基于學(xué)生認知障礙的化學(xué)概念教學(xué)

周體紅

[摘 ? 要]先概括學(xué)生對“物質(zhì)的量的單位——摩爾”形成認知障礙的原因，再基于學(xué)生的認知障礙設(shè)計概念教學(xué)，以降低概念認知難度的同時發(fā)揮“物質(zhì)的量”在化學(xué)計量中的宏微橋梁作用。

[關(guān)鍵詞]認知障礙;物質(zhì)的量;摩爾;概念教學(xué)

[中圖分類號] ? ?G633.8 ? ? ? ?[文獻標(biāo)識碼] ? ?A ? ? ? ?[文章編號] ? ?1674-6058（2020）26-0056-02

物質(zhì)的量的學(xué)習(xí)對學(xué)生而言是難點，在教學(xué)這一概念時，教師容易將其當(dāng)成事實性知識呈現(xiàn)，先讓學(xué)生識記眾多的概念和公式，再通過大量練習(xí)來達到應(yīng)用公式的目的。本文以破解學(xué)生的認知障礙為目的，思考如何有效開展“物質(zhì)的量的單位——摩爾”的教學(xué)，以期與同行們共同探討。

一、學(xué)生認知障礙形成的原因

1.學(xué)生認知因素

其一，化學(xué)作為從分子、原子層面研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化的一門學(xué)科，微觀認識視角是重要的學(xué)科特征。初三課程的設(shè)置重基礎(chǔ)性和啟蒙性，從具體的課程內(nèi)容來說，認知視角主要以宏觀為主，很少從分子、原子、離子的角度去認識物質(zhì)，這勢必會導(dǎo)致學(xué)生的微觀認知和微觀意識薄弱。物質(zhì)的量是微觀認識視角的深度學(xué)習(xí)，若學(xué)生對微觀粒子質(zhì)量小、數(shù)量大沒有感性認知，必將無法順利建構(gòu)物質(zhì)的量的學(xué)習(xí)意義，形成認知障礙。

其二，認知以宏觀為主還會導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)方法以識記為主、理解為輔，而且這種學(xué)習(xí)方法在初中化學(xué)考試中屢試不爽。這使得學(xué)生進入高中后，仍偏重識記物質(zhì)的量的相關(guān)概念和符號，而忽視概念誕生的意義和推演過程。

其三，初中化學(xué)教學(xué)中滲透“宏觀—微觀—符號”三重表征的思維方式較少，用符號來表征物質(zhì)的量、摩爾、阿伏加德羅常數(shù)、摩爾質(zhì)量及等量關(guān)系對學(xué)生來說是重大的挑戰(zhàn)。

2.概念定義因素

“物質(zhì)的量”和“摩爾”在中文語系里晦澀生僻?！拔镔|(zhì)的量”來自于英文“the amount of substance”的翻譯，在漢語語言習(xí)慣中顯得比較別扭，加之教師一開始就強調(diào)“物質(zhì)的量”這樣一個專有名詞不能分開理解成物質(zhì)的質(zhì)量和物質(zhì)的數(shù)量，更讓學(xué)生摸不著頭腦。例如，H2O的物質(zhì)的量為3 mol，O2的物質(zhì)的量為2 mol相應(yīng)的英文表述為：The amount of H2O is 3 mols.The amount of O2 is 2 mols.中文之所以別扭是因為同語重復(fù)，顯然在上述英文例子中H2O 和O2 就是“物質(zhì)的量”中的“物質(zhì)”，英文中amount的意義已經(jīng)不是簡單的數(shù)量，而是“集合體”或者“堆”的多少，因此可以將“物質(zhì)的量”理解成“堆量”。而“摩爾”作為物質(zhì)的量的單位未曾在中文里出現(xiàn)，也給學(xué)生造成了困擾。教學(xué)中教師有必要講清楚“摩爾”來自于拉丁語中的“mole”，其拉丁語的含義為“大量、堆”，音譯成中文為“摩爾”，因此可以將“摩爾”理解成“堆”的意思，這恰好和將“物質(zhì)的量”理解成“堆數(shù)”相呼應(yīng)。

3.教師自身因素

（1）忽略概念的起源和發(fā)展

一個概念或者物理量的誕生有其特定的歷史背景，了解概念產(chǎn)生的背景，有助于理解概念的價值。絕大多數(shù)師范院校沒有開設(shè)化學(xué)史相關(guān)課程，這必將導(dǎo)致教師不關(guān)注化學(xué)概念的起源、演變與發(fā)展。具體就“物質(zhì)的量”而言，絕大多數(shù)教師不知道“摩爾”和“物質(zhì)的量”產(chǎn)生的先后順序，不知道“摩爾”一詞首次出現(xiàn)的作用，不知道阿伏加德羅對化學(xué)發(fā)展的貢獻，不知道阿伏加德羅常數(shù)定義中選擇12C的原因，甚至認為阿伏加德羅常數(shù)是阿伏加德羅測定的。歷史發(fā)展中“摩爾”一詞先于“物質(zhì)的量”出現(xiàn)，它們出現(xiàn)的先后順序代表了人類認知發(fā)展的過程，因此教學(xué)時教師可以先講“摩爾”（堆）再講“物質(zhì)的量”（堆數(shù)）來降低學(xué)生認知的難度。

（2）忽視概念教學(xué)的原則和方法

教師在概念教學(xué)中容易墨守成規(guī)，甚至認為最有效的辦法就是去記憶和練習(xí)。具體表現(xiàn)如下： 讓學(xué)生記住數(shù)值和符號，不關(guān)注阿伏加德羅常數(shù)的來歷;讓學(xué)生直接記住公式，不推演n、NA、N的關(guān)系;讓學(xué)生直接記住以g/mol為單位時摩爾質(zhì)量的數(shù)值等于其相對分子（原子）質(zhì)量，不關(guān)注選擇12C的原因;不管學(xué)生能否理解引入“物質(zhì)的量”的功能，直接讓學(xué)生記住[N/NA=n=m/M]，然后生硬地補充一句“物質(zhì)的量是連接宏觀和微觀的橋梁”。

心理學(xué)理論認為，學(xué)生學(xué)習(xí)概念大致包含五個階段：感知階段、加工階段、初步形成階段、聯(lián)系整合階段、應(yīng)用階段。教師直接把概念呈現(xiàn)給學(xué)生，實質(zhì)是剝奪了學(xué)生的感知加工過程，這無疑增加了學(xué)生的認知負擔(dān)。因此，只有讓學(xué)生感知微觀粒子數(shù)目龐大以及集合計數(shù)的思想，才能理解“摩爾”引出的意義和物質(zhì)的量概念中“堆量”的屬性;只有感知微觀粒子質(zhì)量小以及將一定數(shù)量整合在一起便于稱量，才能理解“摩爾質(zhì)量”的意義，最終才能整合加工數(shù)量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，理解物質(zhì)的量的功能。

二、基于學(xué)生認知障礙的化學(xué)概念教學(xué)設(shè)計

1. “集合”計數(shù)思想的形成

將“退避三舍”“半斤八兩”“錙銖必較”引入課堂，講解“舍”“斤”“錙”“銖”等字的意義，讓學(xué)生初步感知“集合”計數(shù)思想。分析單質(zhì)C的組成，告訴一個12C原子的質(zhì)量，計算12 g 12C所含有的C原子數(shù);分析水的組成，告訴一個水分子的質(zhì)量，計算18 g 水所含有的H2O 分子數(shù)。讓學(xué)生將計算的結(jié)果用通常的數(shù)字表示形式書寫并讀數(shù)，然后教師再形象地講解6.02 ×1023有多大。而引導(dǎo)學(xué)生分析套用集合思想計數(shù)微觀粒子的關(guān)鍵是：將6.02 ×1023（龐大的數(shù)字）看作一個整體，稱為1（單位）。

設(shè)計意圖：引用成語典故并滲透集合計數(shù)思想，提升概念引入的趣味性;引導(dǎo)學(xué)生分析物質(zhì)由微觀粒子組成，感知宏觀可稱量的物質(zhì)所包含的微觀粒子數(shù)目龐大，再套用集合計數(shù)思想引出摩爾和計算12 g ?12C的原子數(shù)來引出阿伏加德羅常數(shù)，讓學(xué)生的認知順理成章。

2.由“堆”引出“摩爾”和“阿伏加德羅常數(shù)”

先用“堆”來作為集合計量的單位，講解摩爾的來歷，讓學(xué)生更容易接受“摩爾”這個單位;再讓學(xué)生順勢念幾遍“1 mol就是1堆”“2 mol就是2堆”“幾mol就是幾堆”;接著將6.02 × 1023個看作1 mol，直接引出阿伏加德羅常數(shù)（暫時回避12C）;然后讓學(xué)生完成滲透[n=N/NA]思想的計算（暫時回避物質(zhì)的量）。例如，3.01 × 1023個H2相當(dāng)于 ? ? ? ? ? mol H2;1.204 × 1024 個O2相當(dāng)于 ? ? ? ? ? mol O2;3NA個H2O相當(dāng)于 ? ? ? ? ? mol H2O;含1.204 × 1024個H的H2O相當(dāng)于 ? ? ? ? ? mol H2O。

設(shè)計意圖：用形象化的語言“堆”來降低“摩爾”的認知難度，通過具體的計算增強學(xué)生對NA與1 mol之間的對應(yīng)關(guān)系的認知，初步感知“數(shù)字+mol+微粒符號”這一描述物質(zhì)多少的方式，為引出“物質(zhì)的量”做好鋪墊。

3. 由“摩爾”推演出“物質(zhì)的量”

實際上，“數(shù)字+mol+微粒符號”就是該微粒的“物質(zhì)的量”。“摩爾”相當(dāng)于“堆”的意思，幾摩爾就相當(dāng)于幾堆，因此可以將“物質(zhì)的量”理解為描述微?！岸褦?shù)”的一個物理量，“摩爾”為其單位。對比其他物理量和單位的對應(yīng)關(guān)系，加深理解，引導(dǎo)學(xué)生加工形成n、NA、N之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

設(shè)計意圖：根據(jù)概念發(fā)展史，先有“摩爾”再有“物質(zhì)的量”，概念的形成過程本身就是人類思維發(fā)展的過程，因此先講“摩爾”再講“物質(zhì)的量”會更符合學(xué)生的認知規(guī)律。先初步感知“數(shù)字+mol+微粒符號”的描述方式，再加工形成“物質(zhì)的量”的概念和n、NA、N之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，符合概念教學(xué)的原理。

4.由“阿伏加德羅常數(shù)”推演出“摩爾質(zhì)量”

關(guān)于為什么選擇12C作為阿伏加德羅常數(shù)定義的基準，可引導(dǎo)學(xué)生回顧相對原子質(zhì)量的定義，并計算1 mol ?H2O的質(zhì)量。

通過計算可以知道微觀粒子的質(zhì)量很小，但是1個集合體（1mol）的質(zhì)量是可以稱量的，以g作為單位的時候其數(shù)值等于相對原子（分子）質(zhì)量，由此推出摩爾質(zhì)量的定義、單位、符號、數(shù)值。

設(shè)計意圖：消除學(xué)生對選擇12C 的疑慮，幫助學(xué)生理解摩爾質(zhì)量的數(shù)值為什么等于相對原子（分子）質(zhì)量，更為重要的是，給學(xué)生滲透了摩爾質(zhì)量可以將宏觀的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為微觀的物質(zhì)的量的意識。

5.構(gòu)建[NNA=n=mM]思維模型

先創(chuàng)設(shè)生活情境：如何通過稱質(zhì)量的方式快速確立一麻袋一元硬幣（一個硬幣的質(zhì)量太小不便于稱量）的金額？學(xué)生很容易想到將一定數(shù)目看成一堆，稱一堆硬幣的質(zhì)量和總質(zhì)量，得硬幣的總數(shù)[=總質(zhì)量1堆硬幣的質(zhì)量×1堆硬幣的數(shù)量]。再創(chuàng)設(shè)化學(xué)情境：一塊鐵的質(zhì)量為112 g，求該鐵塊所含鐵原子的數(shù)目。N=[112 g56 g/mol×6.02×1023個/mol=1.204×1024]個。建立模型后，找出題中涉及物質(zhì)的量的知識概念模塊，聯(lián)想已有認知結(jié)構(gòu)中與該知識模塊相關(guān)的基礎(chǔ)概念和知識，正確提取和運用解決問題所需的物質(zhì)的量概念系統(tǒng)模塊，找出已知項與所求項在量方面的內(nèi)在聯(lián)系，形成正確的解題思路。

設(shè)計意圖：生活情境和化學(xué)情境相對照，學(xué)生很容易明白n相當(dāng)于硬幣的堆數(shù)，M相當(dāng)于1堆硬幣的質(zhì)量，N相當(dāng)于硬幣總數(shù)。重點讓學(xué)生明白“物質(zhì)的量”的引入就是為了在宏觀層面上通過質(zhì)量（體積）求得微粒數(shù)目，搭建宏觀和微觀相聯(lián)系的橋梁。

（責(zé)任編輯 羅 ? 艷）