三重表征視野下金屬晶體內(nèi)容分析與教學(xué)過程設(shè)計(jì)

1、 三重表征視野下“金屬晶體”內(nèi)容分析與教學(xué)過程設(shè)計(jì) 蘭祥春+高成Summary：化學(xué)三重表征是指人們依靠化學(xué)宏觀物質(zhì)世界為媒介來呈現(xiàn)可感知的宏觀化學(xué)知識；依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段所展現(xiàn)出的模擬景象為媒介來呈現(xiàn)需想象的微觀化學(xué)知識；以化學(xué)符號語言來呈現(xiàn)化學(xué)科學(xué)知識的三種知識替代形式。化學(xué)三重表征應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)有利于學(xué)生真正認(rèn)清化學(xué)學(xué)科本質(zhì)；給化學(xué)教學(xué)變革帶來了新的視角；是學(xué)生學(xué)好化學(xué)的重要突破口三方面的價(jià)值。文章以“金屬晶體”為例進(jìn)行了三重表征的教學(xué)設(shè)計(jì)。Key：三重表征；金屬晶體；內(nèi)容分析；教學(xué)過程設(shè)計(jì)：1008-0546（2016）12-0070-04 ：G633.8 ：Bdoi：10.3969

2、/j.issn.1008-0546.2016.12.02419世紀(jì)末，英國約翰斯頓教授（A.H.Johnstone）對學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)為什么感到困難這一問題進(jìn)行了思考，并提出化學(xué)三重表征理論的最初形式。此后，眾多化學(xué)教育研究者對化學(xué)三重表征理論進(jìn)行研究，使其得以發(fā)展，并成為化學(xué)教育研究的理論基礎(chǔ)。對學(xué)生來說，在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中發(fā)展化學(xué)三重表征思維，有利于幫助學(xué)生更好地理解化學(xué)學(xué)科本質(zhì)。對教師來說，以促進(jìn)學(xué)生發(fā)展化學(xué)三重表征思維為教學(xué)目標(biāo)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)化學(xué)三重表征的學(xué)習(xí)情境是其面臨的當(dāng)代化學(xué)教育的挑戰(zhàn)。鑒于此，本文以化學(xué)三重表征為視野，對金屬晶體這一節(jié)進(jìn)行內(nèi)容分析與教學(xué)過程設(shè)計(jì)。一、化學(xué)三重表征內(nèi)涵

3、及其對化學(xué)教學(xué)的價(jià)值1. 化學(xué)三重表征內(nèi)涵眾所周知，宏觀、微觀及符號三種水平的知識構(gòu)成了化學(xué)的知識系統(tǒng)。宏觀水平知識指向人們能憑知覺感知到的現(xiàn)象所形成的知識世界；微觀水平知識指向“原子及其衍生物，如：離子、分子所形成的世界，這是一個(gè)不可見的世界，只能憑想象來進(jìn)行理解”1。符號水平知識指向用來幫助人們交流的符號所構(gòu)成的化學(xué)語言知識世界。因“表征是一種經(jīng)反映而被構(gòu)造出來的、作為認(rèn)知對象的替代物而存在的在思維中被加工的形式”2，故化學(xué)不同水平的知識具有不同的呈現(xiàn)形式，對應(yīng)起來則有宏觀表征、微觀表征及符號表征三種表征形式。據(jù)上述分析，我們認(rèn)為化學(xué)三重表征即為人們依靠化學(xué)宏觀物質(zhì)世界為媒介來呈現(xiàn)可感知的

4、宏觀化學(xué)知識；依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段所展現(xiàn)出的模擬景象為媒介來呈現(xiàn)需想象的微觀化學(xué)知識；以化學(xué)符號語言來呈現(xiàn)化學(xué)科學(xué)知識的三種知識替代形式。2. 化學(xué)三重表征對化學(xué)教學(xué)的價(jià)值“化學(xué)的三重表征思維方式體現(xiàn)了化學(xué)科學(xué)的特點(diǎn)和化學(xué)科學(xué)獨(dú)特的魅力，它具有較強(qiáng)的可遷移性和強(qiáng)大的解釋力量”3。首先，化學(xué)三重表征利于學(xué)生真正認(rèn)清化學(xué)學(xué)科本質(zhì)，即化學(xué)是研究物質(zhì)在宏觀、微觀、符號三重世界及其變化關(guān)系的一門學(xué)科。其次，化學(xué)三重表征給化學(xué)教學(xué)變革帶來了新的視角，要求化學(xué)教師必須以化學(xué)三重表征的思維方式來開展化學(xué)教學(xué)工作。傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)往往重視符號表征為代表的知識點(diǎn)的講解，缺乏將宏觀、微觀、符號表征相聯(lián)系的視野來進(jìn)行化學(xué)

5、教學(xué)設(shè)計(jì)。最后，化學(xué)三重表征是學(xué)生學(xué)好化學(xué)的重要突破口。化學(xué)學(xué)習(xí)不能只停留在代表最終化學(xué)研究結(jié)果的符號表征上，而應(yīng)通過體驗(yàn)宏觀表征的化學(xué)，理解微觀表征的化學(xué)，再進(jìn)而能用符號來表征所謂的宏觀與微觀的化學(xué)。學(xué)生只有能夠以宏觀、微觀、符號三重表征來認(rèn)識化學(xué)，才能保證真正掌握所學(xué)化學(xué)知識。二、化學(xué)三重表征視野下“金屬晶體”內(nèi)容分析人教版化學(xué)選修3物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)第三章第三節(jié)“金屬晶體”主要介紹了金屬鍵及金屬晶體原子堆積模型的相關(guān)內(nèi)容。從化學(xué)三重表征視野下對其進(jìn)行分析，“金屬晶體”這節(jié)內(nèi)容包含了以金屬晶體所呈現(xiàn)出來的系列物理性質(zhì)為代表的宏觀水平知識；以模擬金屬原子堆積方式所呈現(xiàn)出來的金屬晶體微觀結(jié)構(gòu)為代表

6、的微觀水平知識；以為簡化金屬晶體微觀結(jié)構(gòu)而抽象出來的晶胞符號為代表的符號水平知識這三類知識。學(xué)生接受不同水平知識的難易程度不同，即“學(xué)生宏觀表征較好，但微觀表征、符號表征薄弱，并難以在不同表征間建立有效聯(lián)系4?！本唧w來說，學(xué)生對金屬的宏觀表征，如金屬通常具有導(dǎo)熱性、延展性、導(dǎo)電性等性質(zhì)易接受，但對模擬金屬晶體的空間堆積方式等抽象微觀表征則難以深刻理解，對模擬的堆積模型與抽象出的晶胞符號難以聯(lián)系，在面對利用金屬晶體的微觀結(jié)構(gòu)來解釋宏觀性質(zhì)的問題時(shí)亦顯得十分困惑。鑒于以上內(nèi)容特點(diǎn)，有學(xué)者認(rèn)為“利用可視化技術(shù)可以將抽象的知識轉(zhuǎn)變成為易于被人們接受認(rèn)知的圖形圖像，有助于促進(jìn)知識傳播和理解”5。盡管多數(shù)

7、教師在處理這節(jié)內(nèi)容時(shí)，利用可視化技術(shù)手段減小微觀表征的學(xué)習(xí)難度，但卻將宏觀、微觀、符號三種水平的知識孤立地進(jìn)行講解。而“真實(shí)的化學(xué)學(xué)習(xí)不會(huì)僅僅停留在宏觀表征、微觀表征、符號表征這些單一的層面，往往需要學(xué)習(xí)者在不同表征之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換”6，故教師對教材內(nèi)容進(jìn)行深度挖掘，為學(xué)生創(chuàng)造利于三重表征思維發(fā)展的學(xué)習(xí)情境，實(shí)現(xiàn)學(xué)生形成化學(xué)三重表征思維方式的教學(xué)目標(biāo)，是“金屬晶體”這一節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí)的關(guān)鍵所在。三、三重表征視野下“金屬晶體”教學(xué)過程設(shè)計(jì)“金屬晶體”這節(jié)內(nèi)容我們的設(shè)計(jì)思路總體來說按介紹金屬典型的宏觀物理性質(zhì)，到探究金屬晶體微觀結(jié)構(gòu)的4種基本堆積模型，再到利用晶體的微觀結(jié)構(gòu)解釋其宏觀性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。教師在進(jìn)

8、行教學(xué)時(shí)可將其劃為兩個(gè)課時(shí)完成，第一課時(shí)可完成金屬宏觀物理性質(zhì)及模擬金屬晶體微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，第二課時(shí)則繼續(xù)深入學(xué)習(xí)4種基本堆積模型的配位數(shù)及空間利用率知識，掌握從微觀粒子視角來理解宏觀物質(zhì)性質(zhì)的真正本質(zhì)。為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)思路的連貫性，筆者將兩課時(shí)的教學(xué)過程設(shè)計(jì)從教學(xué)過程大的環(huán)節(jié)進(jìn)行拆分，主要從教師活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)及設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行分析，具體情況如下：1. 宏觀表征、微觀表征、符號表征學(xué)習(xí)階段（第一課時(shí)）（1）宏觀表征學(xué)習(xí)階段教師：用ppt向?qū)W生展示常見的不同形狀、不同原料的金屬器件。學(xué)生：集中注意力關(guān)注展示內(nèi)容。 設(shè)計(jì)意圖：從學(xué)生熟悉的宏觀物質(zhì)入手，引導(dǎo)學(xué)生歸納出金屬共同的宏觀物理性質(zhì)，如（導(dǎo)電性、導(dǎo)熱

9、性及延展性等）。選擇具有代表性的宏觀性質(zhì)為宏微觀相聯(lián)系的學(xué)習(xí)作鋪墊。教師：為什么金屬晶體具有以上共同的物理性質(zhì)，而分子晶體及原子晶體沒有？它們的結(jié)構(gòu)有什么差異？學(xué)生：積極思考問題，出現(xiàn)疑惑，并總結(jié)概括。設(shè)計(jì)意圖：通過提問的方式引導(dǎo)學(xué)生思考問題，讓學(xué)生初步有物質(zhì)的宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)相聯(lián)系的意識，明確通過微觀結(jié)構(gòu)來解釋宏觀性質(zhì)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。（2）微觀表征及符號表征學(xué)習(xí)階段 探討平面堆積環(huán)節(jié)教師：將乒乓球在桌面上進(jìn)行一層緊密堆積。學(xué)生：動(dòng)手堆積。教師：提醒學(xué)生利用事先準(zhǔn)備好的紙板將乒乓球固定住，不讓其隨處移動(dòng)。堆積好后再觀察堆積方式的原子配位數(shù)及形成的空隙如何？學(xué)生：分兩組合作完成不同的堆積方式，并觀

10、察、討論、回答問題。教師：用ppt進(jìn)行展示如下：設(shè)計(jì)意圖：可視化展現(xiàn)不可見微觀粒子的有序排列，讓學(xué)生初步觀察金屬晶體的微觀結(jié)構(gòu)，為后續(xù)金屬原子微觀結(jié)構(gòu)的三維堆積做鋪墊。探討簡單立方及體心立方堆積方式及晶胞抽取環(huán)節(jié)教師：在非密置層堆積基礎(chǔ)上，第二層如何堆積？第三層又如何？學(xué)生：用紙板在桌面上圍成方形后將第一層乒乓球按非密置層堆積方式固定住。第二層的第一種堆積方式是采用同顏色的乒乓球進(jìn)行球?qū)η蚨逊e；第二層的另一種堆積則按球?qū)障兜姆绞讲捎貌煌伾蜻M(jìn)行堆積，第三則重復(fù)一層。（在老師引導(dǎo)下完成）教師：如何劃取晶胞？學(xué)生：觀察兩種堆積方式的最小重復(fù)單元。教師：用ppt展示如下堆積過程及晶胞抽象過程，具

11、體如下（簡單立方堆積：第一層為非密置層堆積，第二層球?qū)η蛑貜?fù)第一層，故選取兩層觀察最小重復(fù)單元，劃取簡單立方晶胞；體心立方堆積：第一層仍為非密置層堆積，第二層填充第一層空隙，第三層堆積則與第一層堆積重復(fù)，故選取三層來觀察最小重復(fù)單元，劃取體心立方晶胞）設(shè)計(jì)意圖：利用乒乓球模擬金屬原子的堆積方式，能將晶體的微觀結(jié)構(gòu)可視化表征出來，從而幫助學(xué)生深刻理解金屬晶體的微觀結(jié)構(gòu)，有效降低學(xué)習(xí)難度。而由微觀結(jié)構(gòu)劃取晶胞內(nèi)容，學(xué)生將體驗(yàn)如何由微觀表征抽象符號表征的過程，將微觀表征與符號表征聯(lián)系起來進(jìn)行深刻理解。探討六方最密堆積方式及晶胞抽取環(huán)節(jié)教師：在密置層堆積基礎(chǔ)上，第二層及第三層又將如何堆積？提醒學(xué)生在堆

12、積時(shí)應(yīng)滿足緊密堆積（即將沿空隙進(jìn)行堆積）。學(xué)生：用紙板在桌面上圍成正方形后將第一層乒乓球按密置層堆積方式固定住，在用不同顏色的球按球?qū)障哆M(jìn)行第二層堆積。再討論第三層堆積。教師：用ppt展示堆積方式（選擇密置層一部分為研究對象，觀察密置層堆積及空隙特點(diǎn)后，給空隙編號（左一），第二層占據(jù)第一層的1、3、5號空隙再給出第一層與第二層的球棍模型俯視圖，第三層與第一層相互重疊，隨后用A表示第一層B表示第二層，將其在空間中按ABAB依次拓展）。教師：該堆積方式的重復(fù)單元如何？如何劃取晶胞？學(xué)生：根據(jù)堆積方式觀察重復(fù)單元。教師：用ppt展示晶胞抽取過程（展示重復(fù)單元六棱柱，再展示其六棱柱球棍模型）。教師：

13、從六棱柱的球棍模型中還能劃取出重復(fù)單元嗎？學(xué)生：認(rèn)真觀察六棱柱球棍模型結(jié)構(gòu)。教師：用ppt展示從六棱柱球棍模型中劃取的重復(fù)單元即六方最密堆積的晶胞符號。設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)中微觀表征及符號表征的教學(xué)難度較大。在微觀表征教學(xué)時(shí)，教師需要“合理使用微觀模型，增強(qiáng)微觀世界的可視化，就相當(dāng)于為學(xué)生提供可以觀看微觀世界的“眼睛”，使微觀過程直觀化、抽象過程形象化”7。在符號表征教學(xué)時(shí)，教師需借助多媒體將模擬微觀結(jié)構(gòu)到晶胞抽取，即由微觀表征到符號表征轉(zhuǎn)化的思路清晰地向?qū)W生展現(xiàn)出來，讓學(xué)生能體驗(yàn)到教師是如何在微觀表征與符號表征之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的多重表征思維方式。加深學(xué)生頭腦里微觀表征與符號表征的融合程度。探討面心立

14、方最密堆積方式及晶胞抽取環(huán)節(jié)教師：在密置層基礎(chǔ)上還有其他的堆積方式嗎？學(xué)生：認(rèn)真思考問題，并嘗試堆積。教師：用ppt展示堆積過程（前兩層與六方最密堆積方式相同，第三層則將球依次對準(zhǔn)第一層所形成的2、4、6號空隙，第四層與第一層堆積相重合，其中一、二、三層分別用A、B、C表示，第四層及以后依次重復(fù)）。教師：如何劃取晶胞？學(xué)生：認(rèn)真思考。教師：用ppt展示較完整堆積過程（一層如圖1所示，二、三層模型如圖2所示，二層堆積在一層上，均占據(jù)圖1中頂角向左的空隙，如圖3所示，三層則在二層之上，均占據(jù)一層頂角向右的空隙，如圖4所示，第四層重復(fù)第一層）學(xué)生：用事先準(zhǔn)備好的實(shí)物乒乓球如圖1、2、3所示（用雙面膠

15、粘貼好，再用彩色筆將乒乓球涂成不同顏色）進(jìn)行實(shí)物堆積。教師：用事先準(zhǔn)備好的實(shí)物道具演示該堆積方式及晶胞抽取過程，再引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手演練晶胞抽取過程，最后再用ppt展示過程和晶胞的比例及球棍模型。設(shè)計(jì)意圖：為降低學(xué)生理解該種微觀結(jié)構(gòu)的堆積方式及晶胞抽取過程的難度，教師不僅需要借助多媒體及實(shí)物展示將微觀表征及符號表征呈現(xiàn)出來，更需要按照學(xué)生深刻理解微觀結(jié)構(gòu)的微觀表征之后，再過度到符號表征這一思路主線進(jìn)行教學(xué)過程設(shè)計(jì)。因“微觀表征既有助于分析與理解宏觀現(xiàn)象，更有利于符號表征的提煉與符號含義的理解”8，故該教學(xué)過程按照多媒體展示及學(xué)生動(dòng)手演練進(jìn)行設(shè)計(jì)，將幫助學(xué)生深刻理解微觀表征及符號表征，為學(xué)生建立微觀表

16、征與符號表征的有效聯(lián)系提供保障。 2. 問題解決與知識遷移應(yīng)用階段：加深宏觀、微觀、符號三重表征有機(jī)融合（第二課時(shí)）（1）微觀表征與符號表征有機(jī)融合階段教師：我們學(xué)習(xí)了四種堆積方式，其對應(yīng)的原子配位數(shù)分別為多少？你如何思考？學(xué)生：認(rèn)真思考并討論教師：用ppt向?qū)W生逐個(gè)演示，即選擇微觀結(jié)構(gòu)的堆積方式進(jìn)行分析。四種堆積方式都從一層堆積中選定一球?yàn)橹行拈_始觀察最近球的個(gè)數(shù)，再到觀察上層與下層最近球的個(gè)數(shù)。從而得出以上四種堆積方式的配位數(shù)依次分別為6、8、12、12。教師：各種堆積方式的空間利用率如何？學(xué)生：認(rèn)真思考空間利用率的計(jì)算方法教師：教師用ppt向?qū)W生逐個(gè)演示，選擇晶胞比例模型來分析球半徑與晶

17、胞邊長的關(guān)系，從而得出四種晶胞類型的空間利用率分別為52%、68%、74%、74%。教師：配位數(shù)與空間利用率有何聯(lián)系？學(xué)生：認(rèn)真思考兩者的聯(lián)系教師：配位數(shù)及空間利用率均揭示微觀結(jié)構(gòu)堆積方式的緊密程度，配位數(shù)從定性方面理解，選擇微觀表征為分析對象，空間利用率則是定量理解，選擇晶胞符號表征為分析對象。設(shè)計(jì)意圖：將配位數(shù)與空間利用率聯(lián)系起來設(shè)計(jì)有助于加深學(xué)生對微觀表征及符號表征的理解及相互融合。首先，配位數(shù)的分析過程將重現(xiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)的微觀表征，促進(jìn)學(xué)生對微觀表征的深刻理解。其次，空間利用率的分析過程將促進(jìn)學(xué)生對抽取的晶胞符號表征的深刻理解。最后，分析配位數(shù)與空間利用率聯(lián)系的過程，將促進(jìn)學(xué)生在微觀表

18、征及符號表征之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，加深兩者的融合程度。（2）微觀表征與宏觀表征有機(jī)融合階段教師：堆積過程中我們發(fā)現(xiàn)需要用外力才能將乒乓球聚集起來，巨大數(shù)目的金屬原子是靠什么力聚集起來的？學(xué)生：認(rèn)真思考問題并討論教師： 金屬原子是靠金屬鍵聚集起來的，金屬鍵指的是金屬離子與電子之間的強(qiáng)相互作用，這種作用是沒有方向性及飽和性的，這就使得金屬原子盡可能有序緊密地排列起來，到達(dá)力平衡的狀態(tài)，金屬鍵亦可幫助我們解釋金屬某些宏觀性質(zhì)。教師：為什么金屬晶體具有許多共同的物理性質(zhì)，而分子晶體及原子晶體沒有？學(xué)生：認(rèn)真思考問題并討論教師：金屬晶體由金屬離子及電子構(gòu)成，金屬離子按一定的堆積方式一層一層堆積起來，其脫落下來的

19、電子則遍布于整個(gè)金屬離子形成的空隙中及周圍，故金屬晶體具有許多共同的物理性質(zhì)。而分子晶體及原子晶體不具備自由移動(dòng)的電子，其結(jié)構(gòu)與金屬晶體也不同，故不具這些共同物理性質(zhì)。（用ppt展示模擬圖像）教師：學(xué)了金屬晶體的微觀結(jié)構(gòu)，你如何解釋金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及延展性等物理性質(zhì)？學(xué)生：通過相互討論及閱讀教材信息進(jìn)行思考教師：金屬導(dǎo)電的原因主要是金屬晶體中有大量可自由移動(dòng)的電子，在外加電場下定向移動(dòng)形成電流；金屬導(dǎo)熱的原因主要是大量可自由移動(dòng)的電子與金屬離子之間相互碰撞，迅速進(jìn)行著熱交換，從而使整個(gè)金屬很快達(dá)到相同的溫度；金屬具有延展性需兩方面進(jìn)行解釋，一是金屬晶體的結(jié)構(gòu)，金屬晶體是金屬原子按照一定方式一層一層堆積而成的，在受到外力時(shí)，每一層可發(fā)生相對滑動(dòng)；二是金屬鍵，金屬晶體在發(fā)生相對滑動(dòng)后，晶體內(nèi)部金屬離子與電子之間的強(qiáng)相互作用并沒有被破壞，即金屬鍵仍然存在，故金屬晶體受到外力可發(fā)生形變，但仍可被