學(xué)科本質(zhì)認(rèn)知視角下的初高中化學(xué)銜接教學(xué)研究

摘要：初高中化學(xué)銜接教學(xué)具有轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式的重要功能。以“膠體及膠體性質(zhì)”教學(xué)為例，教師應(yīng)基于學(xué)科本質(zhì)設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)與引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)，探究銜接課設(shè)計(jì)角度、方法及實(shí)踐策略，通過實(shí)驗(yàn)探究成敗原因、知識橫向和縱向維度的創(chuàng)新應(yīng)用及學(xué)生自主設(shè)計(jì)作業(yè)、思維導(dǎo)圖等方式，引導(dǎo)學(xué)生研究知識的學(xué)科本質(zhì)，建立結(jié)構(gòu)化的知識體系，自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)探究，理解高中化學(xué)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：初高中化學(xué)銜接教學(xué)；學(xué)習(xí)方式；實(shí)驗(yàn)探究成敗原因分析；學(xué)科本質(zhì)化學(xué)學(xué)科本質(zhì)為：從微觀層次認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?！澳z體及膠體性質(zhì)”是常見無機(jī)物及其應(yīng)用主題下的學(xué)習(xí)內(nèi)容，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》）要求學(xué)生“認(rèn)識膠體是一種常見分散系，了解膠體的丁達(dá)爾實(shí)驗(yàn)?！痹趯W(xué)生開始高中化學(xué)的學(xué)習(xí)時(shí)，“分散系”“膠體”是學(xué)生在初始階段接觸到較為簡單易懂的知識內(nèi)容。教師應(yīng)抓住初高中化學(xué)銜接教學(xué)契機(jī)，充分創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題解決情境，引導(dǎo)學(xué)生基于學(xué)科本質(zhì)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式。教師可應(yīng)用“膠體知識”為引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)線索，幫助學(xué)生建立較為完整的高中化學(xué)學(xué)習(xí)與探索路徑，形成旨在充分調(diào)動(dòng)、發(fā)揮學(xué)生主體性的、多樣化的學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)，從而為學(xué)生高中階段化學(xué)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變奠定良好基礎(chǔ)。一、教學(xué)主題內(nèi)容及教學(xué)現(xiàn)狀分析一縷晨光傾瀉而下，在窗口照射出一條光亮的通路；鹵水滴入豆?jié){，很快結(jié)成豆腐；形成黃河三角洲的主要原因是含硅酸鹽膠體的黃河水遇到海水中的鹽分后發(fā)生了膠體聚沉現(xiàn)象。以上與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的宏觀現(xiàn)象都與膠體有關(guān)?！澳z體及膠體性質(zhì)”是人教版高中化學(xué)教材必修一的內(nèi)容，豐富多樣的膠體性質(zhì)及其應(yīng)用展現(xiàn)出化學(xué)與地理環(huán)境、生產(chǎn)生活和生命奧秘千絲萬縷的聯(lián)系，是教師進(jìn)行初三、高一學(xué)段化學(xué)銜接教學(xué)的良好素材。教師可帶領(lǐng)學(xué)生從“微粒的不同尺度導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)變化”認(rèn)知角度出發(fā)，宏微結(jié)合、科學(xué)探究、創(chuàng)新應(yīng)用和解決問題，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式。膠體屬于分散系統(tǒng)，其分散質(zhì)粒子的直徑在1～100納米。膠體的性質(zhì)主要包括電泳現(xiàn)象、吸附現(xiàn)象、丁達(dá)爾效應(yīng)、布朗運(yùn)動(dòng)、聚沉等。傳統(tǒng)的膠體教學(xué)中無電泳、吸附現(xiàn)象的原因探究，學(xué)生不清楚膠體性質(zhì)不同于溶液與濁液的本質(zhì)原因，對“粒子尺度變化導(dǎo)致物質(zhì)性質(zhì)改變”理解不清晰。實(shí)踐活動(dòng)“明礬凈水”并沒有對吸附性能進(jìn)行深入探究，學(xué)生缺乏對膠體吸附性本質(zhì)原因的理解。丁達(dá)爾效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)常采用膠體和純凈水對照的方法，通過激光筆照射，對比觀察有無明亮“通路”出現(xiàn)，沒有探究丁達(dá)爾效應(yīng)與膠體結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。學(xué)生對膠體的其他重要應(yīng)用不了解，就很難將知識應(yīng)用于解決實(shí)際問題。以上問題導(dǎo)致學(xué)生未能對“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”觀念進(jìn)一步建構(gòu)。教師可從引領(lǐng)學(xué)生認(rèn)知學(xué)科本質(zhì)角度進(jìn)行膠體性質(zhì)的學(xué)習(xí)，并借此設(shè)計(jì)膠體性質(zhì)探究與應(yīng)用的引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行膠體性質(zhì)研究，對膠體的電泳現(xiàn)象、吸附現(xiàn)象、丁達(dá)爾效應(yīng)等性質(zhì)進(jìn)行深入理解。教師依據(jù)橫向的跨學(xué)科設(shè)計(jì)、縱向的化學(xué)科學(xué)研究兩個(gè)維度設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，推動(dòng)學(xué)生在理論指導(dǎo)下進(jìn)行深度學(xué)習(xí)、遷移運(yùn)用、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、交流探討、獲取結(jié)論等學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，發(fā)展“宏觀辨識與微觀探析”素養(yǎng)，產(chǎn)生初高中化學(xué)銜接教學(xué)的良好效果。二、教學(xué)思想與教學(xué)創(chuàng)新點(diǎn)學(xué)生的知識應(yīng)在與現(xiàn)實(shí)世界互動(dòng)的過程中主動(dòng)獲取，而不應(yīng)被動(dòng)地從教師或教材中接受。教師可從兩個(gè)維度設(shè)計(jì)“膠體及膠體性質(zhì)”教學(xué)，保證以學(xué)生為主體的引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)順利開展。橫向維度：可將膠體相關(guān)知識與其他學(xué)科進(jìn)行整合（如工農(nóng)業(yè)等社會(huì)熱點(diǎn)問題），實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科的聯(lián)系；縱向維度：可將膠體知識與社會(huì)問題（如產(chǎn)品制備、應(yīng)用、污染處理等）聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生深入思考實(shí)際問題背后所涉及的化學(xué)學(xué)習(xí)與社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)聯(lián)。教師可對傳統(tǒng)的“膠體及膠體性質(zhì)”教學(xué)做出兩個(gè)方面的重要改變：一是適當(dāng)橫向拓展，鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合其他學(xué)科，將膠體相關(guān)知識與學(xué)生的基本認(rèn)知角度進(jìn)行聯(lián)系。比如，農(nóng)業(yè)上，膠體在農(nóng)藥載體、土壤改良劑、植物生長調(diào)節(jié)劑、農(nóng)產(chǎn)品抗菌保鮮劑中的應(yīng)用。二是加深縱向拓展，教師展示制備納米材料的方法及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。比如，金納米顆粒（生物傳感器、藥物輸送）的應(yīng)用、二氧化鈦納米顆粒（光催化、太陽能電池）的應(yīng)用。教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生從多角度深入了解膠體知識在科學(xué)技術(shù)發(fā)展、社會(huì)發(fā)展及生活中的重要功能與價(jià)值，培養(yǎng)學(xué)生投身科研創(chuàng)新的責(zé)任感與使命感。三、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)流程根據(jù)《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中“促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式改變”這一銜接課程功能，筆者確定如下五點(diǎn)教學(xué)目標(biāo)。基本知識目標(biāo)：理解分散系的分類、膠體的定義、膠體的丁達(dá)爾現(xiàn)象。進(jìn)階知識目標(biāo)：了解膠體介穩(wěn)性、聚沉、電泳等性質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)（結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)觀念建構(gòu)）?；靖拍钅繕?biāo)：不同尺度下物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生改變的客觀事實(shí)、宏微結(jié)合分析物質(zhì)性質(zhì)及其原因的認(rèn)知角度（宏微結(jié)合思想）?；炯寄苣繕?biāo)：利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)踐簡單制備、性質(zhì)探究實(shí)驗(yàn)。素養(yǎng)目標(biāo)：通過對膠體性質(zhì)本質(zhì)的探究發(fā)展“宏觀辨析和微觀探析”；通過橫向跨學(xué)科探索、縱向?qū)W科深度學(xué)習(xí)培養(yǎng)“科學(xué)探究和創(chuàng)新意識”素養(yǎng)；通過解決實(shí)際問題培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感；通過學(xué)習(xí)過程體驗(yàn)，轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式。教師結(jié)合教學(xué)目標(biāo)可以確定教學(xué)流程（見下頁表1）。四、教學(xué)實(shí)踐探索（一）認(rèn)知膠體的定義教師提供資料：一種物質(zhì)或者幾種物質(zhì)高度分散到另一種物質(zhì)（稱為分散介質(zhì)）中所形成的體系叫做分散系。分散系=分散相（或分散質(zhì)）+分散劑。分散系主要分為三類：溶液、膠體和濁液。應(yīng)用手電筒照射三種分散系，現(xiàn)象如圖1所示。學(xué)生通過資料確定三種分散系的分類標(biāo)準(zhǔn)，即分散質(zhì)粒子直徑（溶液<1納米、膠體1～100納米、濁液>100納米）。膠體在手電筒照射后，有一條光亮“通路”，稱之為“丁達(dá)爾效應(yīng)”。出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因?yàn)椋嚎梢姽獠ㄩL范圍為400～700納米，大于膠體與溶液中的分散質(zhì)粒子直徑。當(dāng)可見光與這些粒子相遇時(shí)，會(huì)環(huán)繞粒子而向其四周散射，形成散射光。對于溶液體系，由于其中的粒子尺寸很小，散射光的強(qiáng)度會(huì)明顯減弱。粒子尺寸稍大的膠體中光的散射作用更明顯，從而體現(xiàn)為丁達(dá)爾效應(yīng)。濁液由于其粒子尺寸過大，光的傳播被完全隔斷，完全沒有光“通路”出現(xiàn)。因此，可以通過丁達(dá)爾效應(yīng)鑒別分散系是否為膠體。教師提供資料：膠體不帶電但單獨(dú)的膠體粒子（簡稱膠粒）是帶有電荷的，帶有正電荷或負(fù)電荷的離子包裹其外，形成多層核狀結(jié)構(gòu)，而膠粒具體是帶正電還是負(fù)電取決于正負(fù)離子的比例，需要根據(jù)膠體結(jié)構(gòu)判斷某類膠體粒子的電性（如圖2）。學(xué)生通過圖示可以判斷氫氧化鐵膠核吸附了正電離子團(tuán)，后因靜電作用再次吸引少量負(fù)電離子，另外一部分負(fù)電離子在外擴(kuò)散。呈現(xiàn)出氫氧化鐵膠體的膠粒帶有正電性，氫氧化鐵膠體整體不帶電的現(xiàn)象。教師以問題和實(shí)驗(yàn)搭建學(xué)習(xí)階梯，以假設(shè)和推理促進(jìn)學(xué)生的思維發(fā)展，從而發(fā)展學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。（二）推斷膠體的性質(zhì)教師提供支撐：出示布朗運(yùn)動(dòng)示意圖（布朗運(yùn)動(dòng)指懸浮在液體或氣體中的微粒所做的永不停息的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，如圖3）；布置引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)：根據(jù)以上膠體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析膠體與溶液、濁液的穩(wěn)定性區(qū)別，判斷膠體在電場下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，推斷膠體轉(zhuǎn)化為濁液的方法。學(xué)生小組活動(dòng)與匯報(bào)：膠體粒子同樣存在布朗運(yùn)動(dòng)，膠體粒子本身直徑大于溶液中的分散質(zhì)，故溶液最穩(wěn)定，膠體粒子帶有相同電性而存在斥力，故其相撞很難使粒子直徑大于100納米，最終確定膠體粒子穩(wěn)定性介于溶液和濁液之間。小組活動(dòng)1：因膠體粒子帶有電荷，在電場作用下會(huì)發(fā)生定向移動(dòng)，向異性電極移動(dòng)。小組活動(dòng)2：膠體粒子本身具備的介穩(wěn)性本質(zhì)原因?yàn)槟z體粒子帶相同電荷，很難聚集為沉淀?？梢酝ㄟ^攪拌、加熱——使膠體粒子剛性碰撞增大分散質(zhì)粒子直徑，還可以通過加入大量電解質(zhì)——用異性電荷中和膠體粒子電性，使介穩(wěn)性消失等方法。教師提出新問題“膠體具有吸附性，可用于凈水嗎”，并提供資料：明礬凈水原理——明礬在水中電離出鋁離子，鋁離子和水反應(yīng)生成了氫氧化鋁膠體；膠體粒子通過分子間作用力等微粒間作用吸附水中的雜質(zhì)離子或分子。學(xué)生在初中化學(xué)中學(xué)習(xí)過“明礬凈水”相關(guān)知識，通過教師提供的資料進(jìn)行初高中化學(xué)知識的銜接分析：氫氧化鋁膠體吸附了污染水體中的雜質(zhì)離子，說明明礬凈水應(yīng)用了膠體相關(guān)知識。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)基于化學(xué)學(xué)科本質(zhì)的“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”觀念理解；對膠體性質(zhì)的“介穩(wěn)性、電泳、聚沉、吸附性”等四個(gè)基本知識和概念進(jìn)行深度理解。（三）設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)生動(dòng)活潑的教學(xué)情境是化學(xué)新課程對化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出的新要求，教師可基于學(xué)科本質(zhì)的自主探索規(guī)律、設(shè)置引領(lǐng)性任務(wù)：根據(jù)膠體的介穩(wěn)性和明礬凈水原理，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室制取氫氧化鐵膠體的實(shí)驗(yàn)方案；根據(jù)膠體中粒子的直徑大小設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分離淀粉膠體和稀氯化鈉溶液；設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，證明氫氧化鐵膠粒帶正電；向制取所得的氫氧化鐵膠體中加入濃鹽酸，預(yù)測實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)支撐：以上四個(gè)實(shí)驗(yàn)的必備實(shí)驗(yàn)器材與藥品。學(xué)生根據(jù)膠體性質(zhì)與信息加工，設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)成敗結(jié)果，班級交流歸納實(shí)驗(yàn)報(bào)告（見下頁表2）。（四）橫向拓展教師構(gòu)建跨學(xué)科學(xué)習(xí)情境：膠體在各行業(yè)應(yīng)用廣泛，作用巨大。比如，膠體及其性質(zhì)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面的“土壤改良劑”“植物生長調(diào)節(jié)劑”中。教師提供資料：膠漿可以形成穩(wěn)定的土壤骨架，改善土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤的抗侵蝕性和抗旱能力；膠漿可以減少土壤中的大空隙，增加小空隙，改善土壤的保水能力和透氣性能；膠漿可以增強(qiáng)土壤的吸附能力，提高土壤對養(yǎng)分的保持能力，減少養(yǎng)分的損失。教師設(shè)計(jì)引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種膠漿，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。學(xué)生探討需求：膠體+植物營養(yǎng)劑；得出方案：結(jié)合淀粉液位膠體進(jìn)行分析，可以利用回收而來的紙張，將纖維素顆粒處理為1～100納米范圍，加入土壤中與水作用形成膠體分散系，同時(shí)纖維素能有效為作物提供一定的營養(yǎng)物質(zhì)。（五）縱向拓展教師構(gòu)建深度學(xué)習(xí)下的問題解決情境：納米科學(xué)在近年來發(fā)展迅速，科研人員利用膠體本質(zhì)及其性質(zhì)，在該尺度中開發(fā)了很多新型功能性材料，實(shí)用意義非凡。教師提供資料：金納米粒子尺寸范圍為1～100納米，其比較微小的結(jié)構(gòu)使這些顆粒比小分子更能積聚在炎癥或腫瘤增長部位，具有高效的光轉(zhuǎn)熱屬性的金納米顆粒，可以被應(yīng)用于特異性消融感染或患病組織；二氧化鈦是一種半導(dǎo)體材料，具有良好的光電性能，納米二氧化鈦磁性強(qiáng)、熱導(dǎo)性強(qiáng)、高效、成本低、不造成二次污染，還具有良好的抗菌作用，又因其光催化活性高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，毒副作用小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于光催化領(lǐng)域。教師設(shè)計(jì)引領(lǐng)性學(xué)習(xí)任務(wù)：課下查詢資料，設(shè)計(jì)一份基于以上資料中納米材料的試題，班級整合與確定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)后應(yīng)用于作業(yè)，以自主研究與設(shè)計(jì)作業(yè)的逆向思維推動(dòng)學(xué)生對知識本質(zhì)的理解。（六）歸納與總結(jié)教師引導(dǎo)學(xué)生用思維導(dǎo)圖的形式，建立結(jié)構(gòu)化與體系化的膠體知識譜系，并進(jìn)行交流。教師提示：思維導(dǎo)圖要呈現(xiàn)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)并決定用途”的思維觀念。學(xué)生小組合作、討論后完成思維導(dǎo)圖。學(xué)生交流后，教師選取最為科學(xué)、簡潔、美觀的作品進(jìn)行展示（如圖4）。初高中課程銜接有重要功能與價(jià)值，在此階段是學(xué)生理解“化學(xué)科學(xué)”研究對象、研究方法、思維路徑和知識建構(gòu)的奠基時(shí)期，教師應(yīng)充分研讀《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》、教材