吳聲文
特級教師程同森曾說,“沒有基本觀念統(tǒng)領的知識教學是把‘種子磨成‘面粉的教學”,“觀念為本”的教學“具有超越課堂之外的持久價值”?;瘜W基本觀念是指學生通過具體化學知識學習后在頭腦中建立起來的概括性認識,是學生若干年后,將許多事實性知識忘掉,還在頭腦中留存下來的觀念、思維和方法。[1]
高中化學蘇教版《必修2》專題一中“微粒之間的相互作用力”這一單元充分體現(xiàn)了中學化學重要的元素觀、微粒觀、變化觀和分類觀。它折射出化學動態(tài)的外在美和奇妙的內(nèi)在美,其中不僅蘊含著“簡單孕育復雜”的哲學思想,更是“結構與性質(zhì)的因果關系”“真理相對性和絕對性辯證統(tǒng)一”“人與自然和諧發(fā)展”的精彩演繹。那些看似簡單的元素和簡單的作用方式不僅讓自然界處處閃爍著化學的光芒,也讓人類充分發(fā)揮化學創(chuàng)造的魅力,不斷把自然界“自在之物”改造成“為我之物”,開辟出充滿創(chuàng)意的“嶄新世界”。
筆者就“微粒之間的相互作用力”這一單元的復習課談談如何幫助學生建構化學基本觀念。
一、生活中捕捉“微粒觀”
問題1:生活中常常遇到下列現(xiàn)象,有想過原因嗎?
(1)走入公園,能聞到花香。
(2)在潮濕的環(huán)境中,接觸電源會觸電。
深入思考:物質(zhì)是由哪些微粒構成的?生活中還有哪些現(xiàn)象可以作為你的證據(jù)?
問題1培養(yǎng)學生用化學的眼光去看待周圍世界,用宏觀入微觀的方法揭示萬般現(xiàn)象深處的本質(zhì)原因,用大膽想象和抽象思維揭示生活中熟悉現(xiàn)象背后的“微粒觀”,從而感悟由微小的粒子個體構造出的絢爛多姿、無窮變化的宏觀天地。
二、物質(zhì)世界中感受“元素觀”
問題2:利用H、C、N、O、Na元素組成符合下列要求的物質(zhì):
(1)只含有離子鍵的物質(zhì);
(2)只含有共價鍵的化合物;
(3)既含離子鍵又含共價鍵的物質(zhì);
(4)含有分子間作用力的單質(zhì)。
深入思考:這五種元素還可以構成哪些其他類別的物質(zhì)?
問題2不僅讓學生厘清了微粒間相互作用的種類、特點及形成的晶體類型,而且還強烈感受到了物質(zhì)世界中簡潔、普適、深刻的“元素觀”。學生能夠輕松地羅列出這五種元素構成的各種物質(zhì),但在這過程中,如果教師適時引導:“由這五種元素總共可以形成多少種物質(zhì)呢?”學生猛然間會發(fā)現(xiàn),僅由上述五種元素實則可以形成上萬種物質(zhì),特別是由碳構成的有機物,是一個龐大的家族,不僅在種類上多,而且在結構上也可能是異常復雜的。自然界中還有一百多種元素,依此形成的物質(zhì),可想而知是不計其數(shù)!這是多么完美的一幅“道生一,一生二,二生三,三生萬物”的演繹圖景。人體正是由簡單的元素最終形成復雜生命現(xiàn)象的代表?!昂唵卧杏龔碗s”的哲學思想在此展現(xiàn)得如此淋漓盡致!當我們再把目光投射到生活生產(chǎn)中,就會發(fā)現(xiàn):由于五種元素間相互作用方式存在差異,組成物質(zhì)的性質(zhì)不盡相同,對應的使用價值也就各有不同。這一因果關系正是化學思維中“結構決定性質(zhì)”的映射。
三、“電子式”中透視“分類觀”
問題3:書寫下列幾種物質(zhì)的電子式:
NaCl、MgCl2、NaOH、H2O、HCl、Cl2、O2
思考:(1)電子式書寫要遵循哪些規(guī)則?能否就上述每種電子式的類型,列舉與之相似的物質(zhì)?
(2)根據(jù)電子式,總結離子鍵和共價鍵在成鍵元素、成鍵微粒、成鍵本質(zhì)、存在物質(zhì)類別上的區(qū)別?
(3)電子式在表示上述物質(zhì)時,有哪些優(yōu)點,又會存在什么樣的缺點?
從宏觀、微觀和符號三種水平上認識和理解化學知識,并建立三者之間的內(nèi)在聯(lián)系,從而形成化學學科特有的思維方式,我們稱之為三重表征思維方式。電子式本質(zhì)上即為化學符號。因此在這個環(huán)節(jié)讓學生書寫電子式有利于進一步理解兩種化學鍵的不同本質(zhì),同時又進行思維發(fā)散。學生通過枚舉,將一種物質(zhì)的電子式遷移延伸至多種物質(zhì),雖是不完全歸納,但在嘗試總結幾類常見電子式模式的思維加工中,訓練了類比和歸納能力。電子式的優(yōu)點是可以直觀地看到不同化學鍵中成鍵元素、構成微粒、作用方式的區(qū)別。正是存在這些不同,我們有必要對化學鍵進行分類,分類是化學家研究物質(zhì)的基本思想,它使紛繁復雜的物質(zhì)世界變得有序而有趣。分類后又需要對其進行區(qū)別表征,電子式的產(chǎn)生也就理所當然了。既然電子式是一種區(qū)分化學鍵的方法,故在書寫時,先要判斷該物質(zhì)所屬類別,避免離子與原子混用的錯誤,同時還要注意微粒的排布、陰陽離子的寫法、是否符合穩(wěn)定結構或成鍵規(guī)則等。
四、化學鍵中洞悉“變化觀”
問題4:以NaCl、HCl、Cl2為例,說明這些物質(zhì)在形成過程中,元素的最外層電子排布分別發(fā)生了怎樣的變化?找出三者之間的相同點和不同點?
三種元素在形成上述物質(zhì)的過程中存在的相同點是:外層電子都趨向于形成八(或二)電子結構。這是一種穩(wěn)定結構狀態(tài),在自然界中就存在著,即稀有氣體。正是這一穩(wěn)定結構,決定了它們特殊的性質(zhì),也是它們成為空氣中最不易被發(fā)現(xiàn)成分的原因之一。
在描述不同點時,氯化鈉是學生最熟悉的,它的形成過程是由于電子的得失;氯化氫則是共用電子對的典型代表,但電子對存在偏移現(xiàn)象;再看氯氣,分子中兩原子卻能均等地共享電子對。若用圖1對比三種物質(zhì)的形成過程,竟然僅是電子的運動方式由最平和的一端走向最劇烈的一端,這讓學生不可思議地“看”到了電子在非極性共價鍵向極性共價鍵,最后到離子鍵的演變過程,隱隱中感覺到一股“量變終究導致質(zhì)變”的沖破力量。
如果此時教師能夠適時引導,可以起到更有效地幫助學生形成“變化觀”和“量變質(zhì)變觀”的作用。教師可以進行如圖2闡述:
由圖2得知,電子從均等共享的極端形式A點(非極性鍵),漸變到電子對發(fā)生偏移的B區(qū)間(極性鍵,除A點外),最后過渡到另一極端形式,理論上稱電子得失(事實上,在自然界中并不存在)。在C區(qū)間,電子對偏移程度都超過一定的臨界,我們?nèi)藶榈囟x這樣的化學鍵為離子鍵。所以,離子鍵只不過是電子的偏移方式到了某一程度的結果,正如量的不斷積累必然會引起質(zhì)的飛躍。從鍵的極性看,離子鍵可以看成是最強的極性鍵。而在漫長的量變過程中,皆處于共價鍵階段,故它是自然界中更普遍存在的一種形式,前者不過是特例而已。當然,學生今后有機會學習到《物質(zhì)結構與性質(zhì)》時,便更能深刻地體會到圖2中的橫坐標應是電負性差,共價鍵與離子鍵的分界(E點)是1.7,離子鍵和共價鍵之間并沒有絕對的界限,他們所熟悉的氯化鈉中,鍵的離子性百分數(shù)也僅占了70%而已。可以說自然界中有絕對的共價鍵,卻不存在絕對的離子鍵。接下來,教師可以把學生所知的物質(zhì)都納入到圖2中,促進學生整體性知識的形成。endprint
深入思考:(1)根據(jù)這一原理,大家能否列舉屬于A點、B區(qū)間、C區(qū)間的其他物質(zhì)?并說明有什么規(guī)律?
(2)能否利用元素周期律說明HF、CsCl在坐標中的大致位置,并說明原因。
以A點為例,一開始,學生會列舉N2、O2、H2、Br2等,教師只需一點撥“這些物質(zhì)有什么特點”,學生隨即恍然大悟:原來都是非金屬單質(zhì),正是相同的兩種元素爭奪電子的能力相同才造成電子對的均享。這樣,在列舉B區(qū)間的物質(zhì)時,學生不再圍繞具體的物質(zhì),而是直接總結出“由不同元素構成的電子對發(fā)生偏移的共價鍵”,跨過E點之后就是活潑金屬與活潑非金屬構成的離子化合物,還有銨鹽、強堿、含氧酸鹽等少數(shù)物質(zhì)。HF處在B區(qū)間,由于F的非金屬更強,故在HCl的稍右邊。同理,CsCl在C區(qū)間NaCl的右邊。學生在體會到根據(jù)元素周期律還可以分析出每種物質(zhì)在圖中的位置的同時,還會嘗試著列舉出其他物質(zhì)在坐標上的位置。雖然學生在此處還未接觸到金屬鍵的知識,今后還需要在細節(jié)上進行修正完善,但以上的學習經(jīng)歷并不妨礙學生體驗感知—抽象—歸納—演繹的思維加工過程,終會形成獲取科學知識的有效手段,并發(fā)展出積極的情感。
上述過程不僅是“變化觀”“個別到一般”“元素周期律”中“量與質(zhì)統(tǒng)一”的揭示,更是讓學生體驗整體性知識建構的過程。世界是整體的,我們的教育也要是整體的。教師要有意識地將學生的理解建構到“大概念”中,以確保學生獲得關于世界的認識不是一些支離破碎、無關事實的集合體,而是一些彼此聯(lián)系的組件所構成的整體。事實上,兒童的稟賦是人在自然中經(jīng)漫漫歲月、千錘百煉、演化得了的珍貴特質(zhì),天生具有辨認復雜事物之特征的高度能力,善于從復雜事物中抓取特征、辨認異同,慣于整體聯(lián)系地把握每種現(xiàn)象的規(guī)律。[2]如果我們再用碎片式的教學去發(fā)展所謂的“文明能力”真是罪過了。
五、“微粒間作用力”發(fā)展“化學價值觀”
(一)生活生產(chǎn)中借助“微粒間相互作用”
問題5:氯化鈉和水在性質(zhì)上有哪些異同點?并說明原因。
這是讓學生應用“結構決定性質(zhì)”的觀點解釋“化學鍵、分子間作用力對物質(zhì)性質(zhì)的影響”,是用“化學價值觀”看待書本知識與生活生產(chǎn)和自然現(xiàn)象的聯(lián)系。由于離子鍵的存在,氯化鈉的熔沸點異常高,而水凝聚態(tài)的變化只需克服分子間作用力(包括氫鍵),故熔沸點相對低。這個區(qū)別成為人類從海水中獲取食鹽和淡水的重要原理。氯化鈉在熔融狀態(tài)下能導電,水卻不能,這個差異成為鑒別離子化合物與共價化合物的實驗依據(jù)。像氯化鈉這類離子化合物能夠在水中電離而使溶液具備導電能力,既是工業(yè)上電解水時尋找合適電解質(zhì)的啟示,又是課堂伊始關于“手觸摸電源會導電”的再次論述。至于氯化鈉與水的共同點,則歸結于化學鍵強烈的作用力,二者分解溫度均異常高,這一事實指導著我們只能用電解法從水或氯化鈉中獲取相應的單質(zhì)。當學生看到生活生產(chǎn)中許多現(xiàn)象都“事出有因”時,他們會對化學知識充滿興趣,由此產(chǎn)生了持續(xù)的學習動力。
(二)生物圈依賴于微粒之間的相互作用力
問題6:(1)地球的巖層中有二氧化硅、硅酸鹽;地球的表層有水;地球的大氣層有空氣……這些物質(zhì)經(jīng)歷了上億年歷史變遷而巋然不動,成為地球上鮮活生命綻放的無機環(huán)境,請解釋這些物質(zhì)穩(wěn)定存在的原因?
(2)水熔沸點比相同類型分子高,這為依附于地球的生物體提供了寶貴的水源。你知道水中這種奇妙的力量是什么嗎?你能說明它對整個生物圈的意義嗎?
通過這兩個問題,讓學生感受到本節(jié)課內(nèi)容對自然界物種存在、對整個生物圈的維持起著舉足輕重的作用。一方面,地球上至大氣層,下到地表層,它們的組成成分都存在微粒間的相互作用,這些作用使天上和地上的物質(zhì)共同目睹了地球的滄海桑田而安然無恙,又維持著穩(wěn)定的無機環(huán)境,最終孕育出枝繁葉茂的“生命樹”。學生既被這些作用感動著,又領悟到“天上”的物體與“地上”的物體竟然遵循著同樣的規(guī)律,天地達到了統(tǒng)一,自然界質(zhì)樸的統(tǒng)一與和諧之美原來就暗藏于此。更叫人驚訝的是,氮氣能夠經(jīng)受住人類精密設計的高強度設備的轟擊,卻耐不住低等固氮菌“簡易工具”的侵蝕,這是怎樣的“一物降一物”的游戲規(guī)則!那么堪稱生物界中最高等的人類如何才能攻破嗤之以鼻的低等菌類隱藏的秘密呢?反過來,人類建筑能否仿照化學鍵而達到堅不可摧呢?如果能做到,那么2008年的汶川大地震就會有許多同胞幸免于難!一種崇高的使命感在學生內(nèi)心油然而生。“潤物細無聲”的情感滲透才能讓教育成為“一個靈魂喚醒另一個靈魂”的光輝事業(yè)。在此學生也再次體驗了“有用的化學”,即化學世界的真實性(“化學價值觀”)。
另一方面,水分子之間存在的奇妙力量正是氫鍵,它鏈接起DNA、蛋白質(zhì)等重要生命物質(zhì)的骨架。可以說,“沒有氫鍵就沒有生命”。它是地球的“美容師”,描繪著生命的藍圖。沒有它,就沒有藍色的海洋、綠色的樹木、金燦的瓜果,也沒有世代繁衍、生生不息的動物世界,所有的一切生命現(xiàn)象都是來自氫鍵的造化。與化學鍵相比,氫鍵看似如此弱小,但正是這種微妙的作用方式,毅然撐起了生命體,撐起了整個生物圈,自然界竟是如此不可思議!
當學生在課后追問:“碘元素和硫元素的電負性相同,兩者若形成共價鍵,屬于極性還是非極性?”“氫和氟兩種元素的電負性差大于1.7,為什么形成的化學鍵屬于共價鍵?”“為什么元素組成化學鍵時,更普遍地以共價鍵的形式存在?”那么,在化學教學中,教師可以借助化學觀帶領學生去探知隱藏著無窮無盡奧秘的自然界,讓課堂充滿理性、流動思想、發(fā)展情感,最終叩響學生的心靈。
化學基本觀念反映的是化學科學體系中的靈魂和精神,成功地落實化學基本觀念教學不是空話連篇、空中樓閣,它是在原來教學的基礎上,站得更高一層,以學科知識為載體、以學生活動為形式、以引發(fā)思維為過程,在教師引領之下,通過化學知識的理解運用,自覺地建構化學基本觀念。
參考文獻:
[1] 曾國瓊.將化學觀念的培養(yǎng)融入到《有機化學基礎》教學中[J].中學化學教學參考,2013(10):10-14.
[2] 約翰·霍特.孩子是如何學習的[M].北京:京華出版社,2010:159.endprint