“宏微结合”核心素养在化学课堂教学中的应用

孙海艳+王建民

高中化学学科核心素养主要包括“宏微结合”、“分类表征”、“变化守恒”、“模型认知”、“实验探究”、“绿色应用”等6方面

。学生通过接受高中化学课程的学习，在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等方面形成和发展化学学科核心素养。其中“宏微结合”核心素养在高中化学学习过程中有较为广泛的应用。

一、宏微结合在化学教学中的应用举隅

1.通过模型制作，用实物类比物质的微观组成，理解空间构型

有机物同分异构体概念学习时，对其空间立体结构的认识，是有机物命名的前提，更是同分异构体正确书写的基础。能不能把立体结构压“扁”到纸上，再通过纸上的书写想象出其真实结构，实现被压“扁”的手写和有机物的真实结构的联系，模型组装课就是一种最为有效的方式。

案例1 有机物空间结构的认识与理解

烷烃中每个碳通过四条键形成空间正四面体结构，但其书写只能是平面结构，所以单单凭借想象来感受烷烃中以碳为核心的各原子间的链接方式，对学生来说是困难的。而当学生通过组装甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等最简单的一类碳氢化合物，再对照模型写出其结构简式，学生可以体会出同碳四个键的等同地位，即书写时以一个碳为研究对象，它周围所连的四个基团位置可以互换。通过动手组装，学生总结出烷烃的异构是因为碳链的连接方式不同造成的，这种不同是因为出现了支链，而不是自己凭借想象画出的直线和曲线的区别，真实的碳链也不是直线形的。所以通过宏观模型可以充分“看出”书写体和真实结构的差异并能实现其之间的转换。如甲烷的二氯取代产物，书写时受平面结构限制，出现假性“异构”：

CHClHCl和

CClClHH。

学生往往会认同二者是同分异构体，用代表氯原子的球替代原来的氢，不难理解因碳的空间对称结构，同一个碳上的四个位置上的氢完成相同，取代后两个氯原子均处于邻位，没有同分异构体。通过制作宏观模型，分辨出同分异构体和同一种物质的不同，为高二同分异构体的书写打下基础。又如在《有机化学基础》中氢的核磁共振谱的学习中，判断等效氢时，在必修二对碳立体结构认识的基础上，依据同一个碳上四个位置因为中心对称而完全相同，同碳上的氢为一类氢，类推出同碳上的甲基上的氢为一类氢，同一个碳的乙基上有两类氢，同一个碳上连有正丙基时有三类氢

；把同碳上同时连有四个甲基、乙基、正丙基换为连有二个甲基、乙基、正丙基，形成CH3CH2CH3，CH2CH2CH2CH2CH3，CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3，得出相对轴对称位置上氢为一类氢。烷烃中的等效氢的判据就这样一一呈现。如果没有这样的模型课，所有的学习都建立在对空间结构假象的基础之上，因而不能“看到”而缺乏认识基础以及为此产生的不自信。所以一堂模型课，对于初学的学生就是必不可少的认识基础课。再如命名时，学生常常对CH3CH2CH2CHCH3CH2CH3这样的结构直接就命名为：2-乙基戊烷，但对于“玩”过模型的学生，出错的概率就比较小。

所以认识碳的立体结构，是有机化学等效氢、命名以及同分异构体书写、认识的基础。而通过模型制作，实现了微观粒子立体结构的宏观呈现，这样的动手实践过程，也正是学生化学“宏微结合”核心素养的形成过程，

案例2 元素周期律概念的认识与理解

元素周期律包含了从原子半径、金属性、金属与水或酸反应的快慢比较、金属最高价氧化物的水化物的碱性强弱比较；非金属性、非金属最高价氧化物的水化物的酸性强弱比较以及气态氢化物的稳定性比较。学生会觉得比较多，记不住、学不会，更不知道为什么会是这样。问题出现在哪里？究其原因是对整个体系缺乏了解，半径的学习才是全部规律的基础，理解了半径的递变规律，其它所有规律都将迎刃而解。而对于半径的学习规律，学生对同周期从左向右半径依次减小（零族除外）和质子数依次增多的学习一直是混淆的，因为对原子的内在结构缺乏了解，而以宏观模拟呈现其内部组成，同周期元素，电子层数相同，从左向右每增加一个质子同时增加一个电子，学生往往只看到了电子的增加认为半径也增大，所以宏观模型主要要体现出一个质子和一个电子质量的不同，一个质子的质量是一个电子质量的1836倍，怎么体现呢？将其比喻为一块大磁铁对铁屑的吸引，带几块磁铁和一些小铁钉到课堂，和学生一起感受“大”磁铁对“小”铁屑的吸引，领会质子质量是相对电子质量的1836倍。同时增大质子和电子，因为质子的“大”对半径的影响占主要地位，相比电子的影响可以暂时忽略，得出同周期也是当电子层数相同时，质子数是影响半径的主要因素，因为质子数的强大，从左向右不断增加质子数，对电子的引力增大，从而使半径减小。引申到当比较离子半径时，对于具有相同电子层排布的离子，质子数越多半径越小。通过质子对电子的引力变化，对金属性、非金属性以及其延伸出来的性质的学习也可以达到水到渠成的效果。

案例3 元素周期律概念的认识与理解

在气体摩尔体积一课中，一定条件下，物质在空间所占的体积大小决定于哪些微观因素？笔者在实验室原有球棍模型的部件像小球、铁条的基础上增加了烧杯（作为立体支撑）、粘土等物品，告知学生宏观物质的构成微粒，原子、分子和离子都是一个一个的小球，这些小球通过不同的组合构成了宏观物质，请大家根据自己的想象组合成可以“看得到”的微粒，感觉其对体积的影响。这里笔者选用粘土是考虑利用它的可变形性，结合学生熟悉的球棍模型中的小球、铁条，烧杯或者其他盒子则给出了具体立体空间，一个小组几个学生通过组合，感受物质在空间所占据的体积与微观粒子的关系，对于球的大小、数目以及球间距等对其体积的影响有了充分的直观认识。

设计意图：通过这样的模型探究，用宏观物质展示物质的微观组成，帮助学生实现抽象思维，基本都是对新课第一节的设计，避免了学生只会解题，而不能理解其化学内涵的尴尬局面。并且在后续教学中，能明显感觉到动手操作过的学生，因为“见过”其微观结構，得到更深入的认识，而对学习的自信心更强，学习的兴趣也更足。

2.通过实验演示，用宏观现象直观感知、理解微观结构

在胶体一节的课堂教学中，设计多个学生动手实验，通过这些系列的小型实验设计，实现溶液、胶体和浊液的相互转变。在此过程中学生充分体会到胶体这个概念不是一个孤立的“新生态”，他与学生已经熟悉的溶液、浊液一样，是一个混合体系，是一个微粒集体对另一种微粒的“容纳”，但这种微粒特殊的微观粒子（其被“容纳”微粒的直径在1 nm～100 nm之间），使其在生活、生产中有着广泛的应用。

案例4 溶液、胶体和浊液的相互转变的认识与理解

（1）通过向沸腾的蒸馏水中逐滴加入1 mL～2 mL饱和FeCl3溶液，继续煮沸至液体呈红褐色，停止加热，用激光笔照射烧杯中的液体，可以看到一条光亮的“通路”，即丁达尔效应，通过对硫酸铜溶液和氢氧化铁胶体的对比实验，落实丁达尔效应是胶体的特性。

（2）将牛奶、豆浆、淀粉等加水稀释，观察在稀释过程中用激光笔照射这些溶液，有光亮的“通路”出现，产生丁达尔效应，实现了从浊液到胶体的转变。再继续加入过量水，光路会消失，继续转变为溶液。

（3）将制得的氢氧化铁胶体继续加热，观察其由透明澄清的红褐色“溶液”最终转变为红褐色沉淀，实现了胶体向浊液的转化。

（4）向氯化铁溶液中加入1 mol·L-1的氢氧化钠溶液，观察到产生红褐色沉淀。

（5）将上述（4）实验中的氢氧化钠依次稀释1倍、2倍、5倍、10倍后分别加入等浓度的氯化铁溶液中，观察其随浓度降低，沉淀越来越少，最终不能产生沉淀。再将氯化铁溶液，与不同浓度氢氧化钠反应后的产物一一用激光笔照射，观察其均有丁达尔效应产生。

（6）找找身边的胶体。自来水、学校的直饮水以及买来的矿泉水、纯净水、水沸腾出来的水蒸气、氯化铁溶液、氢氧化铁沉淀都被作为实验对象，做了丁达尔实验。并记录实验现象：能产生丁达尔效应的有自来水，三氯化铁溶液，水蒸气，氢氧化铁沉淀；不能产生的有直饮水，买来的矿泉水和纯净水。

氢氧化铁胶体的制备过程，实现了氯化铁溶液中的溶质FeCl3转变为[Fe（OH）3]n的过程，

[Fe（OH）3]n是一种分子或其他微粒的聚集体，其大小随浓度、温度发生改变，其分散质粒子的直径恰好落在1 nm～100 nm之间时得到的分散系被称为胶体。牛奶、淀粉、豆浆是化学中的大分子物质，其微观粒子以淀粉为例可表示为（C6H10O5）n，一个分子中含有几百到几千个C6H10O5链节，在水分子作用下被分离，使n的个数越来越少，其作为分散质微粒的直径可以减少到1 nm～100 nm之间，这时得到了胶体。因此如果说牛奶、淀粉、豆浆溶液是胶体是可以理解的，因其常见浓度下的牛奶、淀粉、豆浆溶液都能观察到明显的丁达尔现象，得到所谓的溶液其浓度已经非常非常小了。

设计意图：通过实验实现浊液、胶体和溶液之间的相互转变，了解胶体同溶液、浊液一样只是分散系的一种存在方式，理解其只要分散质直径落在1 nm～100 nm之间的分散系就可以认为其存在状态是胶体。

3.通过原理演绎，用理性思维分析计算，理解离子行为

案例5 溶液化学反应实质的认识与理解

例1 在NaOH和Ba（OH）2的混合液中，逐滴加入0.1 mol·L-1 H2SO4溶液，加入H2SO4溶液时的体积与生成BaSO4沉淀的质量关系如图1所示。

已知当加入H2SO4溶液50 mL时，溶液呈中性。请回答：

（1）当加入H2SO4溶液20 mL时，沉淀的质量刚好达到最大，生成沉淀的质量是g。

（2）原混合溶液中NaOH的物质的量是mol。

在解答上述计算时，学生因为思维混乱，看不到所给坐标中的信息，造成运算错误，或者看到坐标中的信息能计算出正确答案，但并不能理解其反应原理，更谈不上举一反三，学会解题方法了。而从电解质的电离“进入”其微观世界，认识其在水溶液中以自由移动的Na+、Ba2+、OH-构成，加入H+、SO42-，溶液中的反应其实质就是离子之间的反应，所以发生H++OH-H2O、Ba2++SO42-BaSO4↓，整个过程中Na+并没有参与反应，两个离子反应同时进行，这样通过分析离子间的相互作用，了解其微观粒子的行为，运用其反应原理，深入到反应内涵，知其所以然，形成解决化学试题的思维能力，从而能达到举一反三的效果。

例2 室温下，将100 mL某硝酸和硫酸的混合液分成两等份：一份加入过量的BaCl2溶液，充分反应后得沉淀2.33 g；另一份加入50 mL 1.0 mol·L-1 NaOH溶液，充分反应后溶液的pH=13（溶液的体积为100 mL）。试计算：

（1）原溶液中所含H2SO4的物质的量mol。

（2）原混合溶液中硝酸的物质的量浓度为mol·L-1。

解决第二问时，因为无论是硝酸还是硫酸，拥有相同的H+，与NaOH溶液反应存在：H++OH-H2O，反应中消耗的n（H+）等于消耗的n（OH-），应用H+的物质的量等于OH-的物质的量列式计算有：2n（H2SO4）+n（HNO3）=n（OH-）=0.05 L×1.0 mol·L-1-0.1 L×0.1 mol·L-1，从而n（HNO3）=0.04 mol-2×2.33÷233mol=0.02 mol，所以原溶液中：c（HNO3）=2×0.02 mol÷0.1L=0.4 mol·L-1。

设计意图：通过分析离子行为，更有利于理解其反应实质，是化学守恒思想学习的基础。

以化学观念统领下的教学，最关键的是让学生能从本质上理解化学知识，“微粒观”作为中学化学的核心观念，在教学设计时从学科本质设计活动，通过对具体化学知识的学习，抽提、概括出事实背后蕴含的核心认识，促进学生对核心知识的深层理解，避免只贴“观念”标签而没有实质内容的情况出现。所以，教学中把握“教什么知识”和“为什么教这些知识”是很重要的，这正是“核心觀念统领教学”中蕴含的深层次理解和应用知识的一个思考。