利用多視角進行物質的組成教學
——以“水的組成”教學為例

文∣邱惠芬

化學學科研究視角之一是從物質組成來認識物質。“研究物質的組成”是初中化學教學的重要組成部分，既有“混合物中某成分或含量的測定”，也有“純凈物元素組成的研究”。初中教材把物質的組成的內容編排在不同章節中，是根據化學學科知識進階和學生的認知發展規律來安排的，有利于從學科理解的角度不斷深化知識，促進學生的認識發展。初中化學核心知識是以各種元素為代表的單質、化合物的組成及其變化，教師首先需要幫助學生建構證明化合物組成的基本思路方法。本文以九年級人教版《化學》第四單元課題3“水的組成”教學為例，談談在研究物質的組成過程中如何促進學生認知發展。

一、以證據推理鏈串聯學生認知視角

化學認知視角是指對物質及其變化的特征及規律進行認識的側面、角度或切入點，是解決“從哪兒想”這一問題的，旨在啟發和指導學生化學思維的方向或突破口。而學習是指由經驗引起的行為、能力和心理傾向持久性的變化[1]，學習者的經驗將是學生學習的證據，基于證據進而推理出合理性的結論。以證據推理鏈串聯化學學習過程，能不斷將學生的經驗有效串聯起來，形成系統的證據推理過程，進一步發展學生的認知視角。

在證明化合物組成的學習過程中，讓學生學會如何辨別、理解和處理眾多與化合物組成的有關證據，基于多維度的證據進行推理化合物的組成，讓學生尋找“研究物質的組成”認知視角。 在“水的組成”教學中證據鏈是：古人“眼”中的水→科學家“眼”中的水→我們“眼”中的水。教師引導學生不斷從古語、史料、實驗、模型中尋找多重證據形成證據鏈進行推理。從古語的經驗證據、史料的宏觀證據、實驗定性定量證據、模型的微觀證據等來提高學生收集證據的廣度和深度，進而提煉物質認知視角：從宏觀元素組成來認知物質的組成，從微觀粒子構成來認知物質的組成，從定性實驗來體會物質的組成，從定量實驗來計算物質的組成。教師設計的具體證據鏈如圖1。

圖1 化合物組成學習證據鏈

二、以案例和引導發展學生認知思路

化學認知思路是指對物質及其變化的特征及規律進行認知的程序，是解決“怎么想”這一問題的，旨在啟發和指導學生化學思維的路徑和分析框架。在教學過程中以案例和引導發展學生認知思路也是一種嘗試。教學一定需要案例和引導。從原始的“口耳相傳”教學，到“視聽結合”的現代教學，甚至是以“學習中心”為主的未來教學，都離不開案例和引導。高質量的案例和引導促進學生集中注意力、激發興趣、分析辨別、歸納推理、進行反思、生成意義、建構新知等， 這就構成了案例和引導的完整過程和連續環節。

在促進學生的認知發展教學過程中，需要高質量的案例和引導來促進學生的認知發展。在“水的組成”教學案例中，讓學生接觸大量科學家的研究史實，了解科學家研究物種組成的發展史，不斷激發學生的學習興趣，遵循化學的“原生態”發展軌跡，遵循學生認知發展規律，逐步引導學生從多角度進行學習的科學方法。從而掌握研究“物質組成”認知思路。

【案例1】屏幕播放模擬的普利斯特里“可燃空氣”魔術，“可燃空氣”由“可燃氣”與空氣混合組成；然后瓶子里還有一位神秘“客人”。“可燃空氣”是什么？神秘的“客人”是誰？

引導：最初普利斯特里在變魔術中發現點燃“可燃空氣”，生成了一種液體物質，分析史料，尋找證明“可燃空氣”的證據；基于證據推出什么結論？

指出證據：“可燃空氣”燃燒，瓶壁上有不少液態物質。

推理：從宏觀實驗證據猜想，“可燃空氣”可能是氫氣和空氣混合，在點燃條件下生成水。

【案例2】隨著氧元素得到確認，卡文迪許接著嘗試用純氧代替空氣，進一步確認1單位體積的氧與2單位體積的“可燃氣”恰好可以完全反應，生成水。但是受當時“燃素學說”的影響，卡文迪許并沒有根據自己的實驗證據做出正確合理的推理。

引導：以上是卡文迪許做的實驗，他的證據是什么？結論是什么？卡文迪許收集了這么多證據，有沒有推理出水的組成呢？

指出證據：實驗和定量證據是1單位體積的氧與2單位體積的“可燃氣”燃燒，生成液體水。

推理：1單位體積的氧與2單位體積的“可燃氣”恰好完全反應生成水，但受“燃素學說”的影響，這一實驗證據并沒有得到正確的推理。

【案例3】拉瓦錫繼續從元素守恒的角度，從化合物的化合和分解角度設計實驗。他將15格令(1格令為65毫克)的易燃空氣(H2)和120格令的生命空氣(O2)放在一起燃燒，燃燒產物精確為135格令的純凈物(H2O)；再將135格令的純凈物(H2O)通過一根燒紅的槍管，又得到原質量的H2和O2。

引導：以上是拉瓦錫所做的實驗，他的證據是什么？結論是什么？

指出證據：拉瓦錫不但從水的生成找證據，還從水的分解找證據；根據定量分析推理水的組成。15格令的H2和120格令的O2燃燒，生成135格令的H2O。135格令的H2O分解為15格令的H2和120格令的O2。首次從純凈物(H2O)的角度進行實驗，并排除其他物質的干擾，直接用燒紅的槍管進行電解。

推理：從化合物的化合和分解角度，推理出水是由氫、氧兩種元素組成的。

引導：科學家研究物質組成時，做了一系列的實驗，你能說說科學家是利用哪些化學反應來研究水的組成的。

學生通過上面的案例與引導，總結出基于證據研究水的組成的認知思路，如圖2。

圖2 科學家研究水的組成思路

教師在循序漸進的案例與引導中，不斷激發學生尋找科學家研究過程中的證據，并進行合理的推論，讓學生按科學家研究元素化合物組成的進程去尋找研究元素化合物的認知思路。

三、以實驗探究發展學生認知方式

學生認知方式指對物質及其變化的特征、規律進行認識的方式方法，是解決“怎么做”這一問題的，旨在啟發和指導學生用化學思維方式解決問題。在化學學科發展歷程中，每一次理論突破、每一個發現和發明，都是基于實驗研究或通過實驗檢驗的，并在實驗證據基礎上進行推理。按科學家研究水的組成認知方式，學生討論提出實驗探究來認識水的組成：

圖3 實驗探究來認識水的組成

化學是以實驗為基礎的，教師在引導學生了解科學家如何探究物質組成后，要讓學生親自動手實驗。讓學生在實驗探究過程中，初步掌握物質的組成認知方式，并初步學會運用比較、分類、歸納、概括、演繹、抽象等科學方法推斷物質的組成。

教師在實驗教學過程中可以用問題鏈的形式開展實驗教學。讓學生善于從學科理解的視角發現問題。元素化學物的組成需要從化合物的生成視角設計問題，也需要從化合物分解的視角設計問題，不斷激發學生進行猜想、收集證據、基于自己的實驗證據進行推理結論。

(一)問題鏈推進認知過程

【問題1】如何從水的生成視角證明物質的組成？

表1 實驗設計

根據設計的方案，進行氫氣在空氣中燃燒實驗，收集、記錄證據，依據證據展開推理活動。教師引導學生從元素視角思考水的組成。在探究過程中引導學生從元素守恒視角思考證據的準確性。拉瓦錫是對純凈物(H2O)進行實驗，并控制沒有其他物質的干擾，直接用燒紅的槍管進行電解。

【問題2】氫氣在空氣中燃燒生成水的實驗，能準確證明水是由氫、氧元素組成的嗎？

空氣中含有N2、O2、CO2、水蒸氣、稀有氣體等，從元素守恒的視角，氫氣在空氣中燃燒后生成水這個推理不嚴謹，我們需要尋求進一步的驗證方案，能否從水的角度出發？

【問題3】如何從水的分解角度證明物質的組成？

學生思考如何從水的分解角度證明物質的組成，設計實驗方案。電解過程中收集證據觀察：①相同時間氣泡產生的快慢，②相同時間氣體體積的量。電解結束后(檢查氣體)觀察：木條燃燒情況。教師帶領學生從定性證據的收集到定量證據的收集，從不同視角(變化觀、元素觀)分析問題，基于證據展開推理的活動，推出合理的結論，同時建立純凈物的分類方法，進一步形成分類觀。

表2 實驗現象與結論

表3 實驗總結

【問題4】電解過程中，為了增強導電性可在水中加入氫氧化鈉、硫酸或硫酸鈉等物質；從氫、氧元素守恒視角，你會選擇哪種物質？

這個問題進一步引導學生思考化學反應變化過程中的變化觀和元素觀，為了確保元素守恒，應選擇硫酸鈉。

【問題5】氣體體積受溫度壓強影響較大，電解過程中收集氣體能保證在同溫同壓下準確測定氣體體積嗎？閱讀下面史料證據，看看科學家如何解決這個問題。

出示史料證據：①同溫同壓下，氣體的體積比為分子個數比。②1805年法國化學家蓋·呂薩克從定量的角度精準測定水的組成：

蓋·呂薩克設計實驗較精確，氫氣、氧氣可以完全控制純凈，體積可以在同溫同壓下測定，反應條件為電火花點燃，可以使反應充分進行，反應后可以在同溫同壓下準確測量水蒸氣的體積。進一步通過科學家的精確證據和推論，拓寬學生分析元素化合物組成的思路，進而定性分析和定量計算推出水的組成結論。

(二)模型幫助學生認知

研究化合物組成的過程中，宏觀證據需要從微觀角度進行科學解釋，找到宏觀證據和微觀證據之間的因果關系，科學地歸納推理才能得到更合理的結論。在水的組成中可以從不同視角(實驗觀、微粒觀、變化觀、元素觀)進行探究，運用分子模型進行解釋宏觀證據。讓學生用橡皮泥模擬電解水的微觀變化過程，并且讓學生畫出物質的微粒示意圖和電解水的過程示意圖，并用符號進行表征。

圖4 物質的微粒示意圖

圖5 電解水的過程示意圖

教師從學生的認知視角、思路、方式來重構知識體系指引下的教學，能促進學生認知發展，是核心素養下的教學新范式。在教學過程中，充分促進學生認知發展需要考慮“從哪兒想”“怎么想”“怎么做”這幾個問題。從學生的認知起點出發，把握好知識的深度和廣度，做到深入淺出、以點概面，不斷從認知視角、認知思路、認知方式去幫助學生搭建學習支架，形成從“認知視角—認知思路—認知方式”這三個層次指導教學的教學方法，層層深入、螺旋上升，促進學生的認知發展。