江敏

【摘 要】化學(xué)概念性知識是化學(xué)課程知識體系中最基礎(chǔ)性的知識，教學(xué)時教師要注意運用學(xué)習(xí)策略的有關(guān)理論進行相應(yīng)的設(shè)計，以通過實驗揭示本質(zhì)、通過比較概括規(guī)律或通過歸納形成結(jié)論等方式，使學(xué)生在習(xí)得化學(xué)概念性知識的同時掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略，并形成超越學(xué)科教學(xué)邊界而有助于學(xué)生發(fā)展的科學(xué)素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)教學(xué) 概念性知識 學(xué)習(xí)策略

當科學(xué)技術(shù)越來越成為引領(lǐng)和影響社會文化發(fā)展的重要因素之后，教育工作者也逐漸改變了對原有學(xué)科教學(xué)的理解。教育已不再滿足于使學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中了解“世界是怎樣的”命題，而是更期待使學(xué)生在了解世界的基礎(chǔ)上，進一步理解人們“怎樣認識世界是這樣的”歷程。雖然經(jīng)歷數(shù)百年的發(fā)展，化學(xué)概念已經(jīng)成為化學(xué)知識體系的基礎(chǔ)，然而學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中的目的，不僅僅只是了解這些相關(guān)的化學(xué)基本概念，更重要的是在學(xué)習(xí)的過程中，感知和體驗化學(xué)概念性知識的形成過程，同時在形成概念的過程中學(xué)習(xí)科學(xué)的、理性的思維方法。所以，對于化學(xué)概念性知識的教學(xué)，教師要注意運用學(xué)習(xí)策略的有關(guān)理論進行相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計，使學(xué)生在習(xí)得化學(xué)概念性知識的同時掌握相應(yīng)的學(xué)習(xí)策略，并形成超越學(xué)科教學(xué)邊界而有助于學(xué)生發(fā)展的科學(xué)素養(yǎng)。

一、通過實驗揭示本質(zhì)

作為從原子、分子的層面上認識、改造和保護世界的自然科學(xué)的一個分支，化學(xué)學(xué)科對世界的認識大多是建立在實驗的基礎(chǔ)之上?；瘜W(xué)概念性知識表述了人們對自然界的基本結(jié)論性的認識，如果學(xué)生只是從這些結(jié)論性的知識中認識世界，這樣的認識將是機械的、僵化而片面的。因而教師應(yīng)努力創(chuàng)造條件，使學(xué)生能夠有機會通過簡單的或有層次的實驗進行揭示，感受概念的形成過程乃至其本質(zhì)內(nèi)涵。

以《離子反應(yīng)》為例。傳統(tǒng)的教學(xué)過程的立足點是要求學(xué)生將熟悉的化學(xué)方程式中涉及的電解質(zhì)，根據(jù)其在溶液中的溶解性改寫成離子形式，學(xué)生的學(xué)習(xí)就在文字表達的方程式中不斷糾結(jié)于是否改寫，完全忽略了反應(yīng)的現(xiàn)象和反應(yīng)實際。追溯概念性知識形成過程的教學(xué)理念，《離子反應(yīng)》的教學(xué)可以圍繞以下三個層次的實驗展開。

第一，完成BaCl2和CuSO4反應(yīng)的實驗。其中觀察到沉淀的生成，以及已有的對電解質(zhì)在溶液中存在形態(tài)的認識，學(xué)生可以直達離子反應(yīng)的本質(zhì)，用Ba2++SO42-=BaSO4↓表示出反應(yīng)的實質(zhì)。

第二，完成Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)的實驗。基于現(xiàn)象的觀察和對離子反應(yīng)的認識，學(xué)生可能會寫出以下表示反應(yīng)過程的離子方程式：①Ba2++SO42-=BaSO4↓；②Ba2++SO42-=BaSO4↓，H++OH-=H2O；③Ba2++OH-+H++SO42-=BaSO4↓+H2O；④Ba2++2OH-+2H++SO42-=BaSO4↓+2H2O。這些不同的表達方式反映了學(xué)生對實驗現(xiàn)象和反應(yīng)過程認知的不同層次：①關(guān)注了實驗中呈現(xiàn)的顯性現(xiàn)象；②不僅關(guān)注了實驗中的顯性現(xiàn)象，而且關(guān)注了實驗中隱性的反應(yīng)過程；③和④都能夠同時將顯性現(xiàn)象和隱性反應(yīng)相關(guān)聯(lián)，并且使兩組離子反應(yīng)之間形成了定量關(guān)系。從Ba（OH）2出發(fā)，③式預(yù)示當Ba2+和SO42-反應(yīng)完全時，溶液中尚剩余OH-；④式則表明Ba2+與SO42-反應(yīng)完全時，溶液中的OH-恰好與H+反應(yīng)完全。如果用導(dǎo)電性實驗追蹤溶液中離子濃度的變化，用酸堿指示劑表征H+和OH-之間的反應(yīng)，此時無論是小燈泡與酚酞指示劑的組合（表征溶液中離子存在的實物形態(tài)），還是用電導(dǎo)傳感器與pH傳感器的組合（表征兩種物理量的變化過程和相互聯(lián)系），無一例外地都揭示了在Ba（OH）2和H2SO4的反應(yīng)過程中，Ba2+和SO42-以及H+和OH-之間的反應(yīng)均同時抵達反應(yīng)的終點，因而正確的離子方程式應(yīng)該是④式。此處的離子方程式不僅表示了Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過程中存在著兩組彼此獨立的離子反應(yīng)（分別與顯性現(xiàn)象和隱性行為關(guān)聯(lián)），而且這兩組獨立的離子方程式之間存在著確定的定量關(guān)系，這里蘊含著對Ba（OH）2和H2SO4反應(yīng)過程表達的最大內(nèi)涵。

第三，完成Na2CO3、CaCO3分別與鹽酸反應(yīng)的實驗。將約1g的Na2CO3固體置于試管中，加約5mL水，再加入少量2mol/L鹽酸；取一小塊CaCO3固體置于另一試管中，加約5mL水，再加入少量2mol/L鹽酸。完成實驗以后，許多學(xué)生不約而同地將反應(yīng)的離子方程式表示為CO32-+2H+=CO2↑+H2O。對于其中離子方程式不當表達的矯正，可以讓學(xué)生再次向試管中分別加入鹽酸并觀察現(xiàn)象，在裝Na2CO3的試管中，氣泡可從鹽酸與溶液接觸的各個局部產(chǎn)生，從氣泡產(chǎn)生的空間變化，可以想象CO32-在溶液中的游弋，因而Na2CO3溶液與鹽酸的反應(yīng)，就是自由的CO32-和H+的反應(yīng)；而在裝CaCO3的試管中，因CaCO3難溶于水，因而氣泡只是在CaCO3的表面產(chǎn)生，此時與鹽酸反應(yīng)的物質(zhì)是CaCO3，而不是游弋在溶液中的自由的CO32-。

在以上的教學(xué)過程中，學(xué)生眼中的離子反應(yīng)是對電解質(zhì)在溶液中發(fā)生反應(yīng)的真實情形的觀察與想象，離子方程式是對反應(yīng)過程中物質(zhì)存在形態(tài)的真實表達。因此對離子方程式書寫的評價就始終與反應(yīng)的真實性和表達的準確性相關(guān)聯(lián)。這樣學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中，遇到諸如澄清石灰水與CO2、石灰乳與氯氣、濃硫酸與Cu等反應(yīng)時，離子方程式的書寫就不再囿于物質(zhì)的溶解性或相關(guān)物質(zhì)是否可以拆分，而是與反應(yīng)過程中物質(zhì)的存在形態(tài)直接關(guān)聯(lián)，從而正確表達出相應(yīng)反應(yīng)的離子反應(yīng)式。

二、通過比較概括規(guī)律

實驗的觀察和數(shù)據(jù)的處理，固然是形成對化學(xué)概念認知的基本途徑，然而從直觀的現(xiàn)象及龐雜的數(shù)據(jù)中將人們對自然的感性認知上升到理性的抽象概念或理論過程中，必然會涉及某些具有一般哲學(xué)意義的科學(xué)方法的運用。以創(chuàng)立坐標系而著名的數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家笛卡爾曾經(jīng)說過：一切問題都可以轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，一切數(shù)學(xué)問題都可以轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題，而一切代數(shù)問題又都可轉(zhuǎn)化為方程問題，因此一旦解決了方程問題，一切問題將迎刃而解。笛卡爾所謂將問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題，其實質(zhì)就是研究一個事件在另一事件的有序變化中發(fā)生變化的方式，亦即將原先彼此獨立的兩個事件產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。這實際上就包含著人們看世界的一種眼光或理解世界的一種基本的科學(xué)觀念——“有序”。

“有序”首先需要通過比較事物的異同，從而使事物形成關(guān)聯(lián)，并從中發(fā)現(xiàn)變化和形成系統(tǒng)。如果說“三元素組”是對元素性質(zhì)共性的研究，而元素周期律的真正價值，就在于發(fā)現(xiàn)在元素的核電荷數(shù)（或相對原子質(zhì)量）的排序中元素的性質(zhì)隨之呈現(xiàn)的周期性遞變規(guī)律。當“有序”成為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的基本意識之后，就會發(fā)現(xiàn)周圍的世界發(fā)生了細微的變化。

例如在學(xué)習(xí)“淀粉和纖維素組成的表示形式一樣，但是它們彼此不是同分異構(gòu)體”這一概念時，基于知識的學(xué)習(xí)就是記憶，也是學(xué)習(xí)這一概念的最直接的方法。如果是基于學(xué)科觀念和科學(xué)方法的學(xué)習(xí)，應(yīng)該將水解條件與分子的聚合度加以關(guān)聯(lián)，這時學(xué)生對概念的感知程度就發(fā)生了改變。因為已知麥芽糖是二糖、淀粉是多糖，它們完全水解后得到的單糖均為葡萄糖。如果設(shè)想將淀粉的水解過程分為兩步進行：首先淀粉水解得到二糖，此二糖即為麥芽糖；隨后麥芽糖進一步水解得到葡萄糖。通過與麥芽糖水解過程的比較，可以理解麥芽糖和淀粉水解條件的差異，就在于分子中葡萄糖的聚合度的不同。如果糖類化合物的水解條件與分子中葡萄糖的聚合度具有相關(guān)性的結(jié)論為真，依據(jù)纖維素水解條件遠比淀粉苛刻，就可以推測纖維素分子中葡萄糖的聚合度比淀粉更高。這樣淀粉和纖維素就不能是同分異構(gòu)體。在以上水解條件的比較和排序中，學(xué)生經(jīng)歷的是對淀粉和纖維素分子中聚合度差異的推理過程，很快就能從他們自身的生活經(jīng)驗中得到證實，因為從淀粉和纖維素呈現(xiàn)的宏觀形態(tài)上也可感受到它們微觀結(jié)構(gòu)之間的變化和差別。

當然，以后的學(xué)習(xí)，學(xué)生會進一步了解到淀粉和纖維素的水解過程是有差異的。因而可以說明纖維素水解條件的苛刻，一是與聚合度有關(guān)，另一還與單糖聚合過程中糖苷鍵的穩(wěn)定性有關(guān)。也就是說，在將水解條件進行排序的過程中，聚合度的相對大小，不是水解條件的唯一歸因，但是在這樣的思維、推理過程中建立起的對知識的認知，是可以隨著時間的推移，將知識的細節(jié)遺忘而留存下認識知識的方法。

又如在等電子體丁酮（CH3COCH2CH3）、乙酰甲胺（CH3CONHCH3）、乙酸甲酯（CH3COOCH3）的有序排列中，由丁酮不能水解而乙酸甲酯可以水解的實驗事實，可以推測乙酰甲胺也可以水解，但是水解較酯困難（實驗表明，這一推理是正確的）。蛋白質(zhì)分子中的肽鍵（即酰胺鍵）水解較為困難的事實，既保證了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的延續(xù)和穩(wěn)定，同時又為生物個體的生長、器官的修復(fù)等奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。同時也使學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)中看到了自然界在物質(zhì)進化過程中的選擇性。這些跨越學(xué)科邊界的體現(xiàn)哲學(xué)意味的科學(xué)方法或科學(xué)觀念，對化學(xué)概念的形成不僅具有工具性的價值，而且在更高的層面上改變了學(xué)生對問題的認知方式和認知空間。

三、通過歸納形成結(jié)論

雖然實驗是學(xué)生理解化學(xué)概念性知識的重要認知途徑，但是限于學(xué)習(xí)的效率以及條件的局限性，并不是所有的化學(xué)概念性知識都需要或能夠從實驗開始起步的。利用他人的實驗數(shù)據(jù)，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析和歸納，也是形成化學(xué)概念性知識的重要方法。

以《分子間作用力》為例?！霸诮Y(jié)構(gòu)相似的條件下，相對分子質(zhì)量越大，分子間作用力越大，物質(zhì)的沸點越高”是用以說明分子與分子聚集形成的物質(zhì)沸點變化規(guī)律的基本概念。在實際教學(xué)過程中，學(xué)生對這一概念的認識和理解，是從尋找開始的。尋找在常溫常壓下呈氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的物質(zhì)，從對這些物質(zhì)分子組成的比較中，學(xué)生首先發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的狀態(tài)變化與分子中所含原子數(shù)的多少有關(guān)。然后進一步觀察發(fā)現(xiàn)，一般情形下呈氣態(tài)的物質(zhì)分子中含有的原子數(shù)比較少，但是在呈現(xiàn)固態(tài)的物質(zhì)中也有含有原子數(shù)較少的分子（如I2等）。因此直覺使他們以為物質(zhì)的狀態(tài)變化會比較多地與分子的核電荷數(shù)或分子的相對分子質(zhì)量有關(guān)。

在具體物質(zhì)的熔沸點收集以及列表分析的過程中，學(xué)生可以直觀地發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的熔沸點在相對分子質(zhì)量坐標上的分布與離散存在著一種基本的變化趨勢，在這種大尺度的相關(guān)性分析中，以相對分子質(zhì)量或核電荷數(shù)作為變量，研究物質(zhì)的熔沸點或狀態(tài)與之的相互關(guān)聯(lián)，應(yīng)該沒有太大的本質(zhì)區(qū)別。如果對隨機選取的物質(zhì)按照“結(jié)構(gòu)相似”的原則進行分組，就會發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的熔沸點和相對分子質(zhì)量之間會表現(xiàn)出明確的相關(guān)性而少有反例。在這相對分子質(zhì)量的排序中發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的熔沸點與之的相關(guān)性，進而推理出分子間作用力變化的趨勢，實際也是比較概括的過程。

通過相關(guān)事實或數(shù)據(jù)歸納化學(xué)規(guī)律時，經(jīng)常運用的是不完全歸納法，而不完全歸納法往往可能存在例外，例外的出現(xiàn)又是學(xué)習(xí)新知識的起點。若以為上述分析發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的熔沸點與相對分子質(zhì)量之間的相互依賴關(guān)系，而當類似的分析方法用于分析氫化物熔沸點的變化趨勢時，第二周期N、O、F的氫化物熔沸點的反常升高，又會使學(xué)生從內(nèi)心感到驚奇，產(chǎn)生探究形成這種特殊性的內(nèi)在原因，由此引發(fā)的對氫鍵的認識在學(xué)生的知識體系中不是通過記憶堆砌而成的，而是通過具有邏輯關(guān)系的認知過程，與原有的知識體系產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的聯(lián)系。

雖然相對分子質(zhì)量與物質(zhì)熔沸點之間的關(guān)系只是化學(xué)概念性知識中的一個基本的經(jīng)驗常識，但是以上的分析過程，使得學(xué)生順應(yīng)了前人形成以上經(jīng)驗的認知過程，經(jīng)歷數(shù)據(jù)處理過程中的“去蕪存真”、設(shè)定前提下的數(shù)據(jù)選擇等思維過程，這樣的學(xué)習(xí)經(jīng)歷將鼓勵學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)中不斷主動拓展認知空間，并有能力對已有知識進行質(zhì)疑。

如學(xué)生可以在查閱到單質(zhì)S和I2的熔點較為接近的數(shù)據(jù)，大膽設(shè)想S單質(zhì)分子的相對分子質(zhì)量可與I2相當，這樣S單質(zhì)分子的分子式可能是S8（資料表明，這是對的）。實驗室長期保存的甲醛溶液中存在大量白色固體物質(zhì)，實驗說明其成分是多聚甲醛，學(xué)生可以用多聚甲醛近似等電子體——直鏈烷烴作為參照系，進而估算出多聚甲醛的鏈節(jié)數(shù)應(yīng)在8個以上（資料表明，固態(tài)粉末狀的多聚甲醛的鏈節(jié)一般在8～20之間）。又如學(xué)生可以從一系列氧化物熔沸點數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)NO2的沸點較為反常，文獻資料表明在氣態(tài)條件下，NO2有聚合形成N2O4的反應(yīng)過程存在，在質(zhì)疑中形成對NO2雙聚反應(yīng)過程的認識遠比接受式習(xí)得知識來得深刻。

總之，教師的教學(xué)設(shè)計對學(xué)生學(xué)習(xí)策略的發(fā)展具有重要的引領(lǐng)作用?；趯W(xué)習(xí)策略的化學(xué)概念性知識的教學(xué)設(shè)計，要逐漸擺脫原有化學(xué)知識孤立的、點到點的呈現(xiàn)方式，表現(xiàn)出以化學(xué)概念為載體，以物質(zhì)的自然屬性為認知對象，以物質(zhì)的相互聯(lián)系為存在形態(tài)的具有結(jié)構(gòu)性的框架體系，乃至在學(xué)習(xí)中感知人與自然的和諧。這都是現(xiàn)今化學(xué)教學(xué)中值得關(guān)注的教育價值之所在。

（作者系江蘇省特級教師，現(xiàn)為南京市金陵中學(xué)教師）