物質微粒觀及其學習基礎的構筑

吳俊明+汪青

摘要：抓好“構成物質的微粒：原子和分子”的教學，是搞好化學教學的重要的“基礎工程”。在初三剛開始學習化學時，不宜直接提出建立物質微粒觀的任務，只能關注物質微粒觀的奠基、形成和應用。概括了物質微粒觀的主要內容和意義，討論了如何為物質微粒觀的形成奠定基礎，介紹了“構成物質的微粒：原子和分子”的教學思路。

關鍵詞：物質微粒觀；原子和分子；教學設計；教學思路

文章編號：1005–6629（2015）3–0003–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

物質的結構問題是近代化學的基本問題之一[1]。只有在正確、合理的化學物質結構觀的指引下，人們才能沿著正確的方向開展對物質及其化學變化的研究和學習。因此，化學物質結構觀是化學科學觀念的基本和重要組成部分。化學物質的結構是由其基本單元（原子、分子、原子基團、離子等物質微觀粒子）相互作用形成，按一定規律、以一定樣式和形象展開、存在和表現于空間的。認識原子和分子，建立物質微粒觀是學習化學的重要前奏。化學是分子的科學，對分子以及構成分子的原子缺乏真實、深入的了解，怎么能學好化學呢？

提到“構成物質的微粒：原子和分子”[2]的教學，有人認為，現在已經能夠給分子、原子拍照片了，給學生看看這些照片，立馬就會明白物質是由分子、原子構成的，不需要大做文章。由此，教材中的有關篇幅被大大壓縮，有的甚至于只剩下短短的幾句話。這種說法貌似有理，其實是大不然也：只看這些“照片”，學生是不可能建立起分子、原子微觀運動的生動印象，不可能真正了解分子、原子的，更不能理解、感受有關的科學方法。雖然八年級物理也對分子有所介紹，但仍不足以使學生形成分子運動的完整印象，也不能完全滿足初三化學學習中的后續需要。

在化學科學發展史中，人們認識電解質的電離和電解質溶液的結構比認識元素周期律還要晚，根本的原因就在于對有關的微觀結構缺乏了解；而學生如果能夠正確地想象分子中原子之間相互影響，就能夠理解諸如化學反應的實質、物質溶解時的種種現象直至電解質的電離、醛酮的羰基加成反應等等物質的化學行為。這些事實從正反兩方面說明，抓好“構成物質的微粒：原子和分子”的教學，是搞好化學教學的重要“基礎工程”。

提到“構成物質的微粒：原子和分子”的教學，還有人會馬上想到要進行物質微粒觀的教育。然而，微觀世界跟宏觀世界是截然不同的，人類認識原子和分子、建立物質微粒觀經歷了漫長的時間，其間遇到了許多困難，過程十分復雜，如今要在學生學習化學的初始階段就讓他們實現宏觀-微觀轉換的大幅度跨越，實在不是一件簡單、容易的事，關鍵在于微觀想象是不是符合實際情況、能夠經受宏觀現象的檢驗。另一方面，跟其他科學觀念一樣，物質微粒觀的形成不是一朝一夕能夠完成的，不能采用直接灌輸的粗暴方式。因此筆者認為，在初三剛開始學習化學時，不宜直接提出建立物質微粒觀的任務，只能關注物質微粒觀的奠基、形成和應用。本文擬結合“構成物質的微粒：原子和分子”的教學設計，討論有關的幾個問題。

1 物質微粒觀的意義

什么是物質微粒觀？一般地說，物質微粒觀是對跟物質微粒有關的問題，特別是基本問題的概括的、綜合的和總結性的看法或認識。跟物質微粒有關的基本問題包括：什么是物質微粒？物質微粒有哪些特點，它們跟一般的微粒有哪些不同？構成物質的基本微粒是哪些，它們跟其他物質微粒又有哪些不同？物質微粒是怎樣構成物質的？等等。具體地說，物質微粒觀主要包括下列內容：

（1）物質微粒是物質的微觀粒子的簡稱，它們完全不同于日常概念中的微粒（即通常所說的微小粒子）。

（2）物質微粒極其微小，雖然肉眼看不見，但也有一定的質量和大小；物質微粒之間是有間隙的，固體、液體、氣體中物質微粒之間的間隙依次增大（相互作用依次減小）；物質微粒在不停地運動，溫度越高，它們的無規則運動越激烈，物體的溫度標志著其構成微粒的平均動能的大小；物質微粒之間存在著吸引、排斥等相互作用，物質微粒通過相互作用并按一定的空間方式構成固體、液體、氣體物質。

（3）物質可以分為原子、分子等不同層次的微粒，從化學的角度看，原子、分子是構成物質的基本微粒，其他物質微粒是由原子或分子形成的。

（4）原子、分子都有許多不同種類。大多數物質由分子構成，其他物質由原子或者別的微粒構成。

（5）原子是化學反應的基本微粒，是用化學方法不能再分割的最小粒子；原子可以構成更大、更復雜的結構微粒，也可以分為原子核和電子；原子核和電子也是可分的，但在化學反應里不能再分；同一元素（嚴格的說法應是“同一核素”）原子的質量和性質都相同；不同元素原子的質量和性質都不相同。

（6）分子是保持（純）物質化學性質的一種微粒，是由原子按照一定關系和方式構成的；同種分子的結構和性質相同，不同分子的結構和性質不同；在化學變化中，不同物質分子中的原子進行重新組合；分子中的原子相互之間存在著相互作用和影響；等等。

化學物質結構包含3個基本因素：（1）組成的微粒（基本結構微粒）；（2）組成微粒之間的相互作用；（3）組成微粒之間的空間關系即空間效應[3]。由此可見，物質微粒觀是化學物質結構觀的基礎、前提和重要組成部分。

化學元素概念經歷了從波義耳基于分解反應終極的元素概念到道爾頓基于原子論的元素概念，隨后又在微觀領域逐步深入發展的過程。基于原子論的元素概念標志著化學作為一門近代基礎科學的產生和發展[4]。可以說，沒有物質微粒觀就不可能有科學的化學元素觀；物質微粒觀是聯系化學元素觀和化學物質結構觀的紐帶。

在初三化學教學中要使學生真正理解可燃氣體或粉塵的爆燃；可燃物的著火點；物質的溶解和結晶、再結晶等現象，都需要對分子、原子有進一步的了解。高中化學教學中對物質微粒觀需要更多、更深的理解。

總之，建立物質微粒觀對于學習和研究化學十分重要，沒有物質微粒觀就談不上學習和研究化學；物質微粒觀有著豐富的內容，僅由其內容的豐富性就可以判斷：通過一節課就使初中學生建立物質微粒觀是不可能的，那些急于求成，企圖一蹴而就的做法是錯誤的、有害的。在“構成物質的微粒：原子和分子”這一節的教學中，把“為物質微粒觀的形成奠定基礎”作為教學目標之一才是適宜的做法。

2 物質微粒觀學習基礎的構筑

根據物質微粒觀的特點和形成規律，筆者認為，要為物質微粒觀的形成奠定基礎，需要做好下列幾方面的工作。

2.1 喚醒和豐富學生的感性經驗

觀念是對特定問題的知識經驗進行概括、綜合、總結所形成的見解、看法等認識。沒有相關的感性經驗，就沒有形成觀念的基礎。人總是生活在由物質微粒構成的物質世界里，不可避免地會經常碰到能反映物質微粒存在及特點的各種現象，這些現象是初中生形成和學習物質微粒觀的認知起點。在教學中，教師要善于敏銳地發現并喚醒學生的這類經驗；為了學生能夠全面地認識物質微粒，常常還要發現和精心選擇典型事例來補充和豐富學生的有關經驗。

2.2 引導學生形成核心概念

科學觀念通常是在核心概念基礎上經過應用實現深化理解、形成體驗，發現和解決有關的新問題，逐步拓展、深入，再進一步分析、抽象、概括、辯證、整合初步形成的[5]。原子、分子是物質微粒觀的核心概念，要順利地實現物質微粒觀的奠基，必須首先引導學生形成科學的原子、分子概念。初中學生在學習“構成物質的微粒：原子和分子”之前，可能已經在前置的自然課、科學課上，特別是通過大眾媒體接觸和初步了解了原子、分子概念。但是，他們形成的原子、分子的初步印象可能只是一知半解，停留在日常概念的水平上，比較表面和膚淺，并不完整，甚至還有錯誤。在教學中，教師不但要注意進行矯正，還要注意深化和提高他們對原子、分子的認知水平。

2.3 讓學生初步感受有關的科學方法

跟一般的知識不同，科學觀念通常蘊含著有關的認知策略，隱含著認知方法因素，而不只是認知的結果。反過來，了解有關的認知方法，也有助于科學觀念的形成。要讓學生形成跟宏觀圖景完全不同的物質微粒運動微觀表象，讓他們了解有關的方法就尤為必要。因此，在物質微粒教學中要注意向學生介紹物質微粒的研究方法和思想框架，引導學生分析物質微粒聚集體的整體表現，感受假設-檢驗方法、模型方法和現代科學技術手段等的運用，進行微觀想象，建立物質微粒的微觀圖景，特別是它們的運動形象，實現由宏觀現象認識微觀本質的躍變。

在這方面，生動、典型的科學史實可以起到很大作用。

2.4 及時地梳理、小結物質微粒的知識

及時地梳理、小結物質微粒的知識，有利于學生對原子、分子等物質微粒形成清晰、完整的印象，也有利于物質微粒知識的應用。其中特別要注意的是：使學生初步認識到微觀粒子跟宏觀物體的特點有很大的差別（例如宏觀物體一般不會作無規則的熱運動，也不具有使微觀粒子聚集在一起的那樣的相互作用力等等），微觀現象跟宏觀現象有很大的不同。

2.5 注重物質微粒知識的應用

要重視將物質微粒觀應用于解決有關的問題，例如說明固體和液體的結構等等，并且在這個過程中檢驗、豐富、修正對物質微粒的認識。抓好這個環節，有助于鞏固和深化對物質微粒的認知，取得較好的教學效果，才不至于把物質微粒觀教學變成枯燥無味的死記硬背。

物質微粒知識的應用常涉及對特定現象的解釋或預言。對物質的常見狀態進行解釋，是物質微粒知識在初學階段的重要應用。

2.6 從學生特點出發，采取有效的教學措施

雖然初中學生的邏輯思維能力初步形成，但理性思維的水平、能力和興趣都不高，認識往往不夠清晰、精細。在“構成物質的微粒：原子和分子”的教學中，宜根據他們的特點采取他們樂見的實驗觀察與思考等方式，以感性經驗和形象思維（想象）為基礎分步展開抽象的理性思維（論證和驗證假設，形成概念、判斷和推理等）、導入理性內容，然后及時梳理、小結、應用，實現強化和發展。

為了適應不同學生的需要和可能，一些拓展型內容可以用閱讀材料的形式由學生選擇閱讀。

3 “構成物質的微粒：原子和分子”的教學思路設計

3.1 教學目標

（1）知道原子、分子是構成物質的微粒，比較系統地認識原子、分子的特點，了解原子和分子的區別，初步形成原子、分子的認識模型。

（2）能運用原子、分子的觀點解釋一些簡單的生活現象、實驗現象，通過滲透初步了解物質三態的本質差別。

（3）感悟科學方法的重要性，通過滲透初步了解“假說-驗證”、數量方法、微觀想象等認識原子、分子的科學方法，初步學會做知識小結。

（4）感悟、體驗宏觀和微觀的聯系、現象和本質的關系，為微粒觀的形成奠定良好的基礎。

3.2 教學重點

由宏觀現象認識原子、分子的存在和區分。

3.3 教學難點

原子、分子的存在和區分；物質三態的本質差別；對科學方法的理解。

3.4 過程策略

3.4.1 導入

發問：為什么濕衣服掛在室內可以晾干？為什么教室前面一點點醋酸的氣味可以彌散于整個教室？為什么大塊的糖可以溶解？為什么氣體可以壓縮和相互混合？為什么大部分物體受熱后體積膨脹？為什么不同物質的性質都不同？（引導學生解釋一些有關的日常現象，引出分子、原子或物質微粒概念）

3.4.2 物質微粒存在的科學證明

通過PPT或閱讀材料簡介道爾頓是怎樣發現原子假說的。

19世紀初，人們已經發現不同物質的性質都不同，發現氣體都可以壓縮、相互混合和擴散，以及受熱后體積膨脹……英國科學家道爾頓（J. Dalton，1766～1844）猜想，氣體乃至于各種物質都是由最基本的微粒——原子構成的。當時人們已經發現，化學反應物質之間有一定的質量比例關系，例如，12 g碳能跟32g氧完全反應，2g氫能跟16g氧完全反應……為了證明原子是存在的，道爾頓根據這種比例關系推算出原子的質量。雖然他的推算很不準確，但是確定了原子是有一定質量的，為原子的存在找到了有力的事實證據。

道爾頓還提出：同種物質的原子的形狀、大小、重量都相同，不同物質的原子的形狀、大小、重量必不相同，化學反應中各種原子以簡單數目比例相化合……道爾頓的原子假說能使當時的一些化學基本定律得到統一的解釋，盡管反對的人也不少，還是很快被人們接受和重視。

通過投影介紹原子、分子存在的有力證據，讓學生由相關科學史實體驗科學方法的重要性，滲透假說-驗證方法、質量研究方法。

科學家們應用范德華的理論求出了氣體分子的大小；根據麥克斯韋分布定律求出了氣體分子的平均速度；用光譜法、衍射法等測定了分子的結構；現代科學家還獲得了原子和分子的微觀圖像……

3.4.3 初步形成分子、原子的認識模型

模型是人們對事物（系統）認識的表達方式，可以對事物的進一步認識、應用以及交流帶來很大的便利。所以，模型在科學、技術和生產活動中被廣泛地應用。在原子和分子的教學中也是如此。

在科學活動中常用的模型有語義模型（主要以自然語言描述）、圖像模型（以二維圖形、圖像等為主要形式）、物質模型（由實物構成，通常是三維有形物體，日常語言中的模型多屬此類）、數學模型（用數學語言描述和處理研究對象）以及其他抽象模型（非實物，不同于物質模型）等等。在原子和分子的各種模型中，語義模型（如前面介紹的物質微粒的主要特點）比較詳盡但失之于不形象生動也不夠簡潔；數學模型對學生難度太大，無法采用。因此，過去多用比較簡單、形象的圖像模型或物質模型。但是，圖像模型和物質模型不能表現原子、分子的運動特質，難以使學生形成原子、分子運動的微觀表象。我國中學物理實驗室中曾經裝備過“布朗運動原理說明器（演示器）”。該儀器用搖把和棘輪反復撞擊彈簧片圓環，使其中的小鋼珠（模擬分子）無規則地高速運動并撞擊棋子狀電木小圓柱（模擬花粉）使其做紊亂的無規則運動，從而形象地說明布朗運動原理；去掉模擬花粉的小圓柱，即可演示分子的熱運動，其效果是比較好的，但這一儀器現在已經很少見了。

如今，現代信息技術的發展為原子、分子的模型建構提供了新的手段：通過flash動畫或微視頻可以演示分子運動的圖景，說明物質是由大量分子組成的、分子總是在做永不停息的無規則運動、分子間會相互碰撞……其效果比靜態的圖像模型和物質模型好。但是，目前這類資源較少，自己制作有一定難度，而且設計不當會發生科學性錯誤，需要警惕。圖1是筆者制作的flash動畫的截圖。

3.4.4 原子與分子的區分與識別

通過PPT或閱讀材料簡介阿伏加德羅是如何區分原子和分子，解決了物質微粒認識史上的一大難題的。

1808年，法國化學家蓋·呂薩克（J. L. GayLussac，1778～1850），在實驗研究氣體之間的化學反應時發現，在一定壓強和溫度條件下，參加反應的以及生成的各種氣體的體積成簡單整數比。他結合道爾頓的原子學說作出推論：在同溫同壓下，相同體積的不同氣體中含有相同數目的原子。當時人們還沒有分子這個概念，蓋·呂薩克把這里的微粒也稱為原子。可是，道爾頓不同意蓋·呂薩克的推論。他認為，不同物質的原子大小不同，在相同體積的氣體中不可能含有相同數目原子。他舉例說：2體積氫氣跟1體積氧氣化合生成2體積水蒸氣，按照蓋·呂薩克的推論，每一個水原子中只含有半個氧原子，這是不可能的。

蓋·呂薩克和道爾頓都堅持自己的意見，他們的爭論相持不下。直到1811年，意大利物理學家阿伏加德羅（A. Avogadro，1776～1856）提出了分子概念，他認為，原子是參加化學反應的最小微粒；分子是單質或化合物獨立存在時的最小微粒，由原子組成，是比原子復雜的微粒；單質的分子由相同原子組成，化合物的分子由不同原子組成；在同溫同壓下，相同體積的不同氣體中含有相同數目的分子……阿伏加德羅的分子假說使道爾頓的原子學說與蓋·呂薩克的氣體反應定律消除了矛盾，糾正了他們二人把分子當成原子的錯誤，既把分子和原子區分開來又把它們聯系起來。

結合有關科學史實介紹，引導學生討論，認識分子和原子之間的區別與聯系。討論、小結、板書分子和原子之間有哪些區別與聯系，然后組織課堂練習。

3.4.5 進一步認識物質微粒的運動特點

觀察、解釋下列實驗現象：

（1）高錳酸鉀晶體在水中溶解的現象。

（2）品紅在熱水和冷水中擴散的比較。

（3）“管中起煙”（在一截玻管兩端分別放沾有鹽酸和氨水的小棉球……）。

3.4.6 關于原子、分子知識的小結和應用

觀察、解釋下列實驗現象：

（1）在兩支注射器中分別裝入10mL空氣和10mL水，然后用手推壓。

（2）自拍錄像：向淡藍色的煤氣火焰上撒一點食鹽，火焰呈現黃色；向鐵鍋中加一點食鹽，也能使火焰呈現黃色。

（3）在一支注射器中裝入少量無水乙醇，用熱水加熱注射器使其中的乙醇汽化，比較乙醇在不同狀態時的體積并討論如何解釋。

討論、小結、板書：原子有哪些特點？分子有哪些特點？請用事實來證明；什么是原子，怎樣給原子下一個初步的定義？什么是分子，怎樣給分子下一個初步的定義？

討論、思考：固體、液體、氣體都是由物質微粒構成的，在這方面它們有哪些不同？（引導學生通過小結和應用鞏固有關認識）

3.4.7 新課滲透（機動）

通過PPT或閱讀材料簡介原子或分子的實際大小：不一般的“微小”。

1個水分子的體積大約是3×10^-23 cm3，如果把水分子的大小與乒乓球相比，就好像拿乒乓球與地球相比一樣。一滴水里大約有1.67×10²¹個水分子，這么多水分子如果讓你數，按照每秒數4個的速度，你得用13000多億年才能數完。

現代科學測定：1個碳原子的質量為1.993×10^-26 kg；1個氧原子的質量為2.657×10^-26 kg；1個水分子的質量大約是：3×10^-26kg。

原子質量的數值實在太小，使用起來很不方便。所以，化學家將一種原子的質量與一種碳原子的質量的1/12（即1.6605×10^-27 kg）相比，把所得到的數值稱為相對原子質量，用它來表示原子的質量，這就是我們下一節課要學習的原子量。

參考文獻：

[1]張嘉同.化學哲學[M].南昌：江西教育出版社，1994：35～42，257，58，124～140.

[2]上海市中小學課程改革委員會.九年義務教育課本化學九年級第一學期（試驗本）[M].上海：上海教育出版社，2006：28～32.

[3]吳俊明，吳敏.芻議化學物質結構觀的內涵與形成芻議[J].化學教學，2014，（11）：9～15.

[4]吳俊明，吳敏.元素概念的演變與化學元素觀的教學[J].化學教學，2014，（6）：3.

[5]吳俊明，吳敏.化學課程中的科學觀念教育[J].化學教學，2014，（5）：3.