“化学键”核心概念的教学分...排、学生认知的三序结合视角_谭宇凌.pdf

*2 0 2 0年广东省高等教育教学改革项目“化学卓越教师实验教学创新能力的 四联动 培养范式 以教育部东芝杯全国师范大学化学教学创新大赛获奖作品为例”*通信联系人,E-m a i l:q i a n y y s c n u.e d u.c n“化学键”核心概念的教学分析*基于知识发展、教材编排、学生认知的三序结合视角谭宇凌 钱扬义*温金菊 钟子婷 朱潇行(华南师范大学化学学院 广东广州 5 1 0 0 0 6)摘要“化学键”是中学化学教学中的核心概念之一,其有效教学是值得关注的话题。以学科知识发展、教材编排与学生认知发展的“三序结合”为研究视角,系统梳理“化学键”核心概念的教学内容,并构建“三序结合”教学模型。最后,基于“三序结合”对“化学键”核心概念教学提出相关建议。关键词 化学键 核心概念 三序结合 教学分析D O I:1 0.1 3 8 8 4/j.1 0 0 3-3 8 0 7 h x j y.2 0 2 2 0 6 0 0 7 3 1 问题的提出化学键是纯净物分子或晶体内相邻2个或多个原子间强烈相互作用的统称,隶属于我国中学化学核心概念体系1,也是1 0 0个化学学科关键词之一2。具有学科统摄性、广泛解释性与迁移性的特点3,是学生研究物质结构、物质性质、物质变化等的核心,内隐于整个中学阶段的知识体系。因化学键核心概念体系的复杂性与综合性,学生对其认识难以一蹴而就,需要积累起零散的相关概念,并建立概念间的逻辑关联,逐步实现化学键核心概念体系的建构与深化。研究表明,学生对化学键概念的掌握程度不深,理解偏差较大4-5,学习困难主要来源于化学键核心概念体系过于冗杂、日常教学前后不连贯等6。与此同时,新课标颁布后,物质结构与性质模块的内容由以往的选学选考转变成了必学必考,这无疑对化学键核心概念的教学提出了新挑战。因此,如何有规律地开展化学键核心概念的教学,如何建立并深化学生对化学键核心概念的认知,是值得关注的教学难题。在教学实践中,核心概念的知识发展历程是教学的学科逻辑基础,教材编排是核心概念呈现的文本载体,学生的认知发展则是教学起点与终点的依据,3者共同为核心概念教学的合理规划提供指引。基于此,本研究以“三序结合”为研究视角,系统梳理并有机融合学科知识发展、教材编排与学生认知发展的“三序”,以期为化学键核心概念的有效教学与建构提供借鉴与参考。2 化学键核心概念的知识发展顺序化学史是人们系统认识化学学科本体发展的语境素材7,是深度把握化学键核心概念知识发展脉络的理性依托。基于标志性的化学史实,化学键的知识发展可划分为如图1所示的4个阶段。2.1 前化学时期(公元前):化学键的哲学起源公元前5世纪,古希腊哲学家恩培多克勒与波克拉底分别用人类情感中的“爱”与“憎”、人际关系的“亲密”与“疏离”形容物质间的相互作用,“爱”与“亲密”使物质结合,“憎”与“疏离”使物质分离。类似地,我国春秋战国的哲学家们则指出“先主以土与金木水火杂,以成百物”,“杂”是物质结合的条件8。古代哲学家们对物质间相互作用的认识较为笼统且带有神学色彩,停留在感性的认识阶段。2.2 炼金术到近代化学的过渡时期(1 3-1 8世纪):亲和力学说1 3世纪,马格努斯用“亲和力”的概念归纳物质间的相互作用。1 7,1 8世纪,随着万有引力定律、经典力学理论、微粒结构机械论等机械力学兴起,牛顿把亲和力归结为万有引力的结果;原子论学者伽桑狄、德谟克利特等人则复兴了古希腊的原子论,认为原子具有钩、齿、突等结构,它们像普通的机械装置一样装配结合。另外,日弗鲁瓦、贝格曼、温策尔分别从盐的置换反应顺序等多个角度,论证了亲和力的存在及其强度的不同,并制定572 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)F i g.1 F o u r s t a g e s o f c h e m i c a l b o n d k n o w l e d g e d e v e l o p m e n t图1 化学键知识发展的4个时期了不同物质的亲和力大小顺序表9。与前化学时期相比,科学家们对物质间相互作用的认识更具体,但由于化学反应的复杂性,科学家们对物质间相互作用的认识停留在亲和力这一宏观、机械视角。2.3 近代化学时期(1 9世纪):电化二元说与原子价学说1 9世纪初,道尔顿发表了原子论,首次从微观的视角揭示了物质世界。同时期的电学理论也取得了丰硕的成果,电解等研究方法倍受科学家青睐。因此,这一时期对微粒相互作用的研究聚焦于微观与电学角度。1 8 1 2年,贝采尼乌斯提出“化合物都是由两种电性质不同(即带正电荷和负电荷)的组分构成”的电化二元说,是后续离子键理论的雏形。不过,杜马发现该学说无法解释取代反应的机理,其应用受到限制。1 8 5 2年,在道尔顿原子论的基础上,弗兰克兰认为原子像小球,小球的表面具有一定数目的“疙瘩”,决定了能与该原子直接相连的其他原子的个数1 0;紧接着,凯库勒深化了弗兰克兰的学说,提出用原子数与亲和力单位来表示原子结合其他原子的个数,并于1 8 5 8-1 8 6 5年间先后提出碳四价、有机物中的碳链学说以及正六边形的苯分子结构模型1 1;1 8 6 4年,迈尔建议用“原子价或化合价”统一“原子数或亲和力单位”的说法,原子价学说至此定型1 2。在此67化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)2 0 2 3年第4 4卷第1 3期期间,为了更方便地描述化学物质的微观粒子组成与结构,1 8 6 0年初化学家们已经开始用短横线连接元素符号的方式书写化学物质的结构,如H-H;1 8 6 6年弗兰克兰正式采用“键(b o n d)”这一术语描述短横线所代表的关系1 1。然而,因科学家们对原子结构电子排布的认识限制,他们一直没能明确解释原子价是如何产生的,“键”的具体含义也未达成共识。但不可否认的是,原子价学说以及科学家们对“键”的不断探索对有机化学、配位化学领域的发展都起到了重大作用:1 8 7 4年范特霍夫根据碳四价奠定了有机化学的立体结构研究基础;1 8 9 3年维尔纳基于原子价提出了配位场理论1 3。2.4 现代化学时期(2 0世纪至今):化学键电子理论与现代化学键理论2 0世纪初,汤姆孙与玻尔对电子、原子电子层结构的研究使得化学键的电子理论得以发展。1 9 1 6年,柯塞尔首创离子键理论,认为每个原子会通过电子的失去或获得达到最外层稳定结构并形成正、负离子,进而相互吸引、结合形成离子化合物,但这一理论无法解释非离子型化合物的形成。同年,路易斯论述了离子的形成是通过电子填满稳定壳层实现的,并提出用电子式描述微粒成键的符号表征方式,以及2个原子间有电子共享的共价键电子理论1 4。1 9 1 9年,朗缪尔完善了路易斯的共价键电子理论,正式将这种化学键命名为“共价键”1 5。但是这些都是静态的理论,还未从电子运动的角度阐明问题的本质,也无法解释后续发现的缺电子分子、O3分子顺磁性、夹心面包型分子等实验事实。1 9 2 6年,薛定谔提出量子力学的波动方 程,用 于 解 释 化 学 键 的“形 成”和“断裂”;1 9 2 7年,康登、海特勒和伦敦等人在氢分子轨道方面的发现,标志着以量子力学为基础的现代化学键理论开始发展1 4。在接下来的几十年里,现代化学键理论日渐成熟。其中,鲍林是现代化学键理论发展的先驱,先后创立了杂化轨道理论、价键理论,创造性地提出了共价半径、金属半径、电负性、键参数、离子性等相关概念,极大地推动了人们对化学键的本质的认识。这些理论与相关概念也深入到其他领域,形成一系列的分支学科,如分子材料设计、生物催化剂开发等,为人们探索物质的结构与性质、化学反应等奠定了微观的理论基础。由此可见,化学键核心概念体系的建立是一个“感性理性”“宏观微观”“定性定量”“静态动态”的过程。尽管在这期间部分学说不够完善,但它们承载着概念发展中科学知识、科学方法、科学思维的演变规律,为学习进阶的教学设计带来知识发展逻辑的启示。3 化学键核心概念的教材编排顺序化学键核心概念及相关概念的学习贯穿于全学段教学,通过全学段的教材文本梳理,可将化学键核心概念体系分为“化学键的类型与本质”“化学反应与能量”以及“物质结构与性质”等3大模块。在不同学段的教材中,各模块相关概念的呈现各有特点,循序渐进,环环相扣,相关概念出现的顺序也与化学键的探究历程相似,体现教材内容编排遵循科学发展的历程。具体的编排顺序与呈现方式详见表1,化学键核心概念架构体系见图2。表1 化学键核心概念体系在教材中的编排与呈现方式T a b l e 1 T h e t e x t b o o k s a r r a n g e m e n t a n d p r e s e n t a t i o n o f t h e c o r e c o n c e p t s y s t e m o f c h e m i c a l b o n d模块学段义务教育学段高中必修学段高中选必学段化学键的类型与本质用实验现象与“手拉手”“电子捕 捉”的 卡 通 动 画 表 征N a C l形成的过程从原子结构、成键方式、成键微粒、成键元素方面阐明离子键、共价键、化学键的定义与形成差异(1)从原子轨道重叠、电子云密度等量子力学角度加深对共价键本质、类型与特征的解释;(2)介绍键、键、金属键、配位键的定义与本质编排思路感性/宏观/静态(实验现象描述、卡通动画比喻)理性/微观/动态(成键过程的电子行为描述)化学反应与能量(1)阐明化学反应中物质种类的变化;(2)介绍化学反应存在放热、吸热现象阐明化学反应中物质与能量的变化源于化学键断裂与形成的结果(1)从键参数、键的极性等化学键性质的角度阐明化学反应的反应位点与反应机理;(2)介绍基于键能的反应焓变计算方法编排思路宏观/定性/静态(物质、能量变化的现象描述)微观/定量/动态(物质变化中电子的行为、能量变化的计算)772 0 2 3年第4 4卷第1 3期 化 学 教 育(中英文)(h t t p:/w w w.h x j y.c h e m s o c.o r g.c n)续表1模块学段义务教育学段高中必修学段高中选必学段物质结构与性质(1)阐明微观粒子可以相互作用形成物质;(2)阐明化合价是“形成化合物的元素有固定的原子个数比”的定量表征;(3)介绍用化学式表示物质组成的方法(1)从化学键的角度建立“离子化合物和共价化合物”“饱和烃和不饱和烃”的物质分类框架;(2)介绍化合价是“物质中一种元素的一个原子和其他元素的原子构成的化学键个数”的定量表征;(3)介绍从化学键的角度用电子式、结构式、球棍模型等方式表征物质组成与空间结构的方法(1)从化学键的角度建立“离子晶体、分子晶体、配合物、超分子”等物质分类框架;(2)从元素的电负性、键参数、键的极性等角度阐明物质的空间结构与性质;(3)介绍X射线衍射法等测量化学键的现代实验手段编排思路宏观/静态(从经验认知角度分析物质组成、性质)微观/动态(从化学键性质、微观粒子变化等角度分析物质结构与性质);平面(从化学式表征物质组成)立体(从电子式、结构式、球棍模型表征物质结构)F i g.2 C o r e c o n c e p t a r c h i t e c t u r e o f c h e m i c a l b o n d图2 化学键核心概念架构体系4 化学键核心概念的学生认知发展顺序在不同的年龄阶段,学生的认知结构不同,其思维能力、观察能力和记忆能力的发展水平也不同,直接影响着教师在实际教学中对教材知识的难易程度的把握、概念知识的具体选取。结合我国的课程标准、教材编排设计与化学键学习进阶测量1 6-1 8等研究,本研究基于学者郭玉英1 9等人提出的科学概念认知发展层级模型,归纳出如表2所示的化学键核心概念的学生认知发展顺序。对此,实际教学可