“探秘物質的組成與結構”教學探討

“探秘物質的組成與結構”項目中，活動以化學發展史為背景線索，將學生的學習活動依托在科學史的背景下，體現閱讀的思維活動，并注重從中學習科學研究方法；重視模型建構，通過搭建和繪畫等方式外顯學生模型建構的過程與結果。

本文以本項目任務一為例，介紹“認識水分子，構建分子模型”項目的實施策略。

一、任務一的地位及活動

項目“構建微觀模型——物質的組成與結構”旨在讓學生從兩方面認識物質。（1）物質是由微粒構成的。①從認識水分子到構建分子模型：從分子角度認識物質分類（純凈物、混合物）及變化。②打開原子結構內部，從原子結構的角度認識組成物質的規律：由認識原子的內部結構到關注核外電子排布，進而理解原子構成分子的核心規律——化合價。（2）物質是由元素構成的。從原子的角度連接對元素的認識，建立宏觀與微觀之間的關聯。進而從元素角度認識物質組成，認識元素質量與物質質量的關系。

（一）任務一在本項目中的地位

任務一是項目的重要組成部分，在整體安排上，任務一選擇了常見物質水的組成研究作為學習活動的主要素材，從熟悉的物質切入，學生比較容易進入狀態。在科學方法方面，從宏觀物質水到微觀水分子，在實驗探究中根據宏觀實驗現象推理分析物質的微觀構成，再利用模型模擬引導學生通過建立模型的方式認識并研究物質的微觀結構，進而更深入地理解宏觀物質的性質，搭建宏觀與微觀研究的橋梁，形成從微觀視角看物質的角度。在學習過程中首次融入大量化學史閱讀活動，希望在教師的示范和引導的基礎上，能幫助學生提高閱讀技能，通過閱讀完成相應的活動任務。在學生的認知體系方面，任務一將學生的認知引入到了微觀世界中的分子和原子的層面，研究了分子及分子的變化、原子的重組等學科核心知識，與后續的原子結構及元素的學習形成逐漸深入、連貫一體的認知體系。

任務一中的核心活動實驗探究、模型模擬、閱讀等是本項目后續學習中常用的學習方式，因此，任務一在學習方法和學習思路方面為后續學習作了比較細致的鋪墊。

（二）任務一的核心活動

本任務分為三個活動：活動一，探究水的組成，提煉科學方法，獲取科學證據；活動二，模擬水的分解和化合過程，構建分子模型，建立假說與模型；活動三，讀科學史故事，學科學智慧。閱讀對物質微觀組成的研究歷史，分析假說、模型、證據之間的關聯，理解科學本質。

活動一有兩個核心活動：一是科學閱讀、重返對水的研究，進一步鞏固科學閱讀的方法，提煉研究水的科學方法；二是在理解科學方法的基礎上提出水的電解實驗探究。活動二包含兩個核心活動：一是從模擬水的分解和合成實驗，構建水分子模型；二是從水分子模型到構建分子模型，從分子的角度來認識物質與反應。活動三有兩個核心活動：一是科學史的閱讀，讓學生進一步反思活動二中分子模型的建立的假說前提，進一步明確閱讀方法；二是通過交流研討活動，體會科學家的研究過程，讓學生理解科學的本質。活動三可以隨著教學需要進行調整。可以在活動二教學之前，讓學生在閱讀資料的基礎上構建水分子模型，并明確分子模型構建的前提。也可以放在活動二教學之后，讓學生反思分子模型構建的前提。

二、任務一中的活動二教學實錄

本項目的教學中最重要的是把握化學史的教學和模型構建的教學。活動二模擬水的分解和化合過程，構建分子模型，是在提煉化學史核心研究思路的基礎上，結合對常見物質“水”電解現象的微觀構建，其中模型建構的教學是本項目的最有特色的核心活動，對活動三的核心教學策略有重要的指導意義，因此，我們詳細記錄活動二的教學實錄，并進行效果評價和反思。

教學實錄

第一階段：啟動活動

【師】通過電解水及相關實驗，我們獲得了哪些認識？還存在哪些疑問？

【生】水是由氫、氧兩種元素組成的，通電可以使水分解為氫氣和氧氣，兩種氣體的體積比為2：1，氫氣可以在氧氣中燃燒生成水，由此確定了水的組成。正極產生氧氣，負極產生氫氣，兩種氣體都是無色的。化合和分解都是化學變化。

存在的疑問：水分子的微觀構成是什么樣的？為什么實驗中氫氣和氧氣的體積比為2：1？

【師】你們對兩種氣體的體積比為2：1有什么猜想？

【生】可能等于質量比，可能等于分子數目比，可能等于分子體積比……

【師】今天我們嘗試用模型模擬的方法繼續認識水及相關問題，請大家先閱讀教材中模型模擬中的內容。

第二階段：活動過程

【學生活動一】模擬水的分解和合成。

根據已有的知識和前面實驗探究的結果進行模型模擬活動。

1.分組活動后模擬的結果及解釋：

敘述你的依據：

水電解時產生氫氣和氧氣，且氫氣和氧氣的體積比為2：1。

2.交流與討論。

意見一：兩個方案都對，都符合氫氧2：1。

意見二：方案二更準確，因為氧氣是O2，應該是兩個氧原子構成一個氧分子。

意見三：兩個方案都有疑問，氫氣和氧氣的體積比一定等于它們的分子數目比嗎？ 分子有大有小，體積可能由分子本身的大小決定。

有的提出問題：H2O和O2中的數字2是什么意思？

3.閱讀資料并進行模型修正。

修正后的結果一：方案一錯，方案二對。

結果二：好像只有氣體的體積與分子數目成正比，是不是氣體有特殊性？

結果三：聯想到氣體分子間間隔很大，所以氣體在計算體積時分子本身的大小差異可以忽略了。

結果四：化學式中元素符號右下角的數字表示每個分子中含有幾個該原子，右下角沒有數字的表示1。

4.活動小結。

【生】我們認識了水是由氫、氧兩種元素組成的，一個水分子是由兩個氫原子和一個氧原子構成的。我們認識了常見的氣體單質氧氣、氫氣、氮氣等都是由兩個相同的原子構成一個分子。認識了化學式的含義。

【生】上小學的時候就知道氧氣和水這樣常見的物質的分子式，也常常覺得自己知道分子和原子是怎么回事，通過今天的活動才真正理解了分子式的含義，明白了理解和記憶的區別。

【生】氣體體積是宏觀的結果，分子是微觀世界，宏觀世界與微觀世界的聯系很緊密也很奇妙。

【生】在科學史上科學家是怎么發現這樣的規律的？

【學生活動二】搭建分子模型，認識物質與反應。

在認識了水、氫氣、氧氣等分子的基礎上我們來模擬更多的分子，通過活動獲取更多認識。

1.模擬情況及學生獲得的認識成果。

（1）根據圖中的分子模型都能順利完成模擬任務。

【生】分子是有一定的空間構型的，不同的分子空間構型不同。

【生】分子中原子組成的比例不同。

【生】組成元素相同但比例不同，則是不同種分子，例如水和過氧化氫。

【生】如果把分子拆開，物質就發生變化了。

對于將各組的氨氣分子堆在一起，將各種不同的分子堆在一起的活動，學生說：同種分子放在一起這種物質是純凈物，不同的分子放在一起就是混合物。

對于將分子緊密堆積在一起和分散開來，學生說：固體和液體分子之間距離小，氣體分子之間距離大。如果將液體加熱沸騰蒸發，分子不變，但分子之間的距離變大，如果氣體冷凝為液體，分子之間距離變小，這樣的變化是物理變化。

（2）模擬氫氣和氯氣生成氯化氫的過程后，學生說：每個氯氣分子由兩個氯原子構成；化學變化是將原有的分子拆成原子，然后原子再組合成新的分子的過程。

2.小結活動成果并結合書中資料梳理學習內容。

（1）認識了分子的定義、原子的定義。

（2）認識了分子組成、分子式含義等知識。

（3）認識了純凈物與混合物的本質區別。

（4）認識了物理變化與化學變化的本質區別。

3.活動小結。

模型建構是一種常用的非常有效的學習方法，在我們認識微觀世界時，由于其微小到看不見摸不著，借助模型建構可以將微觀世界中的某些信息清晰地展現出來，這樣可以幫助我們建立認識，展開想象，也給我們提供了進一步深入研究的階梯。

第三階段：師生總結

【師】我們在做實驗觀察實驗現象的過程中，既需要關注定性的信息，更需要關注定量的信息。實驗結論中的定量信息往往會引導我們認識事物的本質。其實在科學史上構建分子模型的歷程也經歷了很多曲折。在后續活動中我們可以通過閱讀活動來了解科學家們建立分子模型的歷程。今天的活動中同學們能夠積極參與，敢于質疑，激烈討論，這些都是非常棒的科學研究必備的素質，希望大家在后續學習中堅持并做得更好。

【生】通過實踐活動完成學習很有意思，這樣的活動可以讓學習中思考的東西更多，原來以為化學式背下來就行了，沒有意識到化學式里還有這么復雜的問題。

【生】通過今天的活動輕松且清晰地認識到原來學過的兩組概念：純凈物、混合物；化學變化、物理變化。從分子的角度認識到了兩組概念的本質區別，使概念的學習有了通透感。

三、教學效果評價與反思

1.學生的表現給我們的啟發。

在此搭建模型的過程中，我們發現，其實在生活中學生都知道水分子的組成是H2O，而且學生內心是認可元素守恒的，因此學生才能夠提出方案一。此時，學生可能并沒有和宏觀的體積比例建立關系。所以此時教師應該讓學生充分表達在模型構建中每一個圖形以及其比例關系（如2：1）的意義。這樣的討論加深了學生的思維活動程度，體現項目學習中學生為主體的特點。而且，在這樣的活動中學生基于活動體驗建構知識，從原來的記憶物質的化學式到理解化學式的含義方面有了非常大的轉變。例如學生都記得氧氣的化學式，但在推理的過程中卻只有少數學生能正確應用化學式輔助推理，在討論過程中當有的學生提出一個氧分子是由兩個氧原子構成的觀點時，大多數學生才恍然大悟地意識到氧氣（雙原子分子）化學式的含義在這里的重要作用，并通過該過程更多地理解了化學式的含義。項目教學中更要關注學生的起點和發展點。

2.教材的教學轉化。

在教材向教學轉化中教師需要把握活動的邏輯關系，這是保障活動順利推進的線索，并且可以根據學生的表現隨時調整活動的進程以保證關鍵點的進行。如推理開始之前對宏觀事實的深入回憶，是搭建從宏觀到微觀的重要紐帶。在活動中，教材為教師搭建臺階，讓學生畫出氫分子、氧分子和水分子的模型，進而模擬水的分解。教學中，教師應該在活動中充分給學生表達的空間，外顯學生的認識。如果所有學生只提出方案一，教師可以給出方案二，讓學生充分討論質疑。如果有學生同時提出方案一和方案二，可以讓學生之間充分論證。這樣學生在充分表達的過程中，為自己的猜想進行辯論，找證據再論證，經歷理論研究的過程。活動中教師可以追問水的示意圖，將學生的元素守恒觀念外顯；通過調整活動的線索將核心點進行外顯。

通過實踐過程，最大的收獲是證實了我們的設計是符合學生認知規律，而且能引導學生展開討論并深入思考的。這樣的實踐過程，使我們的后續改寫有了更明確的思路和想法。根據試用的經驗，我們將教材中活動內容的編寫作了微調，如為了更好地外顯學生的認識，我們加入“猜想水分子、氫分子、氧分子的微觀結構”的內容，目的是在模擬水分解和化合之前使學生先梳理已有的認知，通過猜想模擬將從前已知的化學式與物質的微觀結構之間建立關系，便于后續活動更有條理。將模型修正環節與模擬過程合并為一個活動的不同階段，邏輯更緊湊，也更突出了“資料在線”的內容及其作用，明確后續知識內容和擴展活動的設計思路，更合理地將知識的學習融合在活動成果中。