試論培養學生微觀意識的理論基礎與策略

摘要：分析了學生難以建立微觀表征的原因，提出了使用過程性圖像。使用動畫模擬，開展繪圖練習等培養學生的微觀意識。

關鍵詞：微觀意識；過程性圖像；動畫模擬；繪圖練習

微觀粒子的特性及行為主要包括以下內容：微觀粒子永遠處于運動當中。并且難以用肉眼觀察；微觀粒子具有獨立個體，群體間具有空隙和存在著相互作用。學生對這一主題的理解。是國內化學教育界的研究熱點問題。例如，梁永平教授論述了微粒作用觀的科學學習價值和建構策略，畢華林教授從三重表征的角度探討學生的學習困難。許多研究指出，學生對這一主題存在著普遍性的迷思概念。盡管這些認識偏差并不影響學生深入了解化學基本概念和原理、元素及其化合物的性質等化學知識，以及解決實驗設計和計算題。但是卻阻礙著他們建立正確的化學觀念，甚至局限了對科學本質的理解。教師設計并且采取必要的教學方法來解決這一問題。顯然是極為必要的。

一、理論基礎分析

對于學生難以建立微觀表征的原因。我們可以從以下角度作出解釋。Harre認為我們存在三個本體領域。第一個本體領域是可以直接觀察的實體世界，例如。五水硫酸銅晶體是深藍色的。混合氯化鋇和硫酸溶液可以生成白色沉淀等。第二個本體領域是不能直接觀察的實體世界。但在借助科學設備的條件下仍然能了解其中的狀況，例如，利用電鏡能夠觀察納米碳管在鉑金屬表面的吸附狀況等。人們通過程度高的形象化視覺感知，建立深刻的印象和較充分的理解。第三個本體領域是無法利用現在的科學技術進行直接觀察的理論世界，例如。分子、原子的結構及其運動狀況等。這意味著，在缺乏直觀呈現實物的條件下，學生需要通過想象和推理來理解這一理論世界的內容。然而，學生具有的認知程度和持有的本體觀與科學工作者的具有明顯差異。因此，筆者認為教師單純呈現條列式的命題，并不能讓學生建立有效的圖式。為了讓學生理解微觀層次的科學知識是具有實在的基礎的，教師有必要利用其他合適的實物作為替代物，以便進行詳細的說明。

筆者提出，學生的心理作用過程可以歸結為如下幾個步驟：(1)對實體世界進行觀察，并且尋求微觀層次的解釋；(2)對替代物進行觀察，并且假設為微觀粒子的狀況；(3)嘗試聯結實體世界與替代物間的聯系，初步形成對微觀層次和微觀粒子的認識；(4)將這種認識反復修正、建構。并且盡量接近理論世界。由以上分析可知，在整個認知過程中，如何選擇恰當的替代物顯得極為重要的。

二、使用過程性圖像

首選的替代物是表現微觀粒子運動的過程性圖像。并列的過程性圖像采用靜態的呈現手法表現，出物質的變化過程，不僅突出微觀粒子最重要的運動狀況，也使得學生有足夠的時間進行深度思考。Bradley等利用各種不同形狀的橡膠圖章在白紙上自行印制模擬微觀粒子的圖像，作為課堂討論的工具，并且收到很好的效果。其中列舉的化學平衡事例如圖1示。其中包括的三幅圖分別表示某一化學反應在0，1和10小時下微觀粒子的數目變化。學生結合圖上內容可以對化學平衡的實質有清晰的理解。

新課標教科書中有多幅過程性圖像，教師應該充分使用這些插圖啟發學生的微觀意識。例如，在講授電解質和電離概念時，利用人教版必修1(2007年版)的圖2至圖9，提出如下問題：(1)在盛有水的燒杯中。有哪些微觀粒子；(2)燒杯里的水看起來很平靜。其中的微觀粒子運動嗎；(3)NaCI晶體投入水中后，逐漸變小。NaCI晶體消失了嗎；(4)NaCI晶體在水中溶解。Na+，Cl-與水分子之間存在間隙嗎。如果條件允許，教師還可以追問“離子與水分子的間隙內是什么”等問題，從而激發學生的興趣和增加其思考的深度。

三、使用動畫模擬

Flash動畫因其全交互、智能化的特點，被廣泛應用在化學課件制作當中。許多模擬微觀層次的課件已被廣大教師制作出來。學生瀏覽這些課件能夠形成較具體的動態的理論世界認識。一般的Flash動畫只是定性地模擬微觀粒子的特性和行為。如果能從定量的角度表現微觀粒子在化學反應中的變化規律，將對學生產生更大的學習輔助作用。任紅艷等介紹了Net-Logo軟件，這種軟件能夠高效實現以上目的。不過。在使用該軟件前，有必要充分估計學生的圖像表征能力，以免因為學生存在圖像表征困難而產生反效果。

四、開展繪圖練習

即使教師時常使用過程性圖像和Flash動畫進行詳細分析。學生在頭腦中依然會形成自身獨有的、不完全正確的“個體化理論世界”。為了有效改變學生的各種迷思概念，有必要開展一系列繪圖練習。所謂的繪圖練習是指教師通過問題創設出同時涉及宏觀和微觀領域的情境。讓學生在繪圖作答過程中更確切地加深對兩個領域間聯系和各種事實的理解。

例如。在講授用CC14萃取飽和碘的水溶液時，可以先讓學生瀏覽人教版必修1圖1至圖8。然后提問：如果有一無限大的放大鏡可以觀察到碘的水溶液與CC14分界面上的分子分布情況(圖2)，你認為萃取前后它將是怎么樣的狀況；能繪畫出來嗎。對于學生而言。解決這類題目最大的困難在于，他們以往都僅是將微觀主題知識當做純粹的原理性知識點來學習，沒有內化為一種強烈的微觀意識。因而往往缺乏有效的思路而難以下筆。教師需要進行較細致的引導，逐步啟發學生轉化已有知識。從本質角度理解萃取原理。學生外化各種觀念和知識是檢驗教師教學質量的重要標準。毫無疑問，利用這種深層次的觀念互動方式，學生能夠對擁有的微觀意識進行反思。在長期的消解和融合過程下，最終形成較正確的觀念。

五、幾點思考

學生對微觀層次中的微觀粒子的特性及行為的認識，既是一種科學原理的認識，也涉及哲學層面的觀察和思維方法。由于這種認識在實際生活中難以找到參照物，由此而產生的各種迷思概念是必然存在的。如何有效避免這些迷思概念的出現。以及與已存在的作競爭是值得長久思考的問題之一。

其次，在教科書中似乎不存在滲透著微觀意識和微觀粒子的暗線。如何有效組織所有主題內容并且貫穿其中，形成系統化的微觀意識培養框架，仍有待深入探究和進行不間斷的實踐。

值得注意的是，在以上討論的各種替代物中，人們都習慣用有顏色的圓球或者圓圈來代替各種原子。這是否會讓學生認為，原子就是堅硬的實心圓球，而且是帶有顏色的。教師在平時教學過程中也容易忽視這一問題所帶來的潛在危險性。如何評價替代物的價值和適切性。需要依靠一些有代表性的評價標準。