基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的中學(xué)化學(xué)“能量觀”建構(gòu)策略

王禹超 王后雄

摘要：化學(xué)基本觀念的建構(gòu)是中學(xué)化學(xué)教學(xué)的高層次目標(biāo)，有助于學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中達(dá)到更高的認(rèn)知水平，能為學(xué)生提供有效的化學(xué)學(xué)習(xí)認(rèn)知角度?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階理論，對中學(xué)化學(xué)教學(xué)中“能量觀”的建構(gòu)方式和階段進(jìn)行了研究，緊扣普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，從物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)、微粒的相互作用、微粒的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和情感態(tài)度價值觀四個角度分析了中學(xué)化學(xué)“能量觀”的內(nèi)涵要素，確定了不同學(xué)習(xí)階段的學(xué)生在建構(gòu)上要達(dá)到的進(jìn)階水平，提出了中學(xué)化學(xué)“能量觀”建構(gòu)的教學(xué)策略。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué);學(xué)習(xí)進(jìn)階;能量觀;建構(gòu)策略

文章編號：1008-0546（2019）03-0016-05 中圖分類號：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.03.004

中學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)不但要獲得學(xué)科內(nèi)的知識與能力，還要掌握認(rèn)識化學(xué)和用化學(xué)認(rèn)識世界的方法，因此教師必須要引導(dǎo)學(xué)生建立起化學(xué)基本觀念，而“能量觀”正是其中的重要部分。開展基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的“能量觀”建構(gòu)研究，對于提高化學(xué)學(xué)科理解能力，挖掘化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)涵具有獨(dú)特價值。

一、學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論概述

學(xué)習(xí)進(jìn)階刻畫了學(xué)生在不同時期學(xué)習(xí)同一科學(xué)領(lǐng)域核心概念時的認(rèn)知發(fā)展路徑，能夠表征同一概念在不同認(rèn)知層面學(xué)生具有的表現(xiàn)，與化學(xué)基本觀念的建構(gòu)過程完美契合。2012年美國正式發(fā)布的《K-12科學(xué)教育框架：實踐、通用概念及核心概念》應(yīng)用學(xué)習(xí)進(jìn)階的方式對學(xué)生在不同學(xué)段應(yīng)當(dāng)達(dá)到的目標(biāo)進(jìn)行表征，其目的在于解決科學(xué)教育中“廣而不深”的問題，深化對核心概念的學(xué)習(xí)。

我國的科學(xué)教育也存在類似的“廣而不深”的問題。在化學(xué)當(dāng)中體現(xiàn)最明顯的是初高中和高中與大學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)的銜接問題，而銜接的問題，實際上是前階段學(xué)習(xí)程度不足的體現(xiàn)，更是化學(xué)基本觀念沒有建立的后果。學(xué)習(xí)進(jìn)階的方式能很好地刻畫出中學(xué)生化學(xué)基本觀念建構(gòu)的路徑，契合化學(xué)基本觀念建構(gòu)的要求。

學(xué)習(xí)進(jìn)階的本土化研究對我國的科學(xué)教育意義深刻，尤其是有助于新課程的實施和評價…。從學(xué)生角度來講，學(xué)習(xí)進(jìn)階的方式能夠促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)識發(fā)展，促進(jìn)化學(xué)基本觀念的形成;從教師角度來講，能夠為教師的教學(xué)和評價提供依據(jù);從課標(biāo)和教科書角度來講，有助于其修訂和完善;從科學(xué)素養(yǎng)的角度來講，學(xué)習(xí)進(jìn)階為培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)提供了新視角、新思路和新方法。學(xué)習(xí)進(jìn)階理論可以引導(dǎo)我們將研究和實踐的重心從關(guān)注單課時教學(xué)到關(guān)注單元整體教學(xué)、基于模塊整體的教學(xué)、跨必修和選修、跨年級以及跨學(xué)段的層級發(fā)展，而這對于化學(xué)基本觀念的建構(gòu)非常有利。

二、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的中學(xué)化學(xué)“能量觀”的學(xué)習(xí)進(jìn)階研究

1.“能量觀”的內(nèi)涵要素

化學(xué)基本觀念是化學(xué)科學(xué)的基本認(rèn)識角度和方法，它不是具體的化學(xué)事實、概念或理論，而是以此為基礎(chǔ)抽象概括得到的總觀性認(rèn)識。它的確定要有一定的基本視角，要能夠彰顯化學(xué)學(xué)科的基本特征，內(nèi)在地符合辯證唯物主義和科學(xué)哲學(xué)思想，體現(xiàn)化學(xué)與其他學(xué)科的相關(guān)性，并且適應(yīng)世界科學(xué)教育的發(fā)展趨勢、我國中學(xué)化學(xué)教育的理論和實踐。學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)，如果能夠建立起化學(xué)基本觀念，就可以事半功倍，尤其可以避免因不理解諸多化學(xué)知識的相互聯(lián)系而陷入把化學(xué)當(dāng)成“文科”的誤區(qū)。

“能量觀”是國內(nèi)學(xué)者達(dá)成一致的對化學(xué)基本觀念界定的重要內(nèi)容之一。梁永平教授將中學(xué)化學(xué)“能量觀”凝練成7點(diǎn)要素。徐敏認(rèn)為“能量觀”由“認(rèn)識對象”“認(rèn)識角度”“觀念性認(rèn)識”及“能力表現(xiàn)”四個要素構(gòu)成，且存在一定的結(jié)構(gòu)關(guān)系。簡單地說，“能量觀”就是從能量的視角認(rèn)識化學(xué)。能量滲透在化學(xué)科學(xué)的方方面面，從宏觀到微觀、從物質(zhì)到微粒、從變化到平衡。結(jié)合中學(xué)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，認(rèn)為“能量觀”可以從四個方面認(rèn)識和概括：物質(zhì)的化學(xué)變化、微粒的相互作用、微粒的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和情感態(tài)度價值觀。

（1）物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的能量觀

“物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的能量觀”指物質(zhì)的化學(xué)變化與能量變化的相互關(guān)系。從能量的增減角度看，化學(xué)反應(yīng)分為放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng);從能量轉(zhuǎn)化的方式看，除了化學(xué)能與熱能的相互轉(zhuǎn)化，還有化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化、化學(xué)能與光能的相互轉(zhuǎn)化等?；瘜W(xué)反應(yīng)的發(fā)生受著兩方面的影響，一個是熱力學(xué)因素，一個是動力學(xué)因素：前者決定了反應(yīng)是否能夠發(fā)生、發(fā)生的方向和程度如何，后者決定了反應(yīng)進(jìn)行的快慢。在熱力學(xué)上，中學(xué)生要有總觀性的認(rèn)識，理解熱力學(xué)因素決定了化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的方向和限度：化學(xué)反應(yīng)總是自發(fā)地向著能夠使自身能量更低（即“更穩(wěn)定”）的方向進(jìn)行（包括“焓判據(jù)”和“熵判據(jù)”），熱化學(xué)方程式能夠?qū)瘜W(xué)反應(yīng)的能量變化給予準(zhǔn)確表征;“所有化學(xué)反應(yīng)都是可逆的”，學(xué)生要理解化學(xué)反應(yīng)限度如何受到各因素的影響，建立平衡的思想去認(rèn)識和表征可逆反應(yīng)，明確平衡的建立過程，知道如何打破平衡并預(yù)測平衡被打破后的移動方向。在動力學(xué)上，中學(xué)生要能從數(shù)學(xué)建模的角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)速率的定義，學(xué)會用反應(yīng)中的不同反應(yīng)物和生成物表示同一化學(xué)反應(yīng)的快慢，能用“碰撞理論”解釋化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素。

（2）微粒相互作用的能量觀

“微粒相互作用的能量觀”指對化學(xué)鍵和分子間作用力的認(rèn)識。以H20（由兩個或兩個以上的原子形成的小分子物質(zhì)）為例，H20分子內(nèi)部氧原子和氫原子之間的相互作用是化學(xué)鍵，它們之所以能夠結(jié)合成分子是由于化學(xué)鍵的作用，化學(xué)鍵決定水的化學(xué)性質(zhì);化學(xué)鍵根據(jù)形成過程和構(gòu)成要素的不同，分為離子鍵和共價鍵;共價鍵根據(jù)成鍵方式的不同分為σ鍵和π鍵等、根據(jù)成鍵過程的不同分為一般共價鍵和配位共價鍵等、根據(jù)成鍵電子的偏向分為極性和非極性共價鍵;共價鍵有飽和性和方向性，其基本參數(shù)“鍵長”、“鍵能”、“鍵角”等影響著分子性質(zhì);根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的不同，晶體有著不同的分類，晶胞是研究晶體的經(jīng)典模型。獨(dú)立H2O分子之間的相互作用為分子間作用力，主要指范德華力和氫鍵（這里把“范德華力”和“氫鍵”作為分子間作用力的兩種主要類型），它影響著物質(zhì)的物理性質(zhì)如熔、沸點(diǎn)和溶解性等。

（3）微粒內(nèi)在結(jié)構(gòu)的能量觀

這里的微粒主要指原子。原子是由原子核和核外電子構(gòu)成的，兩者電性相反，相互吸引;核外電子的排布是有規(guī)律的，受能量最低原理的影響，按照能級分布排列，電子的失去是從能量最高的電子開始的，核外電子的躍遷會吸收或放出光子。電子云模型是認(rèn)識核外電子的運(yùn)動狀態(tài)的理想模型。原子軌道雜化理論和價鍵理論能夠共同解釋原子在形成多原子分子過程中電子排布的變化。

（4）情感態(tài)度價值觀的能量觀

這里主要結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)中“情感態(tài)度與價值觀”的目標(biāo)進(jìn)行探討。中學(xué)生要認(rèn)識到能量的利用對于人類的重要性、化學(xué)在能量利用上的重要性：化學(xué)可以簡化能量利用的方式，提高能量利用效率，如將傳統(tǒng)的化學(xué)能一熱能一機(jī)械能一電能路徑轉(zhuǎn)變?yōu)槔迷姵匮b置實現(xiàn)化學(xué)能一電能的一步轉(zhuǎn)化路徑;能量的錯誤利用會對自然環(huán)境和人類生活帶來負(fù)面影響，化學(xué)在解決環(huán)境問題上起著關(guān)鍵作用;控制化學(xué)反應(yīng)速率和平衡對于工業(yè)生產(chǎn)和人類生活有重大意義。

2.“能量觀”的學(xué)習(xí)進(jìn)階

圍繞上述對“能量觀”的分析，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論從物質(zhì)的化學(xué)變化、微粒的相互作用、微粒的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和情感態(tài)度價值觀四個角度進(jìn)行了“能量觀”建構(gòu)的研究。學(xué)生在“能量觀”的認(rèn)知層面發(fā)展上主要是從“知道”和“了解”某概念、理論，到“理解”相應(yīng)原理，再到“運(yùn)用”該理論進(jìn)行“解釋”和“預(yù)測”，思維層級逐漸上升，為后續(xù)更深層次或更高概括性理論和模型的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)人教版教材的安排順序，結(jié)合中學(xué)化學(xué)課標(biāo)的要求劃定了不同學(xué)習(xí)階段中學(xué)生應(yīng)學(xué)習(xí)的核心知識，及在該階段應(yīng)達(dá)到的建構(gòu)水平，如表1、表2、表3、表4。

三、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的中學(xué)化學(xué)“能量觀”教學(xué)策略

1.縱觀全局，跨越學(xué)段設(shè)計教學(xué)

想要在教學(xué)中幫助學(xué)生建立起“能量觀”，首先需要教師自身對化學(xué)基本觀念、對“能量觀”有深刻的認(rèn)識，深入理解其內(nèi)涵及與其相關(guān)的中學(xué)化學(xué)教學(xué)內(nèi)容;其次要有幫助學(xué)生建構(gòu)的自發(fā)意識，將觀念建構(gòu)融入教學(xué)目標(biāo)，將“能量觀”融入教學(xué)內(nèi)容，對學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo);再次要站在宏觀教學(xué)角度關(guān)注“能量觀”，教學(xué)設(shè)計不要只針對某一課時、某一單元，而要針對整個高中階段進(jìn)行2-3年的整體教學(xué)設(shè)計和規(guī)劃，再細(xì)化到具體學(xué)年、學(xué)期、單元和課時;最后要將工作落在實處，不能只呈現(xiàn)在教師的教學(xué)思想中，而要在教學(xué)設(shè)計和實際教學(xué)工作中貫徹執(zhí)行。

如引導(dǎo)學(xué)生“從能量觀認(rèn)識微粒的相互作用”時，教師設(shè)計教學(xué)要充分考慮到學(xué)生對化學(xué)鍵學(xué)習(xí)的逐級進(jìn)階，注意不同層次之間的銜接完整。第一階段“初識”，學(xué)生通過感知和解釋化學(xué)反應(yīng)帶來的能量變化，認(rèn)識到化學(xué)鍵的存在、不同的原子可能形成不同的化學(xué)鍵，它們對化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生著重要影響;第二階段“理解”，通過學(xué)習(xí)電子云模型，形成對共價鍵本質(zhì)的認(rèn)識，理解共價鍵其實是原子之間的共用電子對，且不同的原子軌道會形成形狀不同的共價鍵--盯鍵和π鍵;第三階段“深化”，將化學(xué)鍵與晶體的模型認(rèn)知結(jié)合，理解不同原子之間化學(xué)鍵的多樣性，多樣的化學(xué)鍵形成多樣晶體結(jié)構(gòu)和類型，不同類型晶體的性質(zhì)受共價鍵、晶格能、金屬鍵等因素的影響。

2.逐層遞進(jìn)，明晰位置厘清目標(biāo)

在實際教學(xué)中，教師經(jīng)常會為了趕年級的整體教學(xué)進(jìn)度而省略某些教學(xué)過程，但觀念建構(gòu)的教學(xué)在過程上是不能省略的。“能量觀”的建構(gòu)并非一朝一夕之事，必須循序漸進(jìn)、逐層進(jìn)階。因此，在整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，要時刻明確目前所處階段在總體規(guī)劃中的位置，明確學(xué)生的認(rèn)知層次和認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，不能盲目拔高也不能停滯不前。這也是學(xué)習(xí)進(jìn)階意義所在，能夠作為進(jìn)度的參考依據(jù)，讓教師明確自己的教學(xué)、學(xué)生已有的“能量觀”在整體中所處的位置，以便教師厘清本階段教學(xué)的目標(biāo)，避免發(fā)生產(chǎn)生“斷層”或“跳級”現(xiàn)象。

3.緊扣本質(zhì)，利用沖突引導(dǎo)進(jìn)階

教師要增進(jìn)化學(xué)學(xué)科理解，緊緊抓住“能量觀”的本質(zhì)，洞悉“能量觀”上升的階梯，選擇合適的上升方法。對于同一概念進(jìn)行進(jìn)階的學(xué)習(xí)時，要讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知上的沖突。一方面，學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖動，能夠內(nèi)在地意識到自己的概念理解需要升級，增進(jìn)學(xué)習(xí)動力;另一方面，在進(jìn)行升級學(xué)習(xí)時，沖突能夠幫助學(xué)生充分認(rèn)識低層次與高層次的差距所在，自發(fā)地找到并“登上臺階”。

如在難溶電解質(zhì)溶解平衡的教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生將沉淀溶解過程用化學(xué)平衡的思想進(jìn)行模型建構(gòu)。教師進(jìn)行演示實驗，對比含硫酸鋇沉淀的濁液與純水的導(dǎo)電性，學(xué)生預(yù)測現(xiàn)象時認(rèn)為所謂的“沉淀”就是完全不溶于水的，兩者導(dǎo)電性應(yīng)該相同，但實驗后發(fā)現(xiàn)前者導(dǎo)電性更佳，沖突產(chǎn)生;之后逐步引導(dǎo)學(xué)生從平衡移動的角度理解沉淀的溶解、生成和轉(zhuǎn)化。這樣一來，學(xué)生加深了對平衡和化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的理解，在“能量觀”上更進(jìn)一步。

4.思維外顯，超越具體概念認(rèn)知

學(xué)生具有怎樣的表現(xiàn)才是達(dá)到了“能量觀”建構(gòu)的相應(yīng)進(jìn)階目標(biāo)，怎樣進(jìn)行教學(xué)才能幫助學(xué)生更好地建構(gòu)和進(jìn)階，這些問題需要有科學(xué)的評價體系提供參考依據(jù)、需要能夠清楚地認(rèn)識到學(xué)生已達(dá)到的進(jìn)階水平。因此，在教學(xué)中必須讓學(xué)生的思維外顯，不能只看到學(xué)生“學(xué)會了”哪些具體概念，而是要通過問答，讓學(xué)生顯露出自己的思維過程，方便教師進(jìn)行診斷性教學(xué)。

如面對問題“CO2、NaCl、SiO2的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)分別由什么決定？”，教師要讓學(xué)生給出答案，并“說出”得到相應(yīng)答案的原因。學(xué)生很容易便能夠正確判斷出三者的化學(xué)性質(zhì)依次取決于共價鍵、離子鍵和共價鍵，原因是三者內(nèi)在的微粒構(gòu)成分別為原子、離子和原子，對應(yīng)的相互作用分別為共價鍵、離子鍵和共價鍵;而物理性質(zhì)上，學(xué)生可能會給出錯誤答案“三者物理性質(zhì)均取決于分子間作用力”，解釋是“分子間作用力決定物理性質(zhì)”。經(jīng)過這樣的思維過程外顯，教師發(fā)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知上的偏差主要在于沒有理解微粒相互作用在化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)上產(chǎn)生影響的方式。學(xué)生關(guān)于二氧化碳的判斷和解釋沒有問題，而氯化鈉物理性質(zhì)的決定因素和化學(xué)性質(zhì)一樣也是離子鍵，錯誤原因在于沒有“看到”氯化鈉宏觀物理變化下的微觀變化，氯化鈉融化時，在微粒層面上的變化也是離子之間的相互作用，并沒有分子的存在，決定因素依然是離子鍵;二氧化硅雖然和二氧化碳一樣是酸性氧化物，但卻沒有和二氧化碳類似的“小分子”，而是所有原子都通過共價鍵相連接，物理變化的過程中破壞或生成的是共價鍵，因此其物理性質(zhì)也取決于共價鍵。這樣的“言語報告法”能讓教師準(zhǔn)確抓住學(xué)生的思維漏洞，找到錯誤根源，針對性地進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生獲得超越具體概念認(rèn)知的思維提升。

5.注重評價，促進(jìn)教、學(xué)、評一體化

化學(xué)學(xué)習(xí)評價的根本目的是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的主動、全面發(fā)展，在“能量觀”的建構(gòu)上，適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)評價顯得彌足珍貴。教師要把教、學(xué)、評相結(jié)合，以教促學(xué)、以學(xué)定評、以評改教。教學(xué)要從知識解析為本轉(zhuǎn)向促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識發(fā)展為本，在促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的過程中不斷地進(jìn)行評價;創(chuàng)設(shè)真實問題情境，運(yùn)用多樣化的評價方式，在情景中進(jìn)行教學(xué)評價;積極探索和實踐“教、學(xué)、評”一體化，將評價常規(guī)化、滲透化，任何一個教學(xué)單元無論是學(xué)期、單元還是課時乃至知識點(diǎn)，都要伴隨著對應(yīng)的教學(xué)評價，任何一個教學(xué)過程不論形式和規(guī)模都要滲透著教學(xué)評價。

四、結(jié)語

中學(xué)化學(xué)教學(xué)中滲透化學(xué)基本觀念的建構(gòu)勢在必行，從學(xué)習(xí)進(jìn)階的角度進(jìn)行探討、研究和教學(xué)是一個相對有效的思路，但體系上還不夠成熟?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階進(jìn)行“能量觀”的建構(gòu)不但需要理論上的研究和探討，還需要教師努力將其落實到教學(xué)實踐，真正讓學(xué)生受益。