基于三重表征与观念建构的化学教学设计模型初探*

发布者：左香华     发布时间：2015-11-23     浏览数：0 精华

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（1华南师范大学化学与环境学院  广州    2广东省教育考试院  广州 510631）

 

摘 要：帮助学生建构化学基本观念是新课程标准的基本要求。笔者在前人研究的基础上提出，高一阶段学生需要建构的化学基本观念,并以基本观念为纲，结合三重表征分析化学知识，以具体情境为依托，开发出一个化学教学设计流程及教学设计模型。

 

关键词：化学基本观念 三重表征 教学设计模型

 

《普通高中化学课程标准（实验）》在知识与技能方面，要求“了解化学科学发展的主要线索，理解基本的化学概念和原理，认识化学现象的本质，理解化学变化的基本规律，形成有关化学科学的基本观念”^[1]。这不但体现了新课程的要求，而且也揭示了基本观念与化学具体知识、规律之间的关系。

课程标准还要求提高学生的科学素养。所谓科学素养，是指人们对科学的理解，其内涵包括化学观念和化学思想、化学知识和化学技能、化学方法和实践能力、科学精神和科学价值观及科学态度和科学品德^[2]。观念的建构能促进学生科学素养的全面发展^[3]。因此，在中学化学教学的过程中，帮助学生建构基本化学观念十分重要。

1问题提出

1.1教学中的问题

曾经我与学生有过一段访谈：

T：你认为甲烷是平面结构还是立体结构？

S：平面，因为甲烷的结构式为

学生认为甲烷是平面结构。由于学生对物质的空间结构没掌握好，导致学生在微粒观建构出现偏差，产生了相异构想。在实际教学中，教师在了解学生原有知识的基础上，寻找产生相异构想的原因，将相异构想转化为正确的认知，最后帮助学生建构化学基本观念。如果学生能够从化学基本观念出发思考问题，那么就能够避免相异构想的产生。由此不难发现，无论是课程标准还是教学实际情况都要求我们在具体知识的基础上帮助学生建构化学基本观念。

1.2化学基本观念

什么是化学基本观念？宋心琦讨论了化学中简单分类的意义，物质组成包括组分和元素两个层次（即元素组成和官能团或根），物质的静态与动态及化学的元素论视角等，并认为建立化学基本观念是中学教学的首要目标^[4]。

毕华林等指出，化学基本观念包括：实验观、微粒观、分类关、元素观、变化观和化学价值观，并比较了国内外学科观念、大概念等几个概念，明确了观念建构的可能性^[5]。

钟立阐述科学素养的培养与化学观念建构的关系。高中主要建构的观念有：对物质的分类方法、化学反应与能量的关系、氧化还原反应观、微粒间相互作用方式、物质结构具有层次、物质结构，性质与用途之间的关系，化学反应平衡与移动及科学价值观等^[6]。

罗纳德J·吉莱斯皮（Ronald J. Gillespie）指出化学基本观念的六大方面：（1）原子、分子和离子；（2）原子间相互作用——化学键；（3）分子的空间立体结构；（4）化学动力学理论；（5）化学反应；（6）能和熵。他认为应该尽早的给学生介绍这些观念，以便帮助学生打下良好的基础^[7]。

阿特金斯（Atkins P）指出化学教学的基本主题为：（1）物质由100多种元素组成的；（2）元素原子的组成结构（3）原子的轨道结构导致其周期性；（4）电子配对形成化学键；（5）化学结构决定性质；（6）分子间的相互吸引与排斥；（7）能量趋向最低；（8）化学反应的基本类型；（9）反应速率归结为速率定律。他认为应该教导学生掌握基本的观念，而非过多的具体化学知识^[8]。

结合文献及化学课程标准，我认为在高一阶段学生需要建立化学基本观念有元素观、微粒观、能量观、分类观、氧化还原反应观、实验观及化学价值观等。

表1 高一阶段主要的化学基本观念及其内涵

化学基本观念	观念的内涵
元素观	在初中有关元素的知识基础上，通过学习、理解元素周期表、元素周期律，建立起元素的性质会有周期性的递变，掌握元素原子的组成结构。
微粒观	在元素观基础之上，建立起原子的微粒模型，并能够理解微粒间的相互作用；通过化学键，基本建立分子晶体模型、离子晶体模型及其在化学反应的相互走用关系。物质的结构决定物质的性质，结构与性质之间具有对应关系。
能量观	认识物质具有能量，化学反应伴随能量变化，在微粒观模型的基础上理解化学反应能量变化的原因。理解能量的相互转化，主要是与化学能有关的转化。
分类观	能够从物质的化学性质中抽象出类别的概念，能够对无极及有机物进行简单的分类，并能够根据类别预测其对应的化学性质。
氧化还原反应观	能够建立起化合价的模型，从化合价变化角度分析氧化还原反应，总体上认识物质的氧化性及还原性的相对大小；通过分析原电池，能够建立氧化还原反应电子得失的模型。
实验观	实验是研究化学的最基本手段，掌握基本实验操作，了解实验的基本流程，初步学会物质的检验、分离、提纯方法及实验的一般流程：提出问题、假设、实验设计、实验及提出结论。
化学价值观	认识化学对人类社会发展的作用，学会利用化学知识造福人类社会。

1.3三重表征

化学知识是处理的微观世界与宏观可观察的世界之间的关系。A.H.约翰斯通（A.H.Johnstone）在1982年提出了一种新型的化学思维方式，包括三个层次：宏观，微观和符号。这种多层次的思维方式，如图1所示。其中包括（1）宏观和有形的物质，包括可观察和感知的现象；（2）微观层次，包括原子，分子，离子等；（3）符号表征，包括化学式、反应方程式，摩尔浓度，数学运算和图表等^[9]。

经过多年研究，三重表征的内涵得到了发展。在宏观表征方面，有学者认为应该包括我们日常生活的体验以及在实验室中的体验^[10]。也有学者认为描述物质各种性质的概念才是宏观表征，如pH，温度，压强，密度和物质的量浓度等^[11]。还有人认为课堂中所要解决的学术性问题与生活关系的不大，因此宏观现象应该仅包括学生在课堂和实验室中对化学现象的体验，这些体验与真实宏观世界的体验有区别^[12]。

 

 

 

 

 

 

 

图1化学知识的三重表征^[9]

微观方面，有学者提出三重表征除了包括宏观现象外，还包括原子-分子结构（单个微粒）及多原子体系（大量微粒）^[13]。他们认为化学性质可以用单个微粒的结构解释，但是要解释物质的物理性质则要通过多微粒模型解释。也有人认为化学的逻辑结构应该包括摩尔层次（molar），分子层次（molecular）和电子层次（electrical）。摩尔层次涉及除了分子结构之外的所有用以解释和预测物质性质的概念与模型，分子层次包括物质组成中的原子、分子和离子的类型和数目，电子层次主要是指核外电子的分布和运动^[14]。

在符号表征方面，有人倾向于将化学用语符号与表征化学物质性质的数学公式图表加以区分^[15]。符号表征包括化学符号和图标。化学符号包括预定俗成的化学用语，如物质组成：C，H和CH₄或表示物质状态三态（s），（l），（g）。随着化学课程的进行，学生接触的化学知识的深度与广度不断增加。其自身的三重表征模型不断完善，由最初模型Ⅰ向模型Ⅲ发展，如图2所示。

化学教学除了考虑学科专业知识的分析外，还应该注重学生的感受。他们对于化学的态度，化学的用途，化学的学习方法等都应该涉及。因此，有人认为还应在三重表征之外还加上一个人类的因素，从而形成一个四面体的化学知识体系,如图3所示^[16]。

 

 

 

 

 

图2 不断扩展的三重表征——化学学习框架^[17]

 

图3在化学三重表征中增加人的要素^[18]

化学教学中的三重表征启发了我们的思路，同时也给我们提出新的问题。学生在这三个层次间实现转化是一个理解和掌握化学所必须的过程；这个过程是化学学科的基本属性，是化学学科的思维方式，却具有挑战性的。因此可能会被认为是理解化学的一个障碍^[19]。化学对模型高度依赖性和抽象性，要求学生充分理解模型用于解释的性质的作用以及具有抽象的思维水平。

2教学设计模型

基于观念的教学设计是进行观念教学的根本。首先，明确基本观念与核心概念及具体知识之间的关系十分重要。我以甲烷的空间结构为例说明这三者之间的关系，如图4所示。

如何对化学知识进行组织建构基本观念呢？结合三重表征与化学基本观念，则能够解决这一问题。三重表征是基于对化学知识的分析理解，立足于专家的角度看待化学知识和问题，能够将化学问题分析透彻。根据前面的研究，我提出下面以三重表征为基础，以观念引领，以情境为依托的三角双锥模型教学设计模型，如图5所示。

图4甲烷微粒观、核心概念及具体知识的概念图

图5 教学设计模型

3教学设计示例

在教学设计流程上，首先分析人教版《化学2》中呈现的素材及其在高中化学知识体系中的地位及作用，并从具体知识中抽象出化学基本观念；第二，分析基本观念之间的层次关系及观念的深度；第三，基于化学基本观念对课本及其他素材进行观念建构，结合三重表征分析化学知识，创设与教学主题相关的情境；第四，通过具体情境，使学生对化学知识进行深层次的理解，促使学生建构具体知识背后所蕴含的基本观念；第五，开展小组活动，利用模型制作、数据讨论等让学生进行反思性评价，优化知识结构。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图6甲烷空间结构教学设计流程

首先需要利用三重表征分析甲烷有关的知识。可以选择从宏观入手，因为学生最为熟悉的是宏观可见的现象，然后是符号的表达和运用，最后引入抽象的微观表征。甲烷知识的三重表征及教学引入顺序如图7所示。

 

甲烷

宏观表征：无色无味气体，难溶于水，可燃烧，放热

符号表征：、CH4、     、

微观表征：甲烷由C与H通过共价键构成，五个原子排列为正四面体结构，模型为

②

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图7甲烷知识的三重表征及教学引入的顺序

建立甲烷的心理模型有助于建构微粒观。在初中的化学内容中，仅仅涉及物质的分子式、化学式等符号表征。有机分子以碳原子与其他原子之间形成的共价键为基础，产生空间结构，这属于微粒观的深层次认识。从人们认识甲烷的分子结构的历史出发作为情境，学生在学习甲烷时遇到的问题在历史上的科学家同样也遇到。通过展示科学家解决问题的方法对学生分析问题会有所启发。

1808年道尔顿认为甲烷分子是由1个C原子和2个H原子构成，其结构为：。1858年，凯库勒等人提出碳四价的概念。甲烷的结构经历了以下几个模型：

  

图8甲烷符号的发展

近代的X-射线衍射和电子衍射测的甲烷H-C-H键角的109°28′，从而证明了甲烷的四面体结构。

那么如何将该历史情境与甲烷的结构教学联系在一起呢？首先可以从甲烷的电子式入手，这些组成分子的原子是有一定规律排列起来的。学生的心目中可能会出现各种各样的原子排列顺序。

图9二氯甲烷的结构式

以上是甲烷的结构式及二氯代物可能的结构。学生认为二氯代物有两种，是由于他把甲烷看作是二维的平面结构，每个H-C-H的键角为90°。在教学中，我要求学生查阅化学手册，了解二氯甲烷的物理常数。根据纯净物具有固定的熔沸点和密度这一规律可知，如果二氯甲烷有上述两种结构，那么其熔沸点密度必然有差异。故判断二氯甲烷只有一种结构，从而否定了甲烷的平面结构这一假设。

第二个实验事实是甲烷的键角。如果甲烷的结构如图7的第三个所示，那么其键角为90°或180°。但从实验数据得出，甲烷H-C-H键角为109°28′。由这一个事实可以推出甲烷只可能是正四面体结构。学生经过自己的预测，建立模型，并进行实验数据的对比，发现自己的模型需要修正，最终得到一个更为合理的甲烷分子模型，从而建构起有机物微粒观。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

[1]中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准 (实验)[S].北京：人民教育出版社,2003. 7.

[2]李佳. 广东省普通高中新课程学科教师培训系列教材── 化学[M]. 2005.26-28.

[3]毕华林, 卢巍. 化学基本观念的内涵及其教学价值[J]. 中学化学教学参考, 2011, 6: 3-6.

[4]宋心琦,胡美玲.对中学化学的主要任务专论和教材改革的看法[J]. 化学教育,2001,09:9-13.

[5]毕华林, 万延岚. 化学基本观念: 内涵分析与教学建构[J]. 课程. 教材. 教法, 2014, 34(4): 76-83.

[6]钟立. 科学素养中化学素养的探析与培养[J]. 化学教育, 2013, 34(11): 3-5.

[7]Ronald J. Gillespie.The great ideas of chemistry[J]. Journal of Chemical Education, 1997, 74(7): 862.

[8]Atkins P. Chemistry: the great ideas[J]. Pure and applied chemistry, 1999, 71: 927-930.

[9]A. H.Johnstone .Teaching of chemistry—Logical or psychological? [J] Chemistry Education Research and Practice inEurope. 2000(1):9–15.

[10]Dorothy Gabel. Improving teaching and learning through chemistry education research: A look to the future[J]. Journal of Chemical education, 1999, 76(4): 548.

[11]Chandrasegaran, A. L., Treagust, D. F., & Mocerino, M. The development of a two-tier

multiple-choice diagnostic instrument for evaluating secondary school students’ ability to

describe and explain chemical reactions using multiple levels of representation. Chemistry

Education: Research and Practice, 2007，8(3), 293–307.

[12]Bodner, G. M. Why changing the curriculum may not be enough[J]. Journal of Chemical Education, 1992，69(3), 186–190.

[13]Ben-Zvi R, Eylon B, Silberstein J. Theories, principles and laws[J]. Education in chemistry, 1988, 25(3): 89-92.

[14]Logic, history, and the chemistry textbook: I. Does chemistry have a logical structure?[J]. Journal of chemical education, 1998, 75(6): 679.

[15]Nakhleh M B, Krajcik J S. Influence of levels of information as presented by different technologies on students' understanding of acid, base, and pH concepts[J]. Journal of Research in Science Teaching, 1994, 31(10): 1077-1096.

[16]Moving chemistry education into 3D: A tetrahedral metaphor for understanding chemistry. Union Carbide Award for Chemical Education[J]. Journal of chemical education, 2006, 83(1): 49.

[17]Chittleborough G. The Development of Theoretical Frameworks for Understanding the Learning of Chemistry[M]//Learning with Understanding in the Chemistry Classroom. SpringerNetherlands, 2014: 25-40.

[18] P Mahaffy.Moving chemistry education into 3D: A tetrahedral metaphor for understanding chemistry. Union Carbide Award for Chemical Education[J]. Journal of chemical education, 2006, 83(1): 49.

[19]A. H.Johnstone .Why is science difficult to learn? Things are seldom what they seem[J]. Journal of computer assisted learning, 1991, 7(2): 75-83.