基于元認(rèn)知理論的化學(xué)概念教學(xué)

徐小健

摘要：以“化學(xué)鍵”第一課時教學(xué)為例，闡述基于元認(rèn)知理論的化學(xué)概念教學(xué)。通過“感知化學(xué)鍵的存在與價值”“探討離子鍵的形成過程”和“探討離子鍵的存在與表征”環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的元認(rèn)知，加深對離子鍵的理解，解決疑難問題，取得較好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：元認(rèn)知;化學(xué)概念;概念教學(xué);化學(xué)鍵;離子鍵

文章編號：1008-0546（2022）10-0071-05中圖分類號：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

化學(xué)概念是將化學(xué)現(xiàn)象、化學(xué)事實(shí)經(jīng)過比較、綜合、分析、歸納、類比等方法抽象出來的理性知識，它是已經(jīng)剝離了現(xiàn)象的一種更高級的思維形態(tài)，反映著化學(xué)現(xiàn)象及事實(shí)的本質(zhì)，是化學(xué)學(xué)科知識體系的基礎(chǔ)。[1]高中化學(xué)概念教學(xué)組織得好，對于學(xué)生建構(gòu)化學(xué)學(xué)科觀念，甚至對于其一生的概括、提煉和總結(jié)能力的提高，對學(xué)生的終生發(fā)展都有重要影響。[2]所以在教學(xué)時一定要重視化學(xué)概念的教學(xué)，目前指向核心素養(yǎng)的化學(xué)概念教學(xué)模式有論證式教學(xué)模式和基于? TPACK理論、基于元認(rèn)知理論等化學(xué)概念教學(xué)模式，下面筆者就以人教版化學(xué)必修第一冊第四章第三節(jié)“化學(xué)鍵”第一課時的教學(xué)為例，闡述基于元認(rèn)知理論的化學(xué)概念教學(xué)。

一、基于元認(rèn)知理論的化學(xué)概念教學(xué)

1.元認(rèn)知理論

元認(rèn)知概念最早由美國心理學(xué)家弗拉維爾（Flavell）提出，其定義為“任何以認(rèn)知過程與結(jié)果為對象的知識，任何調(diào)節(jié)認(rèn)知過程的認(rèn)知活動”，本質(zhì)是人對自己認(rèn)知活動的自我觀察、自我意識、自我監(jiān)控、自我反思和自我調(diào)節(jié)。[3]元認(rèn)知覺察是人類使用元認(rèn)知反過來影響思維和行為的思維策略的水平，主要包括元認(rèn)知控制、元認(rèn)知知識、元認(rèn)知體驗(yàn)和元認(rèn)知監(jiān)控四個要素，其中元認(rèn)知知識是個體長時記憶中貯存的一些陳述性、程序性及條件性知識。

2.基于元認(rèn)知理論的化學(xué)概念教學(xué)

元認(rèn)知是人類智力的核心組成，管理和組織人類的思維活動，是調(diào)整思維、改進(jìn)思維結(jié)果的最有力的內(nèi)部手段，它就像內(nèi)心記者，具備行動迅速、來源可靠、提問準(zhǔn)確、持續(xù)追蹤、報道真實(shí)等特征。在化學(xué)概念教學(xué)中，用好元認(rèn)知可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、理解和應(yīng)用復(fù)雜的核心概念。經(jīng)多次實(shí)踐研究，筆者認(rèn)為課堂中可以采用圖1所示結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行化學(xué)概念教學(xué)，先結(jié)合學(xué)生的元認(rèn)知知識，通過化學(xué)實(shí)驗(yàn)或化學(xué)史實(shí)等手段讓學(xué)生在充分元認(rèn)識體驗(yàn)、監(jiān)控的基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)研究，經(jīng)過分析、比較、抽象、概括等一系列的思維過程，初步形成化學(xué)概念，通過分析概念的關(guān)鍵詞，研究化學(xué)概念的內(nèi)涵和外延，再在應(yīng)用概念解決實(shí)際問題和用思維導(dǎo)圖或概念圖梳理的過程中加以鞏固。

二、關(guān)于化學(xué)鍵概念教學(xué)的優(yōu)秀案例檢索

化學(xué)鍵是高中化學(xué)必修教材中的一個較抽象的重要概念，學(xué)生在學(xué)習(xí)時往往難以理解。目前對化學(xué)鍵概念教學(xué)已經(jīng)有了很多研究成果，其中部分優(yōu)秀案例中關(guān)于化學(xué)鍵概念教學(xué)的主要流程如表1所示。

可以看出，絕大多數(shù)案例都是基于學(xué)生的能力素養(yǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到化學(xué)鍵的一致性，通過對比的方法展開離子鍵和共價鍵的教學(xué)，有一些還拓展延伸到金屬鍵。這些做法從學(xué)生能力培養(yǎng)角度來看都是挺好的，但考慮到化學(xué)鍵中的概念本就比較抽象，一節(jié)課中還要同時學(xué)習(xí)2～3個類型的化學(xué)鍵，一方面可能會使部分學(xué)生學(xué)得不透徹，云里霧里，另一方面對于某些知識點(diǎn)的理解出現(xiàn)偏差。鑒于此，筆者覺得可以將該部分內(nèi)容劃分為兩課時進(jìn)行，第一課時重點(diǎn)研究離子鍵，第二課時重點(diǎn)研究共價鍵，并對比兩種化學(xué)鍵異同點(diǎn)，可以通過實(shí)驗(yàn)方法和理論方法加以判斷，這樣處理可能更加符合學(xué)生的元認(rèn)知。在教學(xué)時要考慮到學(xué)生的接受水平，所用的教學(xué)方法應(yīng)“處于簡化的最優(yōu)水平”，既要保持盡可能的簡單，同時又是科學(xué)正確的。學(xué)生如果能較好地理解離子鍵，那么對共價鍵也就不難理解了，所以第一課時的教學(xué)至關(guān)重要。

三、基于元認(rèn)知理論的化學(xué)鍵概念教學(xué)

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）認(rèn)識化學(xué)鍵的涵義。知道離子鍵的實(shí)質(zhì)與形成過程，能用電子式對離子鍵進(jìn)行表征。

（2）在離子鍵的概念建立和形成過程的探究教學(xué)中，培育“宏觀辨識與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科核心素養(yǎng)。

2.教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

本節(jié)課的重點(diǎn)是離子鍵的實(shí)質(zhì)與形成過程和用電子式對離子鍵進(jìn)行表征。教學(xué)難點(diǎn)有兩個，其一是受到NaCl化學(xué)式的影響學(xué)生潛意識認(rèn)為1個Na+只能與1個Cl-形成離子鍵，其二是學(xué)生不能真正理解為什么NaCl晶體不導(dǎo)電，而熔化狀態(tài)或溶于水時能導(dǎo)電，本節(jié)課通過模型幫助學(xué)生突破。

3.教學(xué)流程見表2。

4.教學(xué)實(shí)錄

（1）感知化學(xué)鍵的存在與價值【演示】加熱試管中的水至沸騰。

【問題】在這個過程中水分子有沒有變化？從微觀來看，什么發(fā)生了改變？

【學(xué)生】水分子沒有變化，改變的是水分子間的距離。

【模型演示】移動吸在白板上的水分子磁吸的位置，直觀感知水分子間的距離增大

【教師】從這個過程中可以看出，水分子與水分子之間的作用力比較小，熔沸點(diǎn)低。如果要使水加熱分解，需加熱到2200℃以上，這說明H原子與O原子結(jié)合得很牢固，應(yīng)該有一種神奇的強(qiáng)大力量將它們緊密連在一起，這種相鄰原子間強(qiáng)烈的相互作用就是我們今天要研究的化學(xué)鍵。鍵的本義是鼎上貫通兩耳的橫杠，起聯(lián)結(jié)作用，所以化學(xué)鍵就是通過強(qiáng)烈相互作用將相鄰原子聯(lián)結(jié)起來。近年來化學(xué)家成功拍攝到化學(xué)鍵存在的實(shí)時圖像。

【視頻】科學(xué)家首次拍攝到化學(xué)鍵的振動、結(jié)合、斷裂的實(shí)時圖像。

【問題】視頻中兩個小黑點(diǎn)表示由兩個錸原子構(gòu)成的分子，結(jié)合視頻你能得出哪些結(jié)論？

【學(xué)生1】分子是由原子構(gòu)成的，分子和原子都在不停運(yùn)動。

【學(xué)生2】原子之間是通過化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)，化學(xué)鍵很短（小于1nm）

【問題】如果沒有化學(xué)鍵的世界將是怎樣的？

【學(xué)生1】如果沒有化學(xué)鍵，就沒有氧氣，沒有食物吃，沒有衣服穿。

【學(xué)生2】生物將不復(fù)存在，絕大多數(shù)物質(zhì)也不存在。

（2）探討離子鍵的形成過程

【教師】化學(xué)鍵是怎樣形成的呢？下面我們以NaCl的形成為例進(jìn)行分析。

【問題】結(jié)合Na原子和Cl原子的結(jié)構(gòu)示意圖，分析Na原子和Cl原子是如何聚集在一起形成NaCl的？

【學(xué)生】Na原子失電子變成Na+，Cl原子得電子變成Cl-，Na+與Cl-相互吸引形成NaCl。

【投影展示】見圖2。

【追問2】Na+與Cl-能夠無限靠近嗎？

【學(xué)生】不能，因?yàn)镹a+與Cl-之間除了吸引力外，還存在排斥力。

【追問3】哪些粒子間有排斥力？

【學(xué)生】Na+與Cl-的電子與電子之間，原子核和原子核之間都存在排斥力，所以Na+與Cl-不能夠無限靠近。

【追問4】Na+與Cl-之間既有吸引力，又有排斥力，那什么時候就穩(wěn)定了？

【學(xué)生】當(dāng)吸引力和排斥力相等的時候。

【提供證據(jù)】見圖3。

【問題】Na+與Cl-距離為R0時意味著什么？

【學(xué)生】吸引力和排斥力達(dá)到了平衡，體系的能量達(dá)到最低，形成了穩(wěn)定的NaCl。

【問題】Na+與Cl-依靠靜電作用“成功牽手”形成離子鍵，你能概括什么叫離子鍵嗎？

【學(xué)生】陰陽離子之間通過強(qiáng)烈作用力形成的化學(xué)鍵。

【追問1】離子鍵存在于什么粒子之間？

【學(xué)生】陰陽離子之間

【追問2】陰陽離子之間一定形成離子鍵嗎？

【學(xué)生】不一定，要達(dá)到合適距離

【追問3】離子鍵的實(shí)質(zhì)是什么？

【學(xué)生】強(qiáng)烈的靜電作用

（3）探討離子鍵的存在與表征

【教師】由離子鍵構(gòu)成的化合物叫做離子化合物。通常，活潑金屬元素與活潑非金屬元素組成的化合物屬于離子化合物。

【投影展示】

陰離子靜電作用構(gòu)成化合物

【問題】剛才我們用圖示形象地描述了鈉原子與氯原子形成氯化鈉的過程，在這個過程中與哪一層電子有關(guān)？

【學(xué)生】最外層電子。

【教師】這種表示太繁瑣，可簡化表示為

【任務(wù)】在元素符號周圍用“●”或“×”來表示原子或離子最外層電子的式子叫做電子式。例如：

①原子·Mg·、··、··

②金屬陽離子Na+、Mg2+、Al3+

③陰離子

④離子化合物

（1）分析上述電子式的書寫特點(diǎn)或規(guī)律，在小組內(nèi)交流。

（2）分別寫出KCl、CaF2、CaO、Na2O的電子式。

【點(diǎn)評提升】學(xué)生討論交流后，展示書寫的電子式，師生點(diǎn)評，并對照電子式請學(xué)生分析存在離子鍵，進(jìn)一步明確離子鍵存在于陰陽離子之間。

【問題】1個Na+能與幾個Cl-形成離子鍵呢？

【學(xué)生】1個。

【模型演示】用紅色磁吸表示Na+，藍(lán)色磁吸表示Cl-。結(jié)合離子鍵的形成過程分析，先放一個紅色磁吸，引導(dǎo)學(xué)生分析得出，周圍應(yīng)吸引多個Cl-，只要空間允許，就能盡可能多地吸引異性離子。研究表明，1個Na+周圍最多吸引6個Cl-形成離子鍵，但Cl-之間又要相互排斥（遠(yuǎn)離），會是一個什么形狀呢？

【學(xué)生】平面正六邊形。

【教師】要注意，這不是平面結(jié)構(gòu)，而是三維空間結(jié)構(gòu)，會是什么形狀呢？

【學(xué)生】球形。

【教師】這個詞說得好，6個Cl-在空間球面上最大化分布，如果將這6個Cl-用線段連接起來，會構(gòu)成什么形狀呢？

【模型演示】展示扎在一起的6個大小相同的氣球，先有意將其變?yōu)椴灰?guī)則，再向上拋起，發(fā)現(xiàn)是一個正八面體形狀，再用球棍模型演示。

【問題】1個Na+與6個Cl-形成離子鍵，那么1個Cl-與幾個Na+形成離子鍵呢？

【學(xué)生】6個。

【模型演示】在由1個Na+、6個Cl-構(gòu)成的正八面體球棍模型中的其中一個Cl-的球上再連接5個Na+。通過旋轉(zhuǎn)中間的鍵，讓學(xué)生感知離子的位置關(guān)系。

【問題】你覺得是方方正正的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定呢，還是稍稍錯開些穩(wěn)定呢？

【學(xué)生1】錯開些穩(wěn)定，因?yàn)檫@樣離子間距離大。

【學(xué)生2】方方正正的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因?yàn)镹a+與Cl-異性相吸，而Cl-與Cl-同性相斥，所以Na+與Cl-距離要相對較小，而Cl-與Cl-距離要相對較大。

【教師】從引力和斥力角度就可以正確分析。Na+與Cl-就通過這樣的方式向外延伸，你能腦補(bǔ)一下空間排布形狀嗎？

【提供證據(jù)】X射線衍射實(shí)驗(yàn)證實(shí)的Na+和Cl-在空間的排列方式。

【問題】NaCl固體中有沒有單獨(dú)的NaCl分子？

【學(xué)生】沒有。

【教師】NaCl只是化學(xué)式，表示Na+與Cl-數(shù)目最簡整數(shù)比。

【問題】現(xiàn)在你能解釋為何NaCl固體不導(dǎo)電，熔融狀態(tài)能導(dǎo)電嗎？

【學(xué)生】因?yàn)镹aCl固體中，Na+與Cl-通過離子鍵緊密結(jié)合，不能自由移動，而熔融狀態(tài)時Na+與Cl-之間的距離變大，破壞了離子鍵，Na+與Cl-可以自由移動。

【教師】化學(xué)上常通過熔融狀態(tài)下是否導(dǎo)電來判斷某化合物是否屬于離子化合物。今天課堂開始提到的水分子中H與O之間是通過什么化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來的呢？我們下節(jié)課將繼續(xù)研究。

在運(yùn)用元認(rèn)知理論進(jìn)行化學(xué)概念教學(xué)時，教師要挖掘概念的價值，從而激發(fā)學(xué)習(xí)這個概念的深厚興趣，充分了解學(xué)生的元認(rèn)知知識，通過創(chuàng)設(shè)基于客觀事實(shí)的真實(shí)問題情境，引發(fā)學(xué)生思考，誘導(dǎo)學(xué)生在探究過程中調(diào)動元認(rèn)知體驗(yàn)和監(jiān)控，積極參與化學(xué)概念的構(gòu)建與抽象概括，進(jìn)一步分析概念的內(nèi)涵與外延，利用思維導(dǎo)圖或概念圖尋找新舊概念之間的聯(lián)系，真正理解概念，再應(yīng)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題，鞏固概念。

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