化學鍵概念的形成及相關(guān)問題解決的實驗研究

1、化學鍵概念的形成及相關(guān)問題解決的實驗研究王燦（上海市松江一中 201600）摘要 學生對化學概念的學習一直以來都不重視，常常一知半解，不能全面理解概念的內(nèi)涵和外延，因此在解決具體問題的時候不會靈活運用，容易出錯，導致學生感到化學記得東西多，難學，漸漸對化學學習失去興趣。另一方面，近年來上海高考化學卷考察學生對概念理解程度的試題越來越多，學生失分情況十分嚴重，很難拿到高分，這使得提高化學概念教學的有效性顯得越來越重要。本文是以高中化學核心概念化學鍵概念的形成及相關(guān)問題解決為例進行了實驗研究，分析了學生產(chǎn)生錯誤概念或前概念的原因，并尋找了矯正的方法，對一線教師具有一定的借鑒作用。關(guān)鍵詞 核心概念、

2、化學鍵、教學干預(yù)、實驗研究1 課題提出的背景：1.1 化學是一門研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化規(guī)律的學科，是一門基礎(chǔ)性、創(chuàng)造性和實用性的學科，它是信息科學、材料科學、能源科學、環(huán)境科學、海洋科學、生命科學和空間技術(shù)等研究的重要基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)、工業(yè)、國防和醫(yī)藥等的發(fā)展有重大的貢獻，跟現(xiàn)代人的衣食住行用有密切的關(guān)系，廣泛地影響著現(xiàn)代人類的社會生活。中學化學教學的最大功能應(yīng)該是提高全體公民的化學素養(yǎng)，樹立人與自然和諧相處的可持續(xù)發(fā)展觀念，提高全體公民的化學素養(yǎng)。1.2 我國的中學化學教材無論是新教材還是老教材，上海版還是外地版，編寫主線都是以物質(zhì)的結(jié)構(gòu)知識為主線，把物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途以及

3、與此相關(guān)的一系列概念組合起來，由個別到一般、由簡單到復雜、由分散到集中，貫穿滲透編排，形成一個基本完整的化學學科知識體系。1.3 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的性質(zhì)，物質(zhì)的性質(zhì)決定物質(zhì)的用途。所以物質(zhì)的結(jié)構(gòu)理論是指導學生學習化學的最主要的理論知識，而化學鍵是整個中學化學結(jié)構(gòu)理論的樞紐，學好化學鍵能指導學生對今后化學新知識的學習和探究?；瘜W鍵是中學化學的核心概念之一。然而，在實際教學中，筆者發(fā)現(xiàn)學生對化學概念的學習并不重視，興趣也不濃，認為只要象一些文科知識那樣背會就可以了，常常對化學概念一知半解，不能全面理解概念的內(nèi)涵和外延，因此在解決具體問題的時候不會靈活運用，容易出錯，導致許多本來對化學實驗很感興趣

4、的學生在學習了一些化學基本概念后感到化學記得東西多，難學，漸漸對化學學習失去了興趣。另一方面，近年來上海高考化學卷考察學生對概念理解程度的試題越來越多，學生失分情況十分嚴重，很難拿到高分，這就使我對化學概念教學的有效性越來越關(guān)注。如何提高化學概念教學的有效性？筆者決定從中學化學的核心概念入手，對化學概念教學的有效性進行實驗研究。2 核心概念的界定資料顯示：所謂“核心概念”是指居于學科中心，具有超越課堂之外的持久價值和遷移價值的關(guān)鍵性概念，它與其他概念和化學原理密切聯(lián)系，可通過一定的聯(lián)結(jié)方式統(tǒng)領(lǐng)知識系統(tǒng)。高中化學中的核心概念很多，如：物質(zhì)的量、反應(yīng)類型、離子反應(yīng)、電解質(zhì)、氧化還原反應(yīng)、化學鍵、化

5、學反應(yīng)速率、化學平衡等。由于物質(zhì)的結(jié)構(gòu)理論是指導學生學習化學的最主要的理論知識，而化學鍵是整個中學化學結(jié)構(gòu)理論的樞紐，學好化學鍵能指導學生對今后的化學新知識的學習和探究。所以本課題選擇對化學鍵概念的形成及相關(guān)問題的解決進行實驗研究。3 化學鍵概念干預(yù)前測試3.1 測試對象：筆者所擔任的三個教學平行班高一學生；3.2 測試時間：化學鍵概念學習之前，但讓學生自己閱讀了教材中化學鍵的概念之后完成；3.3 測試形式：根據(jù)化學鍵概念的內(nèi)涵和外延，筆者自己編制了一套測試題。測試題中的問題有一定的層次性，并且對被測試者而言是陌生的；3.4 測試對象已具備的相關(guān)知識：原子的結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)示意圖、離子結(jié)構(gòu)示意圖

6、、原子的電子式、離子的電子式、核外電子排布規(guī)律、靜電作用力、元素概念、某些物質(zhì)的構(gòu)成微粒。3.5 測試目的：了解學生已有的知識儲備對新概念理解的影響程度，了解學生可能產(chǎn)生錯誤概念或前概念的相關(guān)原因。附：化學鍵概念干預(yù)前測試題在此之前，你聽說過“化學鍵”這個概念嗎？（ ）A、聽說過 B、未聽說過你認為物質(zhì)能穩(wěn)定存在與“化學鍵”有關(guān)嗎？（ ）A、有關(guān) B、無關(guān)請根據(jù)自己的理解，敘述什么是“化學鍵”。 。你認為“化學鍵”會有不同類型嗎？ （ ）A、有 B、無水是由水分子構(gòu)成的，水分子和水分子之間的作用力是不是“化學鍵”？（ ）A、是 B、否理由： 。水分子內(nèi)氫原子和氧原子之間存在作用力嗎？（ ）A、

7、存在 B、不存在這種作用力屬于化學鍵嗎？（ ）A、是 B、否理由： 。氯化鈉（NaCl）、二氧化碳（CO2）、氨氣（NH3）三種物質(zhì)中的化學鍵分別存在在 和 、 和 、 和 之間。理由是 。下列過程中，化學鍵被破壞的是（ ）A、酒精溶于水 B、氯化鈉溶于水 C、碘升華 D、氯化氫氣體溶于水3.6 化學鍵概念干預(yù)前測試結(jié)果統(tǒng)計：3.7 診斷：建構(gòu)主義認為，學生并非空著頭腦進入教室，在日常生活中，在以往的學習生活中，他們已經(jīng)形成了廣泛而豐富的經(jīng)驗和背景知識。而且，有些問題即便他們還沒有接觸過，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗，但當問題一旦呈現(xiàn)在面前時，他們往往也可以基于相關(guān)的經(jīng)驗，依靠他們的認知能力(理智)，形成對

8、問題的某種解釋，這并不都是胡亂猜測，而是從他們的經(jīng)驗背景出發(fā)而推出的合乎邏輯的假設(shè)。這從上述統(tǒng)計結(jié)果中就可以看出，80%以上的學生在此之前未聽說過“化學鍵”這個概念，但幾乎都認為“化學鍵”與物質(zhì)能穩(wěn)定存在有著密切關(guān)系。在老師沒有任何干預(yù)的情況下，讓學生自行閱讀教材中“化學鍵”的概念后完成測試題，發(fā)現(xiàn)能正確寫出“化學鍵”概念定義的學生大約在60%左右，但其中大部分學生是直接抄寫的書上概念，并不是用自己的語言描述的，這說明學生學習化學概念的習慣是背，而不是去理解化學鍵概念的內(nèi)涵。背的效果如何？從測試的第題“分子與分子之間的作用力是不是化學鍵？”的統(tǒng)計結(jié)果可以看出有70%以上的學生回答正確，但理由回

9、答正確的卻只有50%左右，這說明有許多學生對概念的理解是一知半解的，這恰恰反映了目前高中學生學習化學概念時的現(xiàn)狀。測試的第題則是從不同角度測試學生對化學鍵概念的理解，回答正確率基本上是55%左右，也就是說被測試的學生中只有5060%的學生能在自己背景知識的基礎(chǔ)上基本完成新知識的意義建構(gòu)，而40%左右的學生則產(chǎn)生了模糊的“錯誤概念”。學生具備的前提知識（舊知識）對于學生將要學習的新概念有著怎樣的影響？對于學生具有的模糊的錯誤概念、前概念，如何幫助他們矯正？用什么方法可以促使他們形成科學概念？怎樣建立不同概念間的關(guān)系？如何才能培養(yǎng)學生成為有效問題解決者？等等。這些問題都是涉及學生建構(gòu)化學知識成功與

10、否非常關(guān)鍵的要素。4 教學干預(yù)心理學上，一般把“概念”定義為“符號所代表的具有共同關(guān)鍵特征的一類事物或性質(zhì)”。心理學研究又表明，概念的學習過程是學生通過積極的思維活動，對各種各樣的具體事例進行分析、概括，從而把握同類事物的共同關(guān)鍵特征的過程。因此筆者贊同有些專家把概念的學習過程分為概念的形成、概念的同化、概念網(wǎng)的建立等幾個方面。4.1 化學鍵概念的形成建構(gòu)主義認為，學習活動不是由教師向?qū)W生傳遞知識，而是學生根據(jù)外在信息，通過自己的背景知識，建構(gòu)自己知識的過程。在這個過程中，學生不是被動的信息吸收者和刺激接受者，他要對外部的信息進行選擇和加工。建構(gòu)主義還認為，學習活動中包含4個因素：學生的背景知

11、識，學生的情感，新知識本身蘊含的潛在意義，新知識的組織與呈現(xiàn)方式。學習活動要發(fā)生則必須滿足兩個條件：學生的背景知識與新知識有一定的相關(guān)度；新知識的潛在意義能引起學習情感的變化。學習活動發(fā)生后，學生通過與其他學生和教師的不斷交流和溝通，在自己原有背景知識的基礎(chǔ)上完成新知識的意義建構(gòu)?！白罱l(fā)展區(qū)”理論也告訴我們，教學的起點應(yīng)當是學生群體的“最近發(fā)展區(qū)”，也就是所提出的問題必須是學生不能夠獨立解決，但在課堂的環(huán)境中、教師啟發(fā)或“合作”的氛圍里能夠解決，“教學干預(yù)”的實質(zhì)就是“最近發(fā)展區(qū)”向“現(xiàn)有發(fā)展水平”轉(zhuǎn)變、提升的過程。因此，不論教師采用何種教學方式（講授或討論），都應(yīng)當讓學生經(jīng)歷一個由集體解決

12、問題到個體獨立解決問題的過程。比如在教學中我采用了如下做法： 設(shè)置階梯性問題，收集足夠多的與要形成的化學鍵概念有關(guān)的具體例證。如：構(gòu)成物質(zhì)的微粒有哪些？原子的結(jié)構(gòu)是怎樣的？原子具有什么樣的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)？原子趨向穩(wěn)定的可能途徑有哪些？物質(zhì)為什么會穩(wěn)定存在？當鈉原子和氯原子在逐漸靠近的時候可能會產(chǎn)生哪些作用力？從而幫學生梳理并解決影響化學鍵科學概念形成的相關(guān)問題，使學生的“最近發(fā)展區(qū)”（背景知識）盡可能處在同一水平。 分析概念，讓學生討論比較找出化學鍵前概念與課本中科學概念的差別。化學鍵定義：分子或晶體中直接相鄰的原子間強烈的相互作用。學生通過比較、分析前概念和科學概念可以發(fā)現(xiàn)：化學鍵存在在原子

13、之間，是一種很強的作用力，這樣就要求原子之間的距離必須要近即必須是直接相鄰的原子，分子與分子之間的作用力不屬于化學鍵。從而有效地形成了化學鍵的科學概念，糾正了錯誤概念，并且在此過程中學會了學習化學概念的方法，提高了分析問題的能力。 討論例證，深化概念，進一步理解化學鍵概念的內(nèi)涵和外延。前測中的第題：水分子內(nèi)氫原子和氧原子之間存在作用力嗎？這種作用力屬于化學鍵嗎？這主要考察學生對化學鍵概念內(nèi)涵的理解。第題：氯化鈉（NaCl）、二氧化碳（CO2）、氨氣（NH3）三種物質(zhì)中的化學鍵分別存在在 和 、 和 、 和 之間。主要是讓學生學會排除干擾，從而進一步完成對化學鍵科學概念的建構(gòu)。第題：下列過程中，

14、化學鍵被破壞的是（ ）A、酒精溶于水 B、氯化鈉溶于水 C、碘升華 D、氯化氫氣體溶于水。目的是深化概念的內(nèi)涵，旨在讓學生初步了解并理解化學鍵概念的外延。通過對這些具體例題的分析，使學生對化學鍵概念由抽象到具體，有了一個直接的認識，從而深化了概念的同時，也進一步理解了化學鍵概念的內(nèi)涵和外延。 化學鍵概念干預(yù)后測試測試對象：還是筆者所擔任的三個教學平行班高一學生；測試時間：化學鍵概念學習之后完成；測試形式：根據(jù)化學鍵概念的內(nèi)涵和外延，筆者自己編制了一套測試題。測試題中的問題有與化學鍵概念形成有關(guān)的重要基礎(chǔ)問題，有的是前測中的原題，還有只有理解了化學鍵概念的內(nèi)涵和外延才能解決的題目；測試目的：診斷

15、干預(yù)后，學生的前概念、錯誤概念的矯正情況，以及科學概念的建構(gòu)情況，以便在后續(xù)的教學中能進一步矯正錯誤概念、建構(gòu)科學概念，并在課堂教學實踐中運用和發(fā)展科學概念，從而達成概念的同化、概念網(wǎng)的建立等最終目標。附：化學鍵概念干預(yù)后測試（1）你知道物質(zhì)為什么會穩(wěn)定存在嗎？ （2）原子是由哪些微粒構(gòu)成的？ （3）畫出鈉原子、氫原子和氯原子的結(jié)構(gòu)示意圖：鈉原子： 氫原子： 氯原子： （4）原子具有什么樣的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)？ （5）畫出鈉離子和氯離子的結(jié)構(gòu)示意圖和電子式。鈉離子：結(jié)構(gòu)示意圖 電子式 氯離子：結(jié)構(gòu)示意圖 電子式 （6）原子趨向穩(wěn)定的可能途徑有哪些？ （7）靜電作用力有哪些？ （8）當鈉原子和氯原子

16、在逐漸靠近的時候可能會產(chǎn)生哪些作用力？ 當鈉離子和氯離子在逐漸靠近的時候可能會產(chǎn)生哪些作用力？ （9）化學鍵是指_。（10）水是由水分子構(gòu)成的，水分子和水分子之間的作用力是不是“化學鍵”？（ ）A、是 B、否 理由： 。（11）水分子內(nèi)氫原子和氧原子之間存在作用力嗎？（ ）A、存在 B、不存在這種作用力屬于化學鍵嗎？（ ）A、是 B、否理由： 。（12）“強烈的相互作用”是指 。（13）氯化鈉（NaCl）、二氧化碳（CO2）、氨氣（NH3）三種物質(zhì)中的化學鍵分別存在在： 和 、 和 、 和 之間。理由是： 。（14）下列過程中，化學鍵被破壞的是（ ）A、酒精溶于水 B、氯化鈉溶于水 C、碘升華

17、 D、氯化氫氣體溶于水（15）已知在一個標準大氣壓下，液態(tài)水要加熱到100才能變?yōu)闅鈶B(tài)，這說明水分子之間存在有 ，我們將水加熱過程中吸收的熱量恰好是克服了它。進一步的研究表明，如果單純使用加熱的方法，需要將氣態(tài)水加熱至2000以上才能將其分解為氫氣和氧氣，這說明在水分子內(nèi)，氫原子與氧原子之間存在有 。顯然后一個實驗中付出的能量更多，這說明 。這兩者是否都屬于化學鍵？ 。 原因： 。 化學鍵概念干預(yù)后測試結(jié)果統(tǒng)計 分析：前測的第（3）題與后測的第（9）題相同，都是讓學生寫出化學鍵概念的內(nèi)容，從上述表格的統(tǒng)計對比中可以看出干預(yù)后，90%以上的學生掌握了化學鍵的概念；前測的第（5）（6）（7）（8）

18、題分別與后測對應(yīng)的第（10）（11）（13）（14）題相同，同樣發(fā)現(xiàn)干預(yù)后，學生對相關(guān)內(nèi)容掌握的情況都有很大程度的好轉(zhuǎn)，由此可見，前面所述干預(yù)是有效的。但筆者仍然有疑惑，按照道理說內(nèi)容是新授的，上課時學生的聽課、活動狀態(tài)都不錯，但為什么不是100%的正確率呢？經(jīng)過筆者仔細分析后發(fā)現(xiàn)：后測中第（1）（8）題都屬于與化學鍵概念形成有關(guān)的重要基礎(chǔ)問題（即學生的舊知識），但其中第（1）（2）（5）（7）（8）題的正確率很低，這說明學生的已有知識水平并不真正相同，盡管在化學鍵概念建構(gòu)之前進行了復習回顧梳理，但這些學生并不知道這樣做的目的是什么，未能主動以自己原有的經(jīng)驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)對新的信息進行編碼，建構(gòu)自

19、己的理解，也就是說新知識未能激活學生認知結(jié)構(gòu)中與新概念學習相關(guān)的已有概念，新知識的潛在意義也未能引起學生學習情感的變化。我們都知道學習是一個積極主動的建構(gòu)過程，學習者不是被動地接受外在信息，而是根據(jù)先前認知結(jié)構(gòu)主動地和有選擇性地知覺外在信息，建構(gòu)當前事物的意義，這個過程是別人無法替代的。從對后測的統(tǒng)計中也可看到，有許多錯誤的原因是未填寫任何答案造成的，并非真正不懂而填錯。由此可見，“學生已有知識結(jié)構(gòu)”和“態(tài)度”是影響化學鍵科學概念乃至其它化學概念建構(gòu)的重要因素。如何更有效地幫助學生矯正錯誤概念和前概念？筆者認為幫助學生尋找并激活認知結(jié)構(gòu)中與新概念學習相關(guān)的已有概念，并將新概念與已有概念建立起聯(lián)

20、系，即概念同化是關(guān)鍵。4.2 概念的同化所謂概念的同化就是指學習者利用原有認知結(jié)構(gòu)中適當?shù)母拍顏韺W習新概念的一種方法。認知心理學家奧蘇貝爾(Ausubel D P)認為，概念和原理學習的實質(zhì)是新概念與學生認知結(jié)構(gòu)中原有的概念通過相互作用，建立其內(nèi)在的邏輯聯(lián)系。新舊概念的相互作用，就是新舊意義的同化，其結(jié)果是新概念納入原有的認知結(jié)構(gòu)中，原有的認知結(jié)構(gòu)得以豐富和擴大。在概念同化學習中，學習者認知結(jié)構(gòu)中原有的概念起著決定作用，這從后測統(tǒng)計結(jié)果中已可以看出：與化學鍵科學概念形成有關(guān)的第（5）（8）題，應(yīng)屬于學生的舊知識，但正確率很低，說明學生對這些舊概念的清晰性和穩(wěn)定性都較差，這必然影響學生在新舊概念

21、之間建立起聯(lián)系，影響學生對新概念的正確理解。因此，在教學中我選編了一些習題來激活學生已有的相關(guān)舊概念，同時設(shè)計一些綜合性習題將新舊概念之間聯(lián)系起來，讓學生在比較判斷中矯正錯誤概念和前概念，加深對化學鍵科學概念的理解，從而正確建構(gòu)化學鍵的科學概念。如：1、原子達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的是（ ）（A）最外層上沒有電子 （B）最外層上一定是8個電子（C）最外層上是8個電子或為2個電子 （D）每個電子層上都為8個電子2、原子趨向穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的途徑是（ ）（A）只有失去電子 （B）只有形成共用電子對（C）只有得到電子或形成共用電子對 （D）有得、失電子或形成共用電子對3、下列關(guān)于離子鍵的敘述正確的是（ ）（A）原子間的

22、強烈的靜電作用 （B）陰、陽離子間的強烈的吸引作用（C）陰、陽離子間的強烈的靜電作用 （D）陰、陽離子間的強烈的排斥作用4、氫氣和氧氣反應(yīng)生成水的過程為：氫原子和氧原子之間通過 而結(jié)合，這種原子間通過 而形成的化學鍵稱為 。5、已知在一個標準大氣壓下，液態(tài)水要加熱到100才能變?yōu)闅鈶B(tài)，這說明水分子之間存在有 ，我們將水加熱過程中吸收的熱量恰好是克服了它。進一步的研究表明，如果單純使用加熱的方法，需要將氣態(tài)水加熱至2000以上才能將其分解為氫氣和氧氣，這說明在水分子內(nèi)，氫原子與氧原子之間存在有 。顯然后一個實驗中付出的能量更多，這說明 。這兩者是否都屬于化學鍵？ 。 原因： 。4.3 概念網(wǎng)的建

23、立建構(gòu)主義理論認為學生不是空著腦袋走進教室的，他們在日常生活中，在以往的學習中，已經(jīng)形成了比較豐富的經(jīng)驗，而且，有些問題他們即使還沒有接觸過，沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗，但當一旦接觸到這些問題，他們往往也會從有關(guān)的經(jīng)驗出發(fā)，形成對這些問題的某種合乎邏輯的解釋。也就是說在學習化學鍵概念的過程中，學生已經(jīng)自發(fā)地將先前的舊概念，如原子的結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)示意圖、離子結(jié)構(gòu)示意圖、原子的電子式、離子的電子式、核外電子排布規(guī)律、靜電作用力、元素等，與新概念化學鍵聯(lián)系了起來，初步建立起了一個隨機、凌亂的概念網(wǎng)，因為凌亂，所以在建構(gòu)過程中容易使學生形成錯誤概念或產(chǎn)生前概念，若教師在進行教學干預(yù)時未能及時有效地幫助學生整理這個

24、概念網(wǎng)，那么學生對化學鍵概念的建構(gòu)必然是有缺陷的。這就是為什么許多老師在新課開始之前要進行復習回顧的原因。如何建立化學鍵概念網(wǎng)，我的做法是： 設(shè)計問題，激活學生已有的相關(guān)舊概念。如：構(gòu)成物質(zhì)的微粒有哪些？原子的結(jié)構(gòu)是怎樣的？畫出鈉原子、氫原子、氯原子、鈉離子和氯離子的結(jié)構(gòu)示意圖和電子式。原子具有什么樣的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)？原子趨向穩(wěn)定的可能途徑有哪些？當鈉原子和氯原子在逐漸靠近的時候可能會產(chǎn)生哪些作用力？ 這時在學生頭腦中必然相繼出現(xiàn)這些概念：原子的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖電子式穩(wěn)定結(jié)構(gòu)原子趨向穩(wěn)定的可能途徑作用力而且這些概念在學生的頭腦中一定是以某種方式交織在一起形成了一個概念網(wǎng)。 討論：自然界中物質(zhì)為什么能穩(wěn)定存在呢？引導學生將上述概念有機地聯(lián)系起來，梳理并逐漸形成一個能解釋該問題的概念網(wǎng)： 閱讀課本中化學鍵概念的定義，找出關(guān)