摘要:基于“物質(zhì)組成”知識(shí)內(nèi)容特點(diǎn)的分析,結(jié)合知識(shí)間的多重關(guān)系,就化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)下的知識(shí)結(jié)構(gòu)及認(rèn)識(shí)思路進(jìn)行了探討。以化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng),把具體的事實(shí)、概念與學(xué)科中普適性更高的重要概念和方法建立關(guān)聯(lián),能讓學(xué)生從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價(jià)值的學(xué)科思想和解決問(wèn)題的思路方法,這將對(duì)促進(jìn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的改造和思維水平的發(fā)展產(chǎn)生積極影響。
關(guān)鍵詞:物質(zhì)組成;知識(shí)結(jié)構(gòu);認(rèn)識(shí)思路;化學(xué)觀念
文章編號(hào):1005–6629(2015)8–0010–05 中圖分類號(hào):G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B
“物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與反應(yīng)”是化學(xué)學(xué)科的基本問(wèn)題[1],認(rèn)識(shí)常見(jiàn)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化等是中學(xué)化學(xué)課程的重要內(nèi)容。與“物質(zhì)組成”相關(guān)的知識(shí)(簡(jiǎn)稱為“物質(zhì)組成”知識(shí))涉及混合物與純凈物這兩大類物質(zhì),分散在不同學(xué)段、不同主題或單元中,如以人教版教科書為例,初中階段有關(guān)混合物的知識(shí)先后有空氣、溶液等,有關(guān)混合物的分離與提純的知識(shí)先后出現(xiàn)在初中(第四單元課題2“水的凈化”)、高中必修1(第一章第一節(jié)“化學(xué)實(shí)驗(yàn)基本方法”)、高中必修2(第四章第一節(jié)“開(kāi)發(fā)利用金屬礦物和海水資源”)、高中選修5有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)(第一章第四節(jié)“研究有機(jī)化合物的一般步驟和方法”)等多個(gè)學(xué)段中。這樣的安排是基于關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,希望通過(guò)螺旋上升的方式來(lái)逐漸拓展、豐富和深化學(xué)生的理解。對(duì)于散在的相關(guān)內(nèi)容,若處理得不好,就會(huì)使教學(xué)內(nèi)容顯得割裂、零散,容易使學(xué)生停留在對(duì)具體知識(shí)的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)上,難以發(fā)現(xiàn)知識(shí)間的關(guān)系,產(chǎn)生理解上的困難。為此在教學(xué)中,如何能顧及相對(duì)獨(dú)立的具體內(nèi)容,又不忽略它們之間的聯(lián)系是值得探討的。鑒于目前對(duì)“物質(zhì)組成”知識(shí)的討論較少,筆者以化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng),就“物質(zhì)組成”知識(shí)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)及其認(rèn)識(shí)思路展開(kāi)探討。
1 對(duì)“物質(zhì)組成”的認(rèn)識(shí)
一般來(lái)講,“組成”有兩層意思[2]:一是成分、組分,指組合在整體中的部分、個(gè)體。二是指部分、個(gè)體組合成為整體。前者側(cè)重整體中的個(gè)別,后者強(qiáng)調(diào)基于個(gè)別的整體,即先要知道組成才能研究物質(zhì)是如何構(gòu)造起來(lái)的。
從化學(xué)的角度看,人們一般是用兩大思路或方法來(lái)研究物質(zhì)的,既研究物質(zhì)究竟是由哪些最基本的物質(zhì)或成分所構(gòu)成的,如把復(fù)雜的事物通過(guò)分析、分解和綜合,還原成為構(gòu)成它們的基本組元的方法;也研究由一些基本成分或簡(jiǎn)單物質(zhì)如何變成較復(fù)雜的物質(zhì)。不僅如此,化學(xué)學(xué)科是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的,且注重宏觀與微觀相結(jié)合,把外在的性質(zhì)、現(xiàn)象歸因于物質(zhì)內(nèi)在的組成和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。因此,化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的視角之一是從物質(zhì)的組成來(lái)認(rèn)識(shí)物質(zhì)并將其分類、歸納[3,4]。
在化學(xué)中,物質(zhì)組成包括組分(對(duì)混合物而言)和元素(對(duì)純凈物而言)組成2個(gè)層次。依據(jù)物質(zhì)是否由同一種組分組成,可以將物質(zhì)分為混合物和純凈物。對(duì)于純凈物,按其組成元素的種類是否單一,可以分為單質(zhì)和化合物。從組成的角度對(duì)形形色色的物質(zhì)進(jìn)行分析和歸類,找出它們的共性和差異,可以達(dá)到深入了解和利用物質(zhì)的目的。
物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是物質(zhì)所具有的決定物質(zhì)性質(zhì)的基本屬性。結(jié)構(gòu)是指系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)組成要素的搭配和排列[5],以此類推,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)涉及物質(zhì)的組成成分(組分或元素)、存在形態(tài)(微?;蛟貎r(jià)態(tài))及其相互關(guān)系(可以是數(shù)量關(guān)系、排列方式、位置分布、相互作用)等。由此可見(jiàn),物質(zhì)的組成是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,是決定物質(zhì)性質(zhì)的主要因素,進(jìn)而影響著物質(zhì)的用途。
物質(zhì)組成與物質(zhì)分類、物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成與性質(zhì)及其用途等相互關(guān)聯(lián),分析和把握它們之間的關(guān)系,并形成對(duì)這種關(guān)系的理解或解釋,可以豐富和發(fā)展學(xué)生對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí),可以更好地了解和利用物質(zhì)。
2 “物質(zhì)組成”知識(shí)的內(nèi)容特點(diǎn)
中學(xué)階段,“物質(zhì)組成”知識(shí)涉及混合物與純凈物這兩大類物質(zhì),對(duì)人教版教科書中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析,大致可歸納為兩大方面(見(jiàn)圖1):一是認(rèn)識(shí)和研究常見(jiàn)物質(zhì)的組成,具體包括:(1)常見(jiàn)物質(zhì)由什么組成,如空氣的組成、水的組成、溶液的組成,一些常見(jiàn)單質(zhì)及化合物的組成等;(2)物質(zhì)組成的表示,如純凈物的化學(xué)式表示其組成;(3)物質(zhì)中各成分之間的數(shù)量關(guān)系,如純凈物中元素間的質(zhì)量關(guān)系(化合物中各元素質(zhì)量比、化合物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù))、混合物中某組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、溶液的酸堿性與pH等);(4)物質(zhì)中各成分之間的相互作用,如水溶液中溶質(zhì)與溶劑之間的相互作用、水溶液中離子間的相互作用、由分子構(gòu)成的純凈物中相鄰元素原子之間的化學(xué)鍵等;(5)對(duì)物質(zhì)組成的測(cè)定,具體有混合物中某成分的含量或濃度的測(cè)定,如空氣中氧氣含量的測(cè)定、溶液酸堿性與pH的測(cè)定、酸堿中和滴定,也包括純凈物元素組成的分析,如水的組成、有機(jī)物的元素定性和定量分析等。二是從組成角度深入認(rèn)識(shí)物質(zhì),具體有:依據(jù)物質(zhì)組成將物質(zhì)分類,如混合物與純凈物、單質(zhì)與化合物、氧化物等;依據(jù)混合物中各組分性質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)的分離與提純等,涉及過(guò)濾、萃取、結(jié)晶、蒸餾等方法,如水的凈化、粗鹽提純、海水淡化等;依據(jù)物質(zhì)組成推測(cè)、解釋或調(diào)控物質(zhì)性質(zhì),如CO和CO2的性質(zhì)不同;鐵合金與純鐵的性質(zhì)不同,水溶液與純水的性質(zhì)不同等。
從內(nèi)容特點(diǎn)看,中學(xué)階段“物質(zhì)組成”知識(shí)以事實(shí)性知識(shí)和技能性知識(shí)居多,而概念性知識(shí)和方法性知識(shí)偏少。其中概念性知識(shí)包括混合物與純凈物、單質(zhì)與化合物、合金、溶液(溶質(zhì)與溶劑)等概念,方法性知識(shí)主要是“依據(jù)物質(zhì)組成的物質(zhì)分類”和“物質(zhì)的分離和提純”,缺少“依據(jù)組成推測(cè)或解釋或調(diào)控物質(zhì)性質(zhì)”等方面的知識(shí),缺乏關(guān)于物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)之間關(guān)系的概括程度較高的化學(xué)觀念與方法。從課程編排看,“物質(zhì)組成”知識(shí)分散在不同學(xué)段、不同主題或單元中,不同階段學(xué)生關(guān)于“物質(zhì)組成”知識(shí)及其承載的化學(xué)觀念與方法的認(rèn)識(shí)要求并沒(méi)有清晰的界定。由此不難理解,在日常教學(xué)中,教師往往集中于具體知識(shí)與技能的教學(xué),對(duì)學(xué)生思維過(guò)程與認(rèn)知發(fā)展的重視不夠,盡管“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)、性質(zhì)決定用途”等學(xué)科思想觀念為教師所熟悉,但有關(guān)“物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及用途的關(guān)系”的內(nèi)容常常被忽略。
3 “物質(zhì)組成”知識(shí)間的關(guān)系與結(jié)構(gòu)
知識(shí)結(jié)構(gòu)由知識(shí)及其相互關(guān)系所構(gòu)成。知識(shí)間的關(guān)系有包含關(guān)系、上下位關(guān)系、因果關(guān)系等。不同的關(guān)系,其意義不同。教學(xué)中需要立足整體的高度,將新知識(shí)的學(xué)習(xí)與學(xué)生已有的知識(shí)聯(lián)系起來(lái),幫助學(xué)生分析和把握知識(shí)間的區(qū)別和關(guān)系,進(jìn)而形成較為系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。
3.1 知識(shí)間的異同關(guān)系
對(duì)知識(shí)間異同關(guān)系的把握,既需要“同中見(jiàn)異”,也離不開(kāi)“異中見(jiàn)同”。通過(guò)比較、分類等方法可以找出事物或知識(shí)之間的異同點(diǎn)。通過(guò)比較,根據(jù)事物的特征分析它們的異同點(diǎn),根據(jù)相似點(diǎn)可以對(duì)事物或知識(shí)進(jìn)行分類。
從元素組成的視角認(rèn)識(shí)純凈物,可以對(duì)元素與物質(zhì)性質(zhì)的關(guān)系有深入的了解[6,7]:一是從元素視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)的“個(gè)性”,即物質(zhì)元素組成(元素種類、元素價(jià)態(tài)、分子中元素間的結(jié)合方式及相互作用)上的細(xì)微差別,會(huì)引起物質(zhì)性質(zhì)上的巨大差異;二是從元素視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)的“共性”,即基于物質(zhì)元素組成可以將純凈物進(jìn)行分類,基于物質(zhì)類別認(rèn)識(shí)同類物質(zhì)具有相似的性質(zhì)。基于物質(zhì)類別可以深入了解物質(zhì)性質(zhì)與變化的規(guī)律。
鑒于課程內(nèi)容分散編排的特點(diǎn),“同中見(jiàn)異”較為顯性,在此強(qiáng)調(diào)要重視“異中見(jiàn)同”,需要注意通過(guò)比較和分析表面上不同事物之間的相同點(diǎn)或相似之處,來(lái)把握知識(shí)間的相似本質(zhì)和規(guī)律。如物質(zhì)的分離與提純,有過(guò)濾、萃取、蒸餾、結(jié)晶等不同方法,其原理各不相同,但它們的共同之處在于“利用混合物中各組分性質(zhì)的差異來(lái)分離和提純物質(zhì)”。這種知識(shí)間的相似性,特別是從個(gè)別事物抽象概括出的規(guī)律性知識(shí)(概括程度較高的一般性知識(shí))具有統(tǒng)攝功能,可幫助學(xué)生學(xué)會(huì)利用某一知識(shí)去同化新知識(shí)或陌生知識(shí),讓學(xué)習(xí)變得容易。又如,以“物質(zhì)中某種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”為統(tǒng)攝,可以幫助學(xué)生較好地認(rèn)識(shí)和理解化合物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、混合物中某純凈物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(如溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù))等問(wèn)題。
化學(xué)知識(shí)間的相似關(guān)系有多種,如宏觀性質(zhì)相似、物質(zhì)組成相似、微觀構(gòu)成或結(jié)構(gòu)相似、實(shí)驗(yàn)原理與方法相似等,教學(xué)中需要注意對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)和引導(dǎo),以發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知策略。
3.2 知識(shí)間的縱橫聯(lián)系
知識(shí)間的層級(jí)關(guān)系包括橫向聯(lián)系和縱向聯(lián)系??v向聯(lián)系是指不同抽象層次知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系,又稱知識(shí)的上下位關(guān)系?!吧衔恢R(shí)”是在對(duì)大量具體事物或知識(shí)進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上形成的,其中具體事物或概念、事實(shí)等稱為“下位知識(shí)”,如過(guò)濾、萃取、結(jié)晶、蒸餾是“物質(zhì)分離與提純”的下位知識(shí),相應(yīng)地,“物質(zhì)分離和提純”是上位知識(shí)(見(jiàn)圖2)。橫向聯(lián)系是指具有相同抽象層次的知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)系,即知識(shí)的并列或同位關(guān)系,如過(guò)濾、萃取、結(jié)晶、蒸餾之間屬于同位關(guān)系。又如,“化合物中某元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”與“混合物中某純凈物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”是同位關(guān)系,而“溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”是“混合物中某純凈物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)”的下位知識(shí)。
分析知識(shí)間的縱橫聯(lián)系,可以明確新知識(shí)學(xué)習(xí)中的思維類型,有利于確定合理的學(xué)習(xí)活動(dòng)。對(duì)具體知識(shí)進(jìn)行抽象概括、一般化或系統(tǒng)化等思維加工活動(dòng),可以幫助學(xué)生形成知識(shí)間縱向向上的聯(lián)系,讓學(xué)生能夠從中獲得更有普遍意義的概念和方法,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的拓展和知識(shí)結(jié)構(gòu)的改造。將抽象概括獲得的知識(shí)或方法用來(lái)指導(dǎo)或運(yùn)用于解決具體問(wèn)題,是知識(shí)縱向向下聯(lián)系的過(guò)程,也是促進(jìn)學(xué)生將知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的重要途徑。
3.3 化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)下的知識(shí)結(jié)構(gòu)
探尋物質(zhì)宏觀性質(zhì)和變化的內(nèi)在本質(zhì)和原因是化學(xué)學(xué)科的核心任務(wù)之一。物質(zhì)的性質(zhì)是由其內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)決定的,這是關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的化學(xué)觀念。物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的這種關(guān)系可以認(rèn)為是因果關(guān)系,即物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的變化(原因)會(huì)引起物質(zhì)性質(zhì)的變化(結(jié)果)。
以上述化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng),從組成(組分或元素)的角度來(lái)看混合物和純凈物的性質(zhì),可以將上述化學(xué)觀念進(jìn)一步具體化(在此稱為“具體理解”),如純凈物的性質(zhì)受組成物質(zhì)的元素種類、元素形態(tài)(化合價(jià)、相鄰元素的結(jié)合方式、分子中元素間的相互作用等)等的影響[8]。對(duì)于簡(jiǎn)單的化合物或單質(zhì),組成物質(zhì)的元素種類甚至起著決定性的作用。與之類似,混合物的性質(zhì)受組分的種類、數(shù)量及相互作用的影響。這些“具體理解”是基于對(duì)大量具體物質(zhì)的性質(zhì)與其組成關(guān)系的抽象概括,可以通過(guò)具體概念、事實(shí)或?qū)嵗齺?lái)體現(xiàn)。如合金和純金屬相比較,其性質(zhì)上存在著較大的差異。在純金屬鐵中熔合一定量的碳、錳或碳、鉻、鎳等,這種組成的改變,使得鐵合金性能隨之發(fā)生改變。利用這種方法,人們可以制得一些符合特殊需要的金屬材料。
知識(shí)間的不同關(guān)系,構(gòu)成了推理及解決問(wèn)題的基礎(chǔ),有的可以用來(lái)分析、概括或解釋一些具體問(wèn)題,有的可以揭示分析和解決問(wèn)題的思考角度和思維過(guò)程。
化學(xué)觀念具有思維引領(lǐng)作用,以化學(xué)觀念為統(tǒng)領(lǐng),將事實(shí)、概念與普適性更高的概念性知識(shí)(具體理解)及化學(xué)觀念之間建立縱向向上的聯(lián)系[9](如圖3所示),不僅能溝通相關(guān)知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系,提升知識(shí)的概括化程度和包容性,而且體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的認(rèn)識(shí)視角與思維方式,能讓學(xué)生從中領(lǐng)悟更有普遍意義、具有持久遷移價(jià)值的學(xué)科思想和解決問(wèn)題的思路方法,這將對(duì)促進(jìn)學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的改造和思維水平的發(fā)展帶來(lái)積極影響。
4 “物質(zhì)組成”知識(shí)的認(rèn)識(shí)思路
化學(xué)觀念是化學(xué)知識(shí)體系中最深層或最上位的知識(shí),用化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)具體知識(shí)可以促進(jìn)對(duì)學(xué)科的基本思路及其知識(shí)間內(nèi)在聯(lián)系的把握[10]。但是,學(xué)生對(duì)化學(xué)觀念的理解是以具體的事實(shí)、概念等具體知識(shí)為載體經(jīng)過(guò)思維加工而逐步形成的,教學(xué)中需要尊重化學(xué)觀念的形成規(guī)律,即需要結(jié)合相關(guān)具體知識(shí)的學(xué)習(xí),引導(dǎo)學(xué)生從化學(xué)視角對(duì)知識(shí)進(jìn)行思維加工,幫助學(xué)生形成相應(yīng)的認(rèn)識(shí)思路與方法。
化學(xué)學(xué)科是在原子、分子和離子層次上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的,宏觀-微觀-符號(hào)相聯(lián)系是化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的認(rèn)識(shí)視角和思維方式,因此對(duì)物質(zhì)組成的認(rèn)識(shí)既包括宏觀層面,也包括微觀和符號(hào)層面。
如前所述,物質(zhì)組成涉及組成成分(組分或元素)的種類、存在形態(tài)(微?;蛟貎r(jià)態(tài))及其相互關(guān)系(包括數(shù)量關(guān)系、相互作用)等要素,以此為依據(jù),將“常見(jiàn)物質(zhì)的組成”作為認(rèn)識(shí)和研究的對(duì)象,可以從物質(zhì)、元素、微粒的視角從定性和定量?jī)煞矫媸崂硐鄳?yīng)的認(rèn)識(shí)思路,將知識(shí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為如表1所示的認(rèn)識(shí)框架,為學(xué)生的學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)發(fā)展指引思維的方向和路徑。
依據(jù)表1中的基本框架,按照學(xué)習(xí)進(jìn)程依據(jù)知識(shí)發(fā)展的邏輯關(guān)系,在教學(xué)中需要結(jié)合相關(guān)知識(shí)內(nèi)容的教學(xué),將知識(shí)及知識(shí)間的聯(lián)系與認(rèn)識(shí)思路方法統(tǒng)一到具體的學(xué)習(xí)活動(dòng)中,將知識(shí)及知識(shí)間的聯(lián)系、認(rèn)識(shí)思路與具體的問(wèn)題情境建立關(guān)聯(lián),通過(guò)學(xué)生的比較、分析、抽象概括、建立聯(lián)系等思維活動(dòng),將學(xué)習(xí)引向深入。
總之,化學(xué)觀念是化學(xué)教育中的重要內(nèi)容。教學(xué)中需要注意突破孤立地傳授具體知識(shí)這一局限,要把學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的重要概念、化學(xué)觀念與學(xué)科獨(dú)特的認(rèn)識(shí)事物的視角和思維方式作為重要的教學(xué)目標(biāo),圍繞重要概念或化學(xué)觀念組織教學(xué)內(nèi)容,關(guān)注知識(shí)的形成過(guò)程以及知識(shí)間的區(qū)別和聯(lián)系,幫助學(xué)生逐步形成較為系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)以及看待事物的化學(xué)視角,并使之轉(zhuǎn)化為解決具體問(wèn)題的思路與方法,這對(duì)于促進(jìn)學(xué)生知識(shí)、思維與能力的協(xié)調(diào)發(fā)展不僅必要,且尤為重要。
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[6][8]何彩霞.引導(dǎo)學(xué)生從元素視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化——以必修1“金屬及其化合物”教學(xué)為例[J].化學(xué)教學(xué),2013,(9):27~29.
[7]何彩霞.化學(xué)學(xué)科觀念建構(gòu)是單元教學(xué)的核心——“物質(zhì)分類”單元教學(xué)的思考[J].化學(xué)教育,2009,(2):17~19.
[9]何彩霞.化學(xué)觀念統(tǒng)領(lǐng)下的知識(shí)學(xué)習(xí)與思維發(fā)展——以“溶液的酸堿性”教學(xué)為例[J].化學(xué)教育,2014,(9):18~22.
[10]吳俊明,吳敏.為什么要關(guān)注科學(xué)觀念——關(guān)于科學(xué)觀念與科學(xué)觀念教育的思考之一[J].化學(xué)教學(xué),2014,(4):3~6,13.
[11]中華人民共和國(guó)教育部制訂.義務(wù)教育階段化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:北京師范大學(xué)出版社,2011.