高中化學必修“微觀探析”整體教學活動設計

文/丁 櫻

“微觀探析”能力是對系統的組成部分進行更加詳細的觀察的能力[1]。在高中化學課堂中引導學生從微觀層次認識物質，學會應用符號形式描述物質的活動，讀懂各種數據圖像描述物質變化的過程，將有助于學生從定性與定量兩個視角建立研究物質性質的“宏觀—微觀”的化學學科觀念與思維方法。

大部分學生進入高中后還習慣性地延續著初中的化學學習方法。首先，學生特別重視物質性質、變化、用途等知識點，對建構微觀結構模型與模型認知能力發展的認識不足，他們往往忽視建構和認知微觀結構模型的“微觀探析”活動。其次，學生不愿意花太多時間去理解化學用語的意義。隨著化學表征方式的多樣化和復雜化，學生感到化學學習的難度增大，并因此產生焦慮。最后，受課時限制，教師在課堂上很難循序漸進地幫助學生認知物質的微觀模型，無法實現“授人以漁”的目的。如何幫助高中生在化學必修學習中發展“微觀探析”能力，增強學習信心，就成了當今高中化學教學的當務之急。因此，開展高中化學必修“微觀探析”整體教學活動勢在必行。

一、研究的理論依據

（一）認知發展理論

認知發展理論認為，教師要在課堂教學中積極創設“最近發展區”，讓學生在同伴、教師的幫助下完成獨自不能完成的任務[2]。根據這一認知理論，整體設計高中化學“微觀探析”活動，循序漸進地在高中化學必修課堂上創設“微觀探析”的主題，有利于教師把控“微觀探析”活動的節奏，由淺入深地進行活動設計與開展整體教學活動，有利于學生更好地完成“微觀探析”任務。課堂教學中“微觀探析”活動的廣泛開展和持續深入，能讓學生“微觀探析”的能力得到持續提升，促使學生形成從“宏觀—微觀”視角歸納、解釋、描述、表征物質及其反應的意識[3]。

（二）建構主義理論

建構主義理論認為，教師要在課堂教學中成為學生建構知識的積極幫助者和引導者，激發學生的學習興趣。建構主義理論為高中化學“微觀探析”的活動指明了具體方式。在“微觀探析”活動中，教師通過展現實物、實驗現象、史實、工業生產與環境保護的問題、晶體衍射圖、現代分析儀器譜圖、最新學術文獻等多維證據，進行有效的引導，讓學生能夠更形象地進行“微觀探析”活動，促使學生的“微觀探析”能力由表及里得到提升，逐漸形成從“宏觀—微觀—符號—曲線”四重表征來分析化學相關問題的意識。

二、確立高中化學“微觀探析”活動的認知發展階梯與主題

課題組從六個方面層層遞進有條不紊地開展研究與探討：研究了蘇教版化學教材（2020 年7 月版）各模塊的內容以及高中化學認知的發展，梳理了高中化學“微觀探析”的主要研究對象，探討了重要的概念、原理以及物質及其變化的認知模型，整理了微粒的微觀基本結構、研究物質變化過程中的主要證據，建立了高中化學“微觀探析”認知發展的三個階梯——微觀結構、微粒的移動與變化以及微粒濃度，明確了三個階梯“微觀探析”的認知角度與認知內容（見表1）。

表1 高中化學“微觀探析”活動認知發展階梯與主題

三、實施高中化學必修“微觀探析”整體教學活動

有了堅實的理論基礎，根據高中化學“微觀探析”活動的認知發展階梯與主題，課題組結合蘇教版教材（2020 年7 月版）的必修課程內容，循序漸進地開展“微觀探析”活動。課題組教師先通過充分的證據幫助學生建立“物質、微粒的微觀結構”模型，然后再從“微粒移動與變化”“微粒濃度變化”這兩個視角幫助學生初步建立化學反應原理的認知模型。在“微觀探析”活動中，學生逐漸形成“結構決定性質、量變引起質變”的化學觀念，宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知、變化觀念與平衡思想的核心素養得到了提升，具備了扎實的微觀結構模型與“微觀探析”的意識，提高了化學表征能力。

（一）層級式開展“微觀結構”模型認知活動

課題組結合高中化學必修課堂教學進度，層級式開展“微觀結構”模型認知活動。首先，從微粒大小、間距、運動這三個要素建構物質微觀結構模型，從自由移動陰、陽離子這一視角建構電解質溶液、熔融狀態的微觀結構模型，并應用模型認知物質物理性質的差異、摩爾體積概念、分散系的分類、化合物分類、溶液的導電性。其次，從原子核組成和核外電子運動這兩個視角建構原子結構模型，應用原子結構模型認識核素與同位素概念、焰色反應、穩定的電子層結構、單質的性質。再次，從微粒間作用力視角建構晶體結構模型，應用模型認知化合物的分類、晶體物理性質的差異。最后，從原子間連接順序、成鍵方式、空間結構這三個要素來建構分子結構模型，并從化學鍵、官能團等視角理解有機反應，預測有機物的化學性質。

課堂上出現的實驗、化學史實、波譜圖、結構模型等證據，引導著學生積極主動參與課堂活動，主動發現與探索，體驗科學研究過程的證據推理與模型建構。這樣的教學活動有助于學生改變只關注物質性質、用途等知識的學習狀況，讓他們意識到要從微觀層次思考化學問題，從而理解應用電離方程式、原子結構示意圖、電子式、分子結構式、分子結構簡式、球棍模型、空間填充模型、晶胞模型等化學用語或模型來描述物質微觀結構的意義，初步建立探討化學問題的思維方式，即“宏觀—微觀—符號”的三重表征方式。在這一認知活動中，學生對物質分類的認知從“元素、物質組成與性質”宏觀視角認識物質的分類，發展到從“物質電離”微觀視角認知化合物的分類，再從“微粒間相互作用力”微觀視角認知晶體的分類，進階到從“官能團—價鍵”微觀視角初步認知有機物的分類，有助于提高學生對物質的系統化和結構化認知。因此，這一認知活動也為學生進一步學習物質結構模塊與有機化學奠定了扎實的微觀結構基礎。

（二）滲透式開展以“微粒移動與變化”為主題的“微觀探析”活動

課題組研究了王磊教授主持研究的化學反應認知模型，挖掘了“微粒移動與變化”對其認知發展的功能價值，以“離子、電子、電化學體系中微粒、分子”為研究對象，在課堂上滲透式開展以“微粒移動與變化”為主題研究化學反應過程的“微觀探析”活動。

在開展這一認知活動的過程中，教師應注重引導學生從離子結合、電子轉移這兩個微觀視角認知離子反應與氧化還原反應的條件，提升學生從微觀視角分析或預測溶液中微粒變化的能力；深入啟發學生從離子的移動與變化、電子的轉移與遷移這兩個微觀視角來理解電化學工作原理，了解電化學裝置模型，認識電化學裝置實現了化學能與電能之間的轉化；積極推動學生從分子變化、價鍵的斷裂與生成這兩個微觀視角，進一步描述化學反應的微觀過程及其能量變化原因，認識引燃、光照、加熱、持續加熱等條件在化學反應進行中的作用；耐心協助學生從“官能團—價鍵”這一視角初步認識有機物之間的相互轉化；學生逐漸形成“結構決定性質”的化學觀念，提高了“證據推理與模型認知”的能力以及從微觀結構視角描述化學反應過程的意識和表征能力。

隨著這一認知活動的逐漸深入，學生研究化學反應的認知視角逐漸豐富，實現了從單一的“物質”宏觀層面向“物質—規律—能量”綜合宏觀視角轉化；實現了從“反應物—生成物”的宏觀層面逐漸拓展到包含“微粒—過程—價鍵”的“宏觀—微觀”層面；實現了從單一的“條件”視角逐漸拓寬到“條件—裝置—體系”應用層面的認知視角。這也為學生在選擇性必修中學習化學反應原理奠定了扎實的“微觀探析”能力和豐富的模型認知視角。

（三）聚焦式開展微粒濃度“微觀探析”活動

隨著“微觀結構、微粒移動與變化”的“微觀探析”活動的深入開展，學生有了一定的定量計算基礎。課題組選取了電解質溶液、濃硫酸性質、硝酸性質、化學反應速率與限度為教學載體，聚焦式開展以“微粒濃度”為主題的“微觀探析”活動，引導學生從“物質的量濃度”的視角來認知物質性質和化學反應速率與限度，重點培養學生從定性和定量的視角描述物質組成及其變化的能力。

隨著這一認知活動的開展，學生認知視角的深度與廣度都有了很大的拓展。學生從以“質量、體積”為主的認知視角轉變為以“物質的量、物質的量濃度”為主的認知視角；從“物質濃度”拓寬到“微粒濃度”的視角來探討化學反應機理，初步認識“量變引起質變、結構決定性質”“變化觀念與平衡思想”等化學思想，同時也充分體驗了應用四重表征法（即“宏觀—微觀—符號—曲線”）分析化學問題的過程。這些都為學生學習“化學反應原理”奠定了扎實的定量研究基礎。

四、結束語

富有新鮮感、時代感、感染力的化學課堂教學，一方面能有效引導學生在“微觀探析”活動中感受到技術手段的發展與創新對科學研究發展的意義；另一方面強化了學生對“化學學科對人類發展與進步有重大貢獻”的認識，培養了學生的科學探究與創新意識和科學態度與社會責任。課題組教師們樂于探索、不斷創新，開發的教學案例分別獲得省優、市一二等獎，教師個人也分別獲得省市學科帶頭人、市級骨干教師、市級教育教學能手等榮譽稱號。

教學實踐證明，在“微觀探析”整體教學活動中，學生在課堂上能夠主動積極地進行微觀模型認知與優化知識結構，逐漸建立了化學研究的思維模型，形成了“結構決定性質、量變引起質變”的觀念，提升了從多重表征水平思考問題的能力，發展了宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據推理與模型認知等化學學科核心素養。