促进学生微观认识发展的“物质构成奥秘”主题教学研究

周冬冬+王磊+黄燕宁+王严+赵志平+蒋俊波+陈涛+耿茜

摘要：在梳理“物质构成奥秘”主题教与学的已有研究的基础上，挖掘学生问题产生的根源，将“物质构成奥秘”主题的教学定位于促进学生微观认识发展，并提出“物质构成奥秘”主题的认识模型，在初三年级进行该主题新授课的单元整体结构化教学设计与实施研究，并对教学效果进行了检验。在此基础上，提炼促进学生微观认识发展的“物质构成奥秘”主题的有效教学策略。

关键词：物质构成奥秘；认识模型；单元整体教学；微观认识发展；教学策略

文章编号：1005–6629（2015）2–0024–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

“物质构成奥秘”是义务教育化学课程标准[1]规定的5大主题之一，包含化学物质的多样性、微粒构成物质、认识化学元素和物质组成的表示4个二级主题。该主题教学对学生有两大发展点：（1）帮助学生建立正确的微粒观；（2）应用微观认识描述物质的组成和构成，对物质进行分类，解释物质性质和变化。

日常教学中，很多教师反映：学生基于日常生活常识以及小学科学和初中物理的学习对“物质构成奥秘”主题有一定的认识，他们对原子、分子、元素等概念并不陌生，但是经过“物质构成奥秘”主题的学习后，仍然会出现一系列的错误，如：概念混淆、物质分类出错、概念应用错误、宏观与微观分不清楚、对变化的本质把握不准。已有研究[2]提出学生在本主题存在一些认识偏差，如表1。可以说，学生并没有形成基于微粒的认识方式，不能基于微粒去认识物质组成/构成、性质和变化。

已有研究[3～5]中关于“物质构成奥秘”主题教学研究主要集中在：如何创设生动的情景增强教学的直观性，如何创设联系学生生活实际的情景增强教学的趣味性，如何利用科学史实培养学生严谨求实的科学态度，如何创设丰富的情景探查学生微观认识本身的认识偏差，如何通过任务活动落实化学基本观念等。综上教学现象究其关键，本主题教学中存在的问题有：（1）概念建构孤立，不能结构化设计和整合安排教学；（2）以定义为中心教授概念，不重视概念之间的联系，不重视概念的功能价值。如：教师重视讲授原子和分子的区别，进行很多是非判断练习，但不关注学生学习原子和分子后对物质和微粒关系的认识，以及化学反应和物质性质的认识。

本研究针对“物质构成奥秘”的教学价值以及教与学的现状分析，力图构建“物质构成奥秘”主题的认识模型，促进学生的微观认识发展；基于此，设计并实施促进学生微观认识发展的“物质构成奥秘”主题的单元教学；并进一步反思、提炼促进学生微观认识发展的“物质构成奥秘”主题的有效教学策略。

2 “物质构成奥秘”主题的认识模型

义务教育教科书（2012版）[6]在单元小结处呈现了“物质构成奥秘”单元的知识内容结构，总结了概念之间的关系，如图1。

然而，在日常教学中，图1常被一线教师作为单元知识总结图。为了让图1从表达来看更加功能化，我们将图的形式和认识功能整合起来，构建并提出“物质构成奥秘”主题的认识模型，如图2。该认识模型有3大功能：（1）明确了认识对象和认识角度；（2）体现了概念之间的关系；（3）落实了概念的功能价值。

在“物质构成奥秘”主题的认识模型中，可以看出本主题的认识对象是物质组成/构成、物质分类、物质性质及变化，认识角度是物质、分子、原子、元素，认识角度之间的关系可以成为学生认识特定对象、分析和解决特定问题时的推理路径和认识思路。由于认识角度之间是相互联系的，需要学生基于概念关系建构，发挥概念的认识功能价值，多角度系统分析和解决问题。这些概念的认识功能价值体现在：分子可用于区分物质，在此基础上可用于区分混合物和纯净物、区分物理性质和化学性质、区分物理变化和化学变化；原子可用于认识物质的构成、解释和区分分子、解释不同分子间的转化关系；元素是基于原子水平的概括，可用于区分单质和化合物、建立不同物质之间的联系、找到不同物质之间的异同之处。

3 促进学生微观认识发展的“物质构成奥秘”主题的教学设计与实施

如何通过本主题的教学设计与实施促进学生的微观认识发展？即如何帮助学生建构“物质构成奥秘”主题的认识模型，能够基于微粒认识物质组成/构成、性质和变化，形成基于微粒的认识方式？

3.1 单元整体结构化设计

本主题的单元整体结构化设计主要体现在以下几个方面：（1）将分子、原子、元素等概念基于整体关系去建构，通过引导学生讨论静态的物质组成/构成和分类，帮助学生建构这些概念。如给学生一组物质（混合物、纯净物），让学生进行分类，学生自然就建立了分子的概念；再让学生对其中的纯净物（单质、化合物）进行分类，学生自然就建立了元素的概念。（2）基于认识模型，通过认识物质组成/构成的变式任务、认识物质分类的变式任务、解释物质性质和变化等任务不断引出新概念并彰显概念的认识功能，促进学生微观认识发展。如让学生解释宏观的现象或反应，通过解释性问题的驱动，体会概念的认识功能。

3.2 教学设计

根据“促进学生微观认识发展”的基本教学理念，单元整体结构化设计教学，具体见表2。

3.3 教学实践与检验

我们选取北京市某示范校初三年级进行4节课的教学实践，并全程跟踪了其中一位授课教师关于该主题的日常教学。为了调查教学效果，分别在“物质构成奥秘”主题授课的前、后对学生进行侧重微观认识发展的问卷测查和访谈。由于本次教学中该校所有初三班级均参与了教学研究，故研究者在同等级学校安排对比班测试。

对比班教学首先分别进行分子、原子、元素等概念教学，再利用所学的概念从宏观和微观角度去认识物质和变化。具体教学过程是通过酒精挥发引入教学主题，提出假说“物质是由更小的物质构成，物质是由小微粒构成”；通过化学史实和物质的扫描隧道图证明“物质是由分子等微粒构成的”；通过氨水遇酚酞变红、酒精与水混合、比较压缩空气和水三个实验进行分子特征的教学，然后让学生从微观的角度分析宏观现象；通过物质的分子结构模型让学生认识到分子由原子构成，再从微观角度看物质、纯净物和混合物以及变化，总结分子和原子的区别与联系；通过化学史上原子模型认识的发展进行原子结构的教学；通过多种含铁元素的物质引出元素概念，观察元素周期表得出“决定元素种类的是质子数”，解读元素周期表，从宏观和微观角度结合看物质及其变化；最后进行化学式的意义、化学式的书写、简单化合物的命名、化合价的原则、化合价的标法和含义、化学式的计算、混合物中元素含量计算等教学。

测查及访谈具体安排如表3。

调查问卷为自编测试题，针对已有测验的探查点都是指向学生对微观概念本体认识的具体偏差，而没有探查学生建立微观概念后能够解释什么宏观的现象、事实或变化，即没有关注学生是否基于微观概念发展了相应的认识方式和能力。因此本测查问卷中设置描述性任务和解释性任务，测查学生如何分析和解释所看到宏观的现象、事实或变化，然后我们通过学生的答题情况进行赋分，看学生是否建立了微观认识角度，形成了微观认识方式。

用单维Rasch模型对学生样本的前后测数据进行量化分析，得到学生信度是0.78，试题信度是0.95，具体数据如表4。

根据表4，我们可以看出实验班与对比班学生在主题授课前差异性不显著，授课后实验班学生的平均能力值高于对比班学生，且存在显著性差异。

本研究进一步对学生概念关系、概念功能价值认识两个方面的情况进行了统计分析。对学生概念关系认识的测查主要看学生是否能够主动建立并应用“物质-微粒”、“分子-原子”、“物质-元素”、“元素-原子”、“原子-离子”间的关系来分析和解决问题，如表5所示的后测问卷中的第2题。对概念的功能价值认识的测查主要看学生能否建立认识角度去描述物质的组成/构成，对物质进行分类，解释物质性质和变化，如表6所示的后测问卷中的第4题。

分析结果见表7和表8。问卷测查和学生访谈结果表明，实验班学生对概念关系认识高于对比班学生，实验班学生多角度描述物质的组成/构成的能力优于对比班学生，但实验班学生多角度对物质进行分类、解释物质性质和变化的能力与对比班学生基本一致。同时，我们也可以发现，实验班和对比班学生解决问题时均很难自主做到宏微观结合，如表6所示的题目，大部分学生基于物质、元素的角度，或者基于分子、原子的角度。

4 “物质构成奥秘”主题的有效教学策略

反思“物质构成奥秘”主题的教学设计与实施过程，可以提炼出以下有助于促进学生微观认识发展的“物质构成奥秘”主题的有效教学策略。

4.1 基于概念关系整体建构相关知识

该主题的有效教学策略之一是基于概念关系整体建构有关知识，形成系统的认识模型，推进教学进程。在该主题教学的第一课时中，我们利用认识物质的组成/构成和物质分类任务驱动学生基于概念关系建立分子、原子、元素的概念，借助相对非定义性的概念理解找到分子、原子、元素与物质的关系，初步建构“物质构成奥秘”主题的认识模型；在教授完原子的构成后再次理解分子、原子、元素和物质的关系；整个教学过程中通过认识物质的组成/构成、物质分类、解释物质性质和变化等任务，反复多次从不同的视角梳理分子、原子、元素、物质这些概念之间的关系，系统建构“物质构成奥秘”主题的认识模型。

4.2 基于核心概念认识功能和价值设计驱动性任务

该主题的有效教学策略之二是基于核心概念认识功能和价值设计驱动性任务，实现学生原有认识的探查、相应概念模型的建立、有关知识的应用。已有概念教学会先观察分子的存在，直接给出扫描隧道图，让学生体会原子的存在，完全是为了得出概念，而上述教学策略路线是学生学了分子、原子、元素的概念之后能帮助学生解决哪些任务，就将那些任务作为驱动性任务，激起学生学习的需求，驱动学生建立概念。基于此，我们在教学中设置了一系列驱动性任务，主要包括如何看物质的不同与相同、如何看物质的分类、如何看物质的性质和变化这3组任务，如表9。

4.3 基于“宏观-微观-符号”三重表征设计学生活动

本主题的有效教学策略之三是基于“宏观-微观-符号”三重表征设计学生活动，发展认识方式类型。教学中，利用宏观的现象、反应、事实、信息等创设情景，将微观的概念外显，并使用化学用语分析、表达化学宏观的现象等。如在物质分类任务的学生活动中，不同小组的学生拿到不同表征方式的卡片；再如认识物质变化的任务中，从多个角度表征反应。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定.义务教育化学课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2] Hans-Dieter Barke， Al Hazari， Sileshi Yitbarek [M]. Misconceptions in Chemistry， 2009.

[3]胡久华，王磊.初中化学教学策略[M].北京：北京师范大学出版社，2010.

[4]肖红梅，朱纷.“物质构成的奥秘”主题教学的难点分析及其突破[J].中学化学教学参考，2010，（11）：8～9.

[5]任宝华，李献红.用活动表现评价深化学生对分子和原子概念的认识[J].化学教育，2011，32（9）：29～32.

[6]王晶，郑长龙主编.义务教育教科书·化学（九年级上册）[M].北京：人民教育出版社，2012.