜?；瘜W(xué)鍵理論和化學(xué)結(jié)構(gòu)理論可以幫助我們認(rèn)識(shí)或預(yù)見化學(xué)物質(zhì)間存在差異性的物理因素，但是至今尚無法對(duì)這種差異導(dǎo)致的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差別做出比較完備而且可靠的判斷或推測(cè)。所以化學(xué)的學(xué)科研究工作中除去理論方法的研究外，無不依賴實(shí)驗(yàn)工作來完成，這是化學(xué)至今仍然是一門實(shí)驗(yàn)性科學(xué)的原因。

基于以上的原因，由于化學(xué)物質(zhì)數(shù)量龐大，反應(yīng)類型雖然屈指可數(shù)，但是反應(yīng)過程及產(chǎn)物卻對(duì)外界條件甚至反應(yīng)物本身的狀態(tài)（例如固體的分散程度、溶液的濃度等）十分敏感，甚至近乎無規(guī)律可循的情況。這從另一個(gè)角度表明了化學(xué)是一門正在發(fā)展中的科學(xué)，是一門基于百十個(gè)化學(xué)元素而作為研究對(duì)象的化合物卻可能達(dá)到1014量級(jí)[6]（目前已知的化合物數(shù)仍在107的量級(jí)）的科學(xué)，因此從組成結(jié)構(gòu)和性質(zhì)間都存在差異的近乎天文數(shù)字的研究對(duì)象中，探索具有普適性的客觀規(guī)律是一項(xiàng)正在進(jìn)行且遠(yuǎn)未完成的艱巨任務(wù)。眾多的機(jī)會(huì)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，意味著化學(xué)是一門正在蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)科學(xué)，也正是化學(xué)引人入勝之處。對(duì)于初學(xué)者而言，涉及的化學(xué)知識(shí)和化學(xué)物質(zhì)并不很多，可是很難做到像初等物理學(xué)那樣依據(jù)為數(shù)不多的基本定律，就可以認(rèn)識(shí)并探究大量相關(guān)的物理現(xiàn)象。這是初等化學(xué)教學(xué)中應(yīng)當(dāng)著重研究和力求解決的問題。也許是為了減輕學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)出現(xiàn)的困惑，很多沒有經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)的、以偏概全或概念模糊的所謂“規(guī)律”，在正式教材中雖然罕見，但在坊間出版的教輔一類學(xué)習(xí)材料之中卻屢見不鮮，甚至于自詡為“應(yīng)試寶典”。這種做法，不僅不能真正解決初等化學(xué)教學(xué)中的困惑，由于模糊了對(duì)化學(xué)學(xué)科任務(wù)和方法的認(rèn)識(shí)，對(duì)于化學(xué)教學(xué)特別是后繼課程的學(xué)習(xí)將會(huì)導(dǎo)致不必要的困擾。把“例外”作為某些“規(guī)律”失效時(shí)的借口和師生們此時(shí)感到尷尬的心態(tài)，只會(huì)留下事與愿違的遺憾。我認(rèn)為在解決這個(gè)問題的過程中，厘清學(xué)科概念和某些規(guī)律的理論或?qū)嶒?yàn)依據(jù)是關(guān)鍵的一步，應(yīng)當(dāng)引起我們的重視。只要我們肯面對(duì)問題，有關(guān)的實(shí)例并不難找到。不要把金屬活潑性和反應(yīng)激烈程度理所當(dāng)然地直接相關(guān)聯(lián)，就是其中的一例。

金屬活動(dòng)性順序在初等化學(xué)中是一個(gè)有趣、而且運(yùn)用時(shí)比較容易得心應(yīng)手的重要知識(shí)點(diǎn)。首先因?yàn)樵刂芷诒碇薪饘僭氐臄?shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非金屬元素，除汞之外，它們的單質(zhì)在通常條件下均呈固態(tài)，可以直接觀察和測(cè)量；其次因?yàn)樗鼈兊柠}溶于水中后大都會(huì)發(fā)生電離，這時(shí)將以離子形式存在。用簡(jiǎn)單的試管實(shí)驗(yàn)，就可以通過A金屬元素的單質(zhì)是否能夠?qū)金屬元素的離子發(fā)生置換反應(yīng)來比較A和B金屬的氧化還原性（或曰金屬活動(dòng)性）的強(qiáng)弱。置換反應(yīng)發(fā)生時(shí)，產(chǎn)物首先沉積在金屬性較強(qiáng)的金屬表面上，底物表面和置換產(chǎn)物的形貌、顏色，甚至于變化過程都可以清晰地觀察到，足以引起實(shí)驗(yàn)者極大的興趣。由此擴(kuò)展得出的包括十幾個(gè)常見金屬元素的金屬活動(dòng)性順序，不僅應(yīng)用起來得心應(yīng)手，讀來更是瑯瑯上口，便于記憶。因而成為初中化學(xué)中最為師生喜愛的一個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

在綜合幾個(gè)典型的金屬置換反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，教學(xué)中把金屬活動(dòng)性和置換反應(yīng)發(fā)生時(shí)的“激烈程度”相關(guān)聯(lián)的做法很普遍，甚至認(rèn)為二者存在必然的相關(guān)性。雖然實(shí)驗(yàn)中確實(shí)可以觀察到金屬鈉和水作用時(shí)的“激烈”和鋅、鐵置換硫酸銅或硝酸銀中的銅或銀時(shí)的“平靜和緩”，以及在和鹽酸作用時(shí)，鋅片上產(chǎn)生氫氣的“激烈程度”可能高于鐵等等。似乎上述的關(guān)聯(lián)并沒有什么問題，反而有利于學(xué)生強(qiáng)化對(duì)金屬活動(dòng)性順序的記憶。但是從化學(xué)學(xué)科概念來看，盡管上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象都是事實(shí)，仍然應(yīng)當(dāng)承認(rèn)這種關(guān)聯(lián)在基本概念上是不存在的，即反應(yīng)激烈程度和金屬化學(xué)活動(dòng)性沒有必然的相關(guān)性。先入為主的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，會(huì)對(duì)后繼學(xué)習(xí)產(chǎn)生負(fù)面的影響。值得引起我們的注意。

從實(shí)驗(yàn)中得出的金屬活動(dòng)性順序，在電化學(xué)完成了對(duì)氧化還原電勢(shì)的理論構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法的規(guī)范化之后，得到了證實(shí)和完善。不僅對(duì)原有順序作了必要的調(diào)整，而且使得一些無法通過簡(jiǎn)單置換反應(yīng)進(jìn)入金屬活動(dòng)性順序的金屬元素找到了它們?cè)谛蛄兄械摹拔恢谩?。此外還可以通過簡(jiǎn)單的計(jì)算確定金屬離子濃度、溫度和介質(zhì)酸堿性對(duì)金屬元素在序列中位置的影響。

氧化還原電勢(shì)的差別，是推動(dòng)電子發(fā)生定向轉(zhuǎn)移的推動(dòng)力，相當(dāng)于初等化學(xué)中所說的“活動(dòng)性”。但是反應(yīng)速率（反應(yīng)激烈程度）卻是由單位時(shí)間內(nèi)氧化劑從還原劑得到的電子數(shù)量決定的。亦即和固態(tài)反應(yīng)物的表面狀態(tài)（包括少量外來或內(nèi)含雜質(zhì)的種類及分布，產(chǎn)物形態(tài)等）有關(guān)，二者并不存在必然的相關(guān)性，例如（還原）鐵粉不僅在酸中能夠迅速溶解，甚至在空氣中可以自燃，改用質(zhì)量相同的鐵片或鐵屑時(shí)，在相同的條件下就觀察不到類似的現(xiàn)象）。和電池放電情況相似，兩極間的電流值的大小是由外電阻的高低決定的。并非電池兩極電勢(shì)差越大，電流值就一定越大。所以應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格區(qū)分決定金屬元素的氧化還原電勢(shì)差的熱力學(xué)因素，和影響反應(yīng)速率的動(dòng)力學(xué)因素。類似的情形在日常生活中也可以找到，由此可見，區(qū)分事物的起因和過程，分別采取不同處理方法的思維訓(xùn)練，有利于提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。三維教育目標(biāo)在此也得以體現(xiàn)。

如果對(duì)于金屬活動(dòng)性順序的認(rèn)識(shí)，僅限于比較金屬單質(zhì)及其離子氧化還原能力的強(qiáng)弱，以及對(duì)給定的置換反應(yīng)是否能夠?qū)崿F(xiàn)做出判斷，是不夠的。它還可以用于無機(jī)制備方案的設(shè)計(jì)，例如利用金屬置換反應(yīng)制備氫氣時(shí)，什么時(shí)候可以選擇水作為氫源，什么時(shí)候可能要用鹽酸或稀硫酸，以及哪些金屬是無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)反應(yīng)的等，都和金屬在活動(dòng)性順序中的位置直接相關(guān)。其次，初中化學(xué)對(duì)金屬單質(zhì)的制備方法是分別進(jìn)行的，如水溶液中實(shí)現(xiàn)的置換法（水法冶金工藝之一）；用碳在高溫下還原金屬氧化物的方法（火法冶金工藝之一）；以及在水溶液或非水溶液中通過電解制備金屬的方法，前者如電解硫酸銅溶液制銅，后者如電解溶于冰晶石熔融液中的氧化鋁制鋁或電解熔融氯化鈉制鈉等（電冶金工藝），大致涵蓋了制取金屬的幾類基本方法。如果把這些個(gè)例和金屬活動(dòng)性順序相關(guān)聯(lián)，不僅可以對(duì)零散知識(shí)進(jìn)行整合，還可以對(duì)這幾種方法還原能力的強(qiáng)弱獲得初步的認(rèn)識(shí)。在遇到那些在金屬活動(dòng)性順序表中沒有列入的金屬元素時(shí)，由制備工藝可以推測(cè)它的活動(dòng)性和表中哪些金屬大致相近；反之，從某個(gè)金屬元素在周期表中的位置，其單質(zhì)的制備方法可以由鄰近元素的制備方法獲得啟示。應(yīng)當(dāng)注意到，在上述制備方法中，電解法是一種普遍適用的方法。電解方法的氧化還原能力源于與化學(xué)物質(zhì)無關(guān)的外加電勢(shì)，它并非來自“天賜”，而是人類智慧的產(chǎn)物?？茖W(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)進(jìn)步的價(jià)值在此體現(xiàn)得最為突出。由此可見，金屬活動(dòng)性順序的學(xué)習(xí)對(duì)氧化還原反應(yīng)的理解應(yīng)用，可以起到以綱舉目張的作用。

5 AB合金的熔點(diǎn)不一定比A金屬和B金屬都低，鋼比鑄鐵更容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕

在初等化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，合金是一個(gè)附屬于金屬概論中的知識(shí)點(diǎn)，要求很低，通常限于初步認(rèn)識(shí)的水平。但是在實(shí)際生產(chǎn)和日常生活中，直接用于生產(chǎn)與生活的純金屬制品很少，合金卻占了主要的份額。所以這又是一個(gè)不可或少的知識(shí)點(diǎn)，而且經(jīng)常出現(xiàn)于作業(yè)之中。

兩種或兩種以上的金屬元素（或以金屬為基添加其他非金屬元素）通過合金化工藝（熔煉、機(jī)械合金化、燒結(jié)、氣相沉積等等）形成的金屬材料叫做合金。有些合金可能只含有一種金屬元素，如鋼（鋼是對(duì)含碳質(zhì)量百分比介于0.02%至2.00%之間的鐵合金的統(tǒng)稱）。

確有很多種合金熔點(diǎn)低于組成金屬單質(zhì)，例如大家熟知的錫鉛合金，但是這不是所有合金的通性。比較合適的說法應(yīng)該是多數(shù)合金熔點(diǎn)低于其組分中任一種組成金屬的熔點(diǎn)。以偏概全的問題，值得注意。

由金屬元素以及金屬元素和部分非金屬元素（如硼、碳和硅）形成的合金相，共有3種基本的形式，即：低共熔體（混合物）、固體溶液和金屬間化合物。三者之中只有形成低共熔體的合金相，才具有熔點(diǎn)低于組成金屬單質(zhì)的特點(diǎn)（例如用于焊絲和熔斷絲制造的錫鉛合金）。當(dāng)組成金屬元素的原子半徑相近，單質(zhì)的晶格相近，組成元素的化學(xué)性質(zhì)相近時(shí)，它們可以形成固體溶液形式的合金相。固體溶液形式的合金相，熔點(diǎn)介乎組成金屬單質(zhì)熔點(diǎn)之間（例如銀銅合金、鉍鎘合金等），其數(shù)值因組成比率而改變。形成金屬間化合物的合金相，熔點(diǎn)往往高于組成金屬的單質(zhì)（銅、鋅組成的黃銅）。最突出的如具有高熔點(diǎn)、高硬度的過渡金屬元素與碳、硼或硅形成的金屬間化合物相（在材料科學(xué)中歸于金屬陶瓷類）。鐵水急冷生成的白口鑄鐵的高硬度和脆性以及碳素鋼的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)高于純鐵，都和其中含有由Fe3C組成的滲碳體相有關(guān)。

合金材料中有的只包含上述3種物相中的一種，包含兩種或三種合金相的金屬材料則更為普遍，所以合金的性質(zhì)雖然和組成中的金屬元素有關(guān)，卻主要決定于它們的相組成和相結(jié)構(gòu)。雖然在敘述上和化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)取決于組成和結(jié)構(gòu)相似，二者卻存在著宏觀與微觀之間的差別。也許二者在探究角度上有相通之處，但是視角與著眼點(diǎn)卻相去很遠(yuǎn)。這是學(xué)習(xí)過初等化學(xué)甚至大學(xué)化學(xué)的學(xué)生，在學(xué)習(xí)材料科學(xué)時(shí)容易感到難以跨越的主要原因。我認(rèn)為在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，包括在作業(yè)中不應(yīng)當(dāng)對(duì)此有所要求，但是不能用簡(jiǎn)單的、以偏概全的結(jié)論來闡述合金的性質(zhì)。作為教師，也許對(duì)與鋼鐵有關(guān)的鐵碳相圖有初步的了解是有益的。這樣在講述鋼鐵的冶煉、基本類別和性質(zhì)時(shí)，比較容易做到恰如其分。

圖2是一張經(jīng)過適當(dāng)簡(jiǎn)化的鐵碳合金相圖。

ABCD曲線上方為鐵與碳形成的液相區(qū)，可以看成是碳在鐵水中的溶解度曲線。通過E點(diǎn)的豎線是鋼和鐵的分界線（此時(shí)碳含量為2.11%）。BC曲線與JEC構(gòu)成的相區(qū)是鐵與碳形成的固體溶液相。當(dāng)C含量為4.30%時(shí)，合金具有最低熔點(diǎn)（1148℃）冷凝時(shí)形成低共熔相，此時(shí)鐵與碳各自形成自己的晶體，前者為相（體心立方晶格），后者為石墨，斷口呈灰白色，即灰口鑄鐵。如果鐵水急冷，上述結(jié)晶來不及完成，得到的是Fe（面心立方晶格）和碳形成的滲碳體（Fe3C）相。因?yàn)闆]有生成石墨相，所以材料斷口呈銀灰色，即白口鑄鐵。過S點(diǎn)豎線的鋼水熔點(diǎn)約1480℃，冷卻至727℃時(shí)，形成和滲碳體兩相共存的共析組織。

相圖內(nèi)容極其豐富，難以盡述。但是至此可以得出一個(gè)結(jié)論，那就是鋼中不存在石墨相，所以在推測(cè)與比較鋼和鐵的電化學(xué)腐蝕時(shí)，不能用含碳量作為依據(jù)，誤認(rèn)為鑄鐵比鋼更容易腐蝕。事實(shí)上鑄鐵比鋼更耐腐蝕，合理的解釋應(yīng)當(dāng)是Fe-Fe3C電對(duì)和Fe-C電對(duì)的差別所致。

有興趣的老師不妨找本金屬學(xué)、煉鐵煉鋼學(xué)一類的教科書或科普小冊(cè)子作為參考。材料的性質(zhì)往往可以通過相組成和相結(jié)構(gòu)來調(diào)制（形狀記憶合金只是一個(gè)例子），這種情況不只限于金屬材料，在陶瓷和高分子材料科學(xué)技術(shù)中都可以找到實(shí)例。有關(guān)思路和改變物質(zhì)的性質(zhì)可以通過改變組成和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的化學(xué)觀點(diǎn)如出一轍，只不過一個(gè)立足于宏觀（材料），另一個(gè)則立足于微觀（原子分子）而已。學(xué)習(xí)科學(xué)和科學(xué)地學(xué)習(xí)有益于提高人的智慧，由此再次得到有力的證明。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳俊明.進(jìn)一步研究和搞好練習(xí)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)思考[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（2）：3～6.

[2]吳俊明，吳敏.為什么要關(guān)注科學(xué)觀念—關(guān)于科學(xué)觀念和科學(xué)觀念教育的思考之一[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（4）：3～6.

[3]吳俊明，吳敏.化學(xué)課程中的科學(xué)觀念教育—關(guān)于科學(xué)觀念和科學(xué)觀念教育的思考之二[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（5）：3～6.

[4]吳俊明，吳敏.元素概念的演變與化學(xué)元素觀的教學(xué)—關(guān)于科學(xué)觀念和科學(xué)觀念教育的思考之三[J].化學(xué)教學(xué)，2014，（6）：3～7.

[5] Philip Ball. What Chemists Want to Know [J]. Nature，2006：500～502.

[6] Jianping Ge，Yongxing，and Yadong Yin. Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals [J]. Angew. Chem. Int. Ed. 2007，（46）：7428～7431.