中学化学教学设计：提升学习成果

教学实践表明，学生对化学知识的认识水平主要取决于他们对化学概念、化学理论的理解程度。理解化学概念是学习化学理论的基础，而学好化学理论会促进学生对化学实验现象的感知、分析、解释和推理，加深对化学事实的理解，深化对物质世界的认识；能够帮助学生把握概念本质特征之间内在联系的规律性，促进知识的联想，实现知识的迁移；有助于学生激活思路，培养逻辑思维能力、想象力和解决问题的能力，掌握学习、研究化学的方法；将所学到的知识系统化，便于记忆、检索和加以应用（注意：由于中学生的认知水平、化学课时的局限性以及化学学科自身的发展因素，中学化学课程中某些理论是理想化的，即排除了许多不确定或复杂因素，还有一些是不够完备的，理论并不是万能的）。

中学化学课程中的化学理论主要是以物质结构理论为中心以及以比较浅显的化学热力学理论为基础的化学原理、定律等，包括质量守恒定律、阿伏加德罗定律、元素周期律、物质结构理论、化学反应速率及化学平衡理论、电离理论、电化学理论等。

一、化学理论学习的特点

化学基础理论除了具有上一节所涉及的化学理论性知识的共同特点之外，作为化学理论性知识的核心部分，还具有以下显著特点：

抽象化水平高。化学理论对化学事实、经验的概括、提炼程度很高，一般语句不长，关键词多，内涵丰富、外延广泛。读懂文字不等于就读懂了化学理论，其理解和掌握的难度大，但是一经理解，就可以在头脑中保持较长时间。

逻辑性和规律性强。化学理论包含有意义的、彼此相关的若干概念，规定这些概念间的组合关系，揭示物质在组成、结构、化学反应过程中所遵循的规律，是一个建立在精准的概念、恰当的判断、正确的推理和严密的逻辑证明基础上的系统化的逻辑体系。在初中必修、高中必修、高中选修课程中化学理论知识内容的广度与深度均以螺旋式上升的形式呈现，环环相扣，是学生进行推理、预测、解决问题的重要依据。学生的学习必定经历论证推理、层层深入的过程。

学习水平要求高。在教育部和上海市颁布的课程标准中，化学理论的学习水平要求全部是“理解”“应用”甚至更高层次，即学生需要在规定的学时内准确、深刻地理解理论知识，并能应用于解释或解决各种情境中的相关问题。

课程标准同时指出化学理论的教学不仅要求学生掌握基本化学概念、化学原理，还强调帮助学生建立核心化学观念，如微粒观、平衡观、持续发展理念，帮助学生学习基本的科学研究方法和思想，如简单到复杂的研究顺序，静止到变化的动态思想，实践到理论再到实践的探索思路等。^[14]

化学理论知识属于程序性知识，其习得过程先经历陈述性知识阶段，再经过变式练习，最后转化为程序性知识。教师和学生主观上都非常重视化学理论的学习，精讲多练很容易成为化学理论家常课的主要形式。殊不知重结论轻过程的教学往往将生动的理论学习演变成对定律、原理、关键字词、应用条件的背诵和记忆，外加大量的应用训练，虽然能够达成理论知识的学习要求，却不能引起深层次的学习兴趣；学生思维过于简单化、线性化，除了知识之外还能有哪些收获？部分学生“一听就会，一做就错”，在埋头做题和不求甚解中大呼化学理论“单调乏味，太难学好”。还有部分学生存在学习困难。化学理论成为学生化学学习的又一难点。

二、化学理论的教学设计策略

化学理论是学生探索微观世界的纽带，它与化学概念同属化学理论性知识，因此化学概念教学的设计策略也是进行化学理论教学设计所需要关注的。化学理论又是对化学概念的进一步发展，化学理论学习的特点和价值决定“在较抽象的化学理论教学中应紧密联系学生已有经验，帮助学生主动构建自身发展所需的化学基础知识和基本技能，并体验科学探究过程，形成科学的自然观和严谨的科学态度”。^[15]因此我们还需要：

1.关注学生的思维水平

学习的过程是一个理解的过程，学生对化学理论的理解、应用和分析等有赖于他们的思维水平，而学生思维水平的发展同时受到化学理论学习的促进。因此，关注学生的思维水平，进行与之匹配的教学设计，是提高化学理论教学有效性的重要保障。

瑞士心理学家皮亚杰（J.Piaget）的认知发展学说认为：0至2岁的孩子处于感知运动阶段，即智力与思维的萌芽阶段；3至7岁为前运演阶段，知觉成分在此阶段占优势；8至12岁为具体运演阶段，该阶段已有了抽象概念，能进行逻辑推理；13至15岁及以后为形式运演阶段，此时已具备假设演绎思维、抽象思维和系统思维。

一般来说，初三学生的思维正处在从具体形象思维向抽象思维过渡阶段，虽然他们的思维活动中抽象逻辑思维开始逐步占有相对优势，但具体形象成分在思维中依旧起着重要作用，思维方式仍然是以直观思维为主。例如，在化学理论学习中联系生活，巧打比方，就能使学生学得更加轻松。这个阶段，学生思维的批判性也有了显著的发展，但还不成熟。教师在教学设计中既要相信学生的抽象逻辑思维能够占据优势地位，又要加强感性经验的支持，将形象思维与抽象思维紧密结合，促进学生的思维从现象到本质、从感性到理性的转化。

高中生的思维已开始具有辩证逻辑思维的特点，能够从一般原理、原则出发，运用理论分析和综合事实材料，从事物的对立统一中进行合乎逻辑的推理，但还未达到比较高级的水平。他们的感知、记忆和想象的自觉性越来越高，有意感知的观察能力、有意记忆能力和有意想象能力得到迅速提升。学生思维的深刻性与批判性又有了进一步发展，他们往往对书本上一些现成的结论会从不同角度提出自己的看法，对别人的见解和意见有一定的分析批判能力，喜欢开展不同意见的争论。他们对于自己的观点和意见常常会经过反复思考去寻找比较充分的理由或论据，与别人讨论问题时也希望对方拿出有说服力的证据。高中生智力的发展促成许多新观念和新观点的形成，而这些观念观点与其不断增长的高级社会需要相联系，便形成许多具有明确、有道德意识的社会性情感，如社会责任感、正义感等。

随着思维深刻性与批判性的发展，高中生的好奇心常常带有意志特点，可发展为更高级的求知欲，克服困难的毅力也在增强。他们的智力已达到较高水平，在学习中可以较好地理解抽象性很高的理论知识；他们的情感和意志具有很高的可塑性。在化学理论教学中应当依据高中生的心理特点，一方面在学生可以接受的基础上理解和应用化学理论，另一方面要注重培养学生学习科学的深度兴趣和情感。^[16]

案例1和案例2分别是初三和高二年级非常不错的化学理论课，但是不难发现，由于两个年段学生思维特点、认知活动深刻性的差异，课的教学容量与节奏、问题设计的梯度与难度、学生活动的方式与活动量等，都有不小的差别。

注重学生的感悟和反省认知，促进他们思维水平的不断提升，是关注学生思维水平的另一个方面。

2.将科学探究作为主要的学习方式

化学理论是化学课程的核心内容之一，其知识内容难度较大、综合性较强，学习水平较高，学生在已有知识经验的基础上，通过合作探究与交流，才容易形成对新理论的深刻理解。化学理论是人类在科学探索过程中得到的宝贵财富，化学理论的学习正是学生体验化学研究过程、学习科学方法、解决化学问题、形成科学态度和价值观的重要载体。所以，化学理论教学是非常适合在课堂上开展科学探究的内容，在教学设计中应该把科学探究选作学生学习化学理论（新授课）的主要方式，创造条件让学生亲身经历以探究为主的学习活动。

怎样在化学理论教学中设计探究性的学习活动，本书在第二章第六节已有阐述，我国学者提出的化学探究教学的“问题（problem）—探究（inquiry）—建构（construction）”教学模式（PIC模式）在此值得借鉴。该模式将化学探究教学过程分为问题、假设、证据、解释、评价五个基本阶段（或教学环节）（如图3-5所示）。

图3-5　“问题—探究—建构（PlC）”教学模式示意图

第一阶段，教师创设与探究内容有关的问题情境，激发学生的探究心理。学生的探究意识是影响探究学习最基本的因素。当学生面对具有挑战性的问题情境时会试图运用认知结构中的原有经验去同化，于是激活认知结构。由于原认知结构中只有一部分相关的、基础的背景经验，没有直接可以利用的知识经验，因而会使学生感到困惑，处于“心有余而力不足”的愤悱状态，激起认知冲突，从而激发起内心深处的探究意识，其外在表现就是学生提出与情境相关的问题。

第二阶段，学生搜索自己原有知识经验，分析当前问题的特点，确定问题涉及的变量，然后洞察变量间所蕴含的基本关系，生成对问题情境及其内部关系的初步理解，建立起关于问题的假设。在探究过程中，假设处于重要的地位。在问题面前，无人知道正确的谜底，但每个试图揭开谜底的人都会用自己的知识经验去分析、猜测、发现。学生对问题的假设，一方面能暴露自己的“前科学概念”，另一方面也因假设限定了证据搜寻的范围和对象而明确了自己后续探究的方向和目标。教师要鼓励和引导学生提出自己的假设，并根据学生的假设分析他们学习的“前科学概念”并及时采取补救措施。

第三阶段，学生针对假设寻找证据，主要是通过各种动手动脑相结合的探究途径获得解决问题所需的必要信息来支持自己的假设。要根据问题的特点和探究者自身的条件来选择探究的方式和方法。在搜集信息的过程中，查阅哪些方面的文献资料、如何查阅、如何设计实验、如何控制变量、如何进行现场调查等，学生往往缺乏经验，完全自主的探究会存在一定困难。教师应关注学生的探究动态，在确保学生主动探究的基础上及时为学生提供引导和支持，使探究性学习得以有效进行。

第四阶段，对证据进行合理解释。解释是指在学习新知识的过程中将自然界中或实验室中的结果与已有的知识联系起来，形成超越已有知识和当前观察结果的新的理解。学生从信息材料和事实出发，借助理性思维，排除干扰因素，准确提取研究对象的重要特征，按照一定的理论逻辑来推理变量之间的关系，这是从“事实”到“理论”的转化。如果推理的结果和假设是一致的，则假设成立；如果结果和假设相悖，则假设不成立，学生就需要结合获得的结果重新提出假设，继续开展验证活动。

第五阶段，若证据支持了假设，说明学生对问题的探究取得了成功，但这仅是对学生本人而言。因为假设是基于学生自身的知识经验提出的，探究方法也是学生自己确定的，事实信息还是由学生来搜集，其他研究者是怎样来认识这个问题的呢？尤其是获得公认的科学领域中的有关观点。学生可以据此作为参照来评价自己的探究是否成功。同时，学习也是一种具有反思性质的活动。在探究获得问题答案后，学生还需要以自己为参照来进行评价：“我学会了什么”“我掌握了哪些方法”“我还有哪些需要改进和注意的地方”“我下一步该探究什么”……通过这两种形式的评价，最终达成对事物意义的积极建构。^[17]

当然，这五个教学阶段可以有所变化。设计教学时教师要精心创设问题情境，提供足量认知信息，合理设置知识台阶，重视合作学习方式，鼓励学生质疑反思。

此外，不同年段课程中不同的化学理论具有不同的教学特征，要设计相宜的教学方法和教学手段才容易达成最佳教学效果。例如，化学反应速率和化学平衡理论由大量实验事实支撑，也是解决众多实际问题的重要理论，可以把学生的学习设计成从例子到原理的习得过程。通过学生对典型反应的自主实验探究，借助图像合作分析，归纳、抽象获得理论，再通过应用举例加深理解。电解质溶液所涉及的化学理论知识既以物质结构、化学反应速率、化学平衡理论为基础，又是解决实际问题的理论工具，可以把学生的习得过程设计为在推理、同化中达成理解。设法激起学生对已学理论的回忆、借此进行推测、以自主探究活动证实猜想、形成新理论、剖析实例获取反馈，将新旧理论融会贯通的方法收效甚好。物质结构理论特别抽象，选择设计问题链引导学生思考等有意义的接受学习，与先进的教学手段相结合，更易于学生的理解与掌握。选修模块的化学理论都可以通过回顾必修模块相关知识引入或帮助理解，温故知新，并在对已有知识经验产生新的体会、形成更完整的知识网络的同时，让学生体会化学科学是在不断发展中进步的。

3.充分开发化学史中的教学资源

我国现行各种化学教材中都呈现和展示了一些典型的化学史实材料，不少教师把它们看成仅仅是拓展学生视野的阅读材料，有的只是让学生自己阅读，有的用来作为新课的引入或者问题的导出，有的用作知识巩固的背景等，总之未能在教学中很好地加以使用。其实，就化学理论而言，每种理论的建立都经历了一个曲折的过程，其间充满丰富的科学观念、生动的化学理论研究方法技能、积极的化学科学态度（包括对化学的好奇心，努力钻研的态度，尊重化学事实，赞赏化学的社会作用和社会责任感等）以及耐人寻味的趣闻轶事等，是学生科学素养的养成不可多得的“营养源”。著名化学家傅鹰说过：“科学的历史是其最宝贵的一部分。科学给我们知识，而历史却能给我们智慧。”案例1中将化学史上波义耳、拉瓦锡的实验作为对质量守恒定律探究过程中支持假设的证据之一，既弥补了课堂实验数量、种类有限，使之为有限的课堂探究过程服务，又告诉学生严谨缜密的思维和实验设计是化学科学的生命。案例2中教师非常重视开发史料的教育价值，不仅让学生深切感受元素周期律的奇妙，它的发现对科学发展的重大意义，而且强烈触动学生对微观世界的好奇心，同时体会科学家的艰辛，并为科学家实事求是的科学精神所深深折服。

除了教材提供的显性材料之外，对一些重要的化学理论和概念，教师还应积极搜集和开发相关的化学史资源，研究化学家是在什么样的背景下研究这个问题的？用什么方法来研究的？其间经历了哪些不同寻常的过程？不同时期的化学家针对该问题各提出了哪些不同的看法？各自的依据以及特点又是什么？等等，组织学生一起对化学发展进程中的事件作出理性的分析和评价，挖掘其背后隐藏的多重教育功能，使学生对化学理论和概念的认识更加深刻、更加透彻的同时收获更多。案例1中教师巧妙地用2400多年前古希腊哲学家德谟克利特的一首诗作为课的开头和结尾，寥寥数语，提升了整节课教学的立意。

三、化学理论的教学设计案例

【案例1】

“化学反应中物质的质量关系”（质量守恒定津第一课时）

教材：《化学　九年级上册》第五单元课题一，人民教育出版社

设计者：上海市延安初级中学　孙兰兰

（在全国第二次初中化学优质课观摩展示暨教学改革研讨会上借班上课）

一、教学目标

（一）知识与技能

1.能从宏观和微观两个视角理解质量守恒定律的含义。

2.能运用质量守恒定律解决一些问题。

（二）过程与方法

1.在探究化学反应中物质的质量关系过程中，提升逻辑思维能力。

2.在实验探究过程中，初步了解定量实验的研究方法和科学探究的一般过程。

3.从宏观角度进行实验探究化学反应中物质的质量关系的同时，能从微观视角推理并解释质量守恒定律，感悟宏观与微观世界的相互联系。

（三）情感态度与价值观

1.在学习质量守恒定律过程中培养严谨的科学态度。

2.感悟化学实验在化学学习中的重要地位。

（四）教学的重点与难点

教学重点：能从宏观和微观两个视角理解质量守恒定律的含义。

教学难点：用证据支持假设的方法探究化学反应中物质的质量关系。

二、教学分析（略）

三、教学过程

【播放配乐诗朗诵】（古希腊哲学家德谟克利特，2400多年前）

无中不能生有，任何存在的东西也不会消失；

看起来万物是死了，但实则犹生；

正如一场春雨落地，霎时失去踪影；

可是草木把它吸收，长成花叶果实——依然欣欣向荣。

环节一：引入

【教师】各位同学，让我们在优美的配乐诗朗诵过程中开始上课吧！

同学们，今天是化学把我带到了这里，和大家分享学习的快乐。你们喜欢化学这门学科吗？

【学生】自由回答。

【教师】我相信最吸引你们的一定是化学实验。能否告诉我哪些实验让你印象最深刻？

【学生】自由回答。

【教师】为什么？

【学生】自由回答。

【教师】同学们刚才描述的实验现象可以说是对化学变化的一种宏观描述。那么我们还能不能从其他角度对化学变化进行描述呢？

【学生】微观。

【教师】从微观角度如何对化学变化进行描述呢？

【学生】思考并回答。

【教师】还有其他描述方法吗？

【学生】思考。

【教师】（展示蜡烛燃烧的图片）请看这张图片，蜡烛燃烧过程中，除了有蜡烛的燃烧现象和微粒的变化以外，你还看到了什么？

【学生】自由回答。

【教师】很好，蜡烛变短了，也就是质量变小了。可见，化学变化还可以从物质的质量的角度进行描述。今天我们就一起来研究化学反应中物质的质量关系，课题是“探究化学反应中物质的质量关系”。

环节二：探究化学反应中物质的质量关系

【教师】（展示硫酸铜和氢氧化钠反应的文字表达式和图片）请看，这是大家在绪论课上做过的一个实验。请大家仔细观察，想一想在化学反应中反应物硫酸铜的质量是变多了还是变少了？你是怎样发现的？

【学生】变少了，因为溶液的蓝色消失了。

【教师】生成的蓝色沉淀氢氧化铜质量是变多了还是变少了？你是怎样发现的？

【学生】变多了，因为反应前没有蓝色沉淀。

【教师】毫无疑问，在化学变化中反应物的质量会逐渐减少，生成物的质量会逐渐增多。如果我们孤立地从反应物或生成物角度研究它们的质量变化是否有意义呢？能否将某个化学反应体系作为一个整体来研究反应前后的质量情况呢？

【学生】表示认同。

【教师】同学们，刚才蜡烛燃烧的图片中蜡烛的质量变化我们一目了然，但是我们要研究整个化学反应中物质的质量关系，恐怕仅用眼睛观察可能无法得出结论，那么我们可以选用哪些工具来研究呢？

【学生】托盘天平。

【教师】很好，其实称量的工具有很多，除了大家所说的托盘天平，还有电子天平、分析天平等（切换至实物投影）。今天我们采用电子天平来进行研究，它的精度为0.1 g，其操作非常方便。大家看，我将烧杯放上去，它的质量马上在显示屏上显示出来。你们说方便吗？

【学生】很方便。

【教师】现在邀请一位同学和我合作，利用电子天平来研究硫酸铜溶液与氢氧化钠溶液在反应前后整个体系的质量情况。（演示）这是事先装好药品的密闭装置：在锥形瓶底部加了适量的氢氧化钠溶液，在锥形瓶内的小试管中加了适量的硫酸铜溶液，它们之间有接触吗？

【学生】（观察后回答）没有。

【教师】好，请我的搭档先将密闭装置进行称量，读数为多少？

【学生】读数（教师：记录质量并板书）。

【教师】现在再请我的搭档倾斜锥形瓶，让两种溶液接触。请为同学们描述一下观察到的现象，并告诉大家说明了什么？

【学生】产生了蓝色沉淀。说明硫酸铜溶液和氢氧化钠溶液发生了化学反应。

【教师】继续请我的搭档将整个装置再次称量，读数是多少？

【学生】读数（教师：记录质量并板书）。

【教师】谢谢，请坐回原位。啊！这两个数据竟然是相等的！这两个数据中分别包含了哪些物质的质量？请大家讨论一下，然后回答。

【学生】分组讨论，代表回答。（PPT显示）

【教师】原来是反应前硫酸铜、氢氧化钠、水和锥形瓶的总质量与反应后氢氧化铜、硫酸钠、水和锥形瓶的总质量相等。请问：锥形瓶有没有参加化学反应？它的质量能否在反应前后消去呢？还有哪些因素也同样可以消去？

【学生】边议论边回答。

【教师】反应中氢氧化钠有可能剩余吗？

【学生】有可能的。

【教师】那么可以将反应前的氢氧化钠分成两部分，一部分是参加化学反应的，另一部分是剩余的。同学们，既然氢氧化钠有剩余，硫酸铜还会有吗？

【学生】不会。

【教师】那么剩余部分氢氧化钠的质量，在反应前后可以消去吗？

【学生】可以。（PPT显示）

【教师】现在我们发现了什么？请大家充分讨论后告诉我。

【学生】（分组讨论，达成共识）参加化学反应的各物质的质量总和等于生成的各物质的质量总和。

【教师】同学们从这个反应中得出了一条结论：参加化学反应的各物质的质量总和等于生成的各物质的质量总和。那么这个结论是否适用于所有的化学反应呢？

【学生】自由回答。

【教师】为什么？

【学生】自由回答。

【教师】但至少我们可以形成一条假设，似乎很值得我们研究：参加化学反应的各物质的质量总和等于生成的各物质的质量总和。通过这个实验我们有了两点收获，首先明确研究化学变化中的质量关系要进行整体研究，其次形成上述假设。那么上述假设是否真的能获得支持呢？

【学生】要多做几个实验。

【教师】要多做几个什么样的实验呢？

【学生】思考、尝试回答。

【教师】刚才我们已经做了生成物中有沉淀的化学实验，如果我们再做类似的实验，如硫酸铁和氢氧化钠的反应、碳酸钠和氢氧化钙的反应，就算再做更多个类似实验，你们觉得这个实验结论足以支持刚才的假设吗？

【学生】（议论，回答）不能。

【教师】为了使证据更充分，我们还需要选择哪些更具有代表性和说服力的化学反应呢？请大家再一起讨论。

【学生】思考，讨论。

【教师】正巧，前天有位学生做了实验，大家看看他的实验过程与实验结论能否作为证据支持我们的假设。

【播放视频】在试管中进行碳酸钠粉末与盐酸反应，并称量反应前后的质量。

【学生】观看，思考。

【教师】这位学生所做的实验能支持我们的假设吗？

【学生】不支持。

【教师】我们的假设不成立，对吗？说说你的理由。

【学生】（议论，回答）不一定。因为产生的气体逃逸了。

【教师】原来视频中的学生没有将反应后生成物的全部质量都计算在一起！如果我们将逃逸的气体收集起来，一起称量，结果会怎样呢？

【学生】猜测。

【教师】大家的猜测各不相同。但从这个实验中我们至少有三点收获：一是这个实验结果不足以支持我们的假设，也不至于推翻我们的假设；二是它让我们知道称量中一定要注意称量反应物和生成物的总质量；三是它还让我们知道像这种有气体产生的化学反应很有代表性，有研究的价值。如果让你来研究这类化学反应在反应前后物质的质量关系，你将如何改进这位学生的实验装置呢？请大家分组讨论，充分发表意见。

【学生】分组讨论，提出改进装置：强调要在密闭装置中进行实验的探究。

【教师】很有道理，但现在无法提供刚才提出的各种装置，大家可以在课后到实验室验证各自装置的可行性。现只有一只空的塑料瓶，它本身是装碳酸饮料的，有一定的耐压性，你们看可以利用它形成密闭体系吗？

【学生】可以。

【教师】好，现在让我们重新进行视频中那位同学的实验，看看得到的证据是不是支持我们的假设。

【演示实验】在上述容器中进行碳酸钠粉末与盐酸的反应，并称量反应前后的质量。（转换至实物投影）

【学生】观察。

【教师】又发现了什么？

【学生】反应前后的总质量是相等的。

【教师】看来这类有气体产生的化学反应的实验结论仍然是支持我们的假设的。还可以选择什么类型的化学反应来支持我们的假设呢？

【学生】选择有气体参与的化学反应。

【教师】同学们，早在17世纪时英国化学家波义耳就开始着手研究此类反应。他在密闭容器中分别加热铜、铁、锡、铅等多种金属。我们以铜为例，请仔细观察，看看他的实验过程和结果是否也支持我们的假设。

【播放动画】

【学生】观察，思考。

【教师】波义耳的实验支持我们的假设吗？

【学生】不支持。

【教师】那么有没有推翻我们的假设呢？为什么？

【学生】（议论，回答）没有。反应后波义耳打开了瓶塞，外界的空气进入瓶中，进入的空气质量也被计入反应物的质量中。

【教师】你能否帮助波义耳改进实验呢？

【学生】不打开瓶塞直接称量。

【教师】同学们太棒了，你们的想法和18世纪伟大的法国化学家拉瓦锡一样。拉瓦锡在100年后重复了波义耳所有的实验，唯一不同的就是在打开瓶塞前就对密闭装置进行了称量。结果发现，加热前后物质的总质量不变。他的实验结论是否又能成为支持我们假设的有力证据呢？

【学生】是的。

【教师】同学们，刚才我们通过自己做的几个实验和前人的实验，不断寻找证据支持我们的假设，能否证明我们的假设已经成立了呢？

【学生】意见无法统一。

【教师】我也觉得我们选择的实验数量和类型还远远不够，心里不踏实。我们能否换个角度从理论上寻找依据来支持我们的假设呢？

【学生】可以或不清楚。

【教师】我们已经知道化学变化可以从宏观角度对实验现象进行描述，现在我们又懂得了从质量的角度进行分析，当然也可以从微观角度理解。那么如何从微观视角找到理论依据来支持我们的假设呢？请大家充分讨论。

【学生】分组讨论。

【教师】（点拨）请看这是水电解的微观过程的动画模拟，从微观角度充分揭示化学变化的本质。请仔细观察化学反应前后原子的表现有何特点？

【动画模拟】水电解的微观过程。

【学生】（阅读书本，观察动画，寻找答案）化学反应前后原子的种类、数量均没有改变。

【教师】同学们说得非常正确，化学变化的本质是原子的重新组合，化学反应前后原子的种类、数量均没有改变，质量自然就不会变了。这就是对我们假设的理论支持！

这堂课经过我们共同努力，我们的假设终于既有了实验数据的支持又有了理论依据的支撑，现在支持我们假设的证据是不是越来越多啦？我们今天通过课题研究并回顾了相关的科学史实，得出一条重要的定律——质量守恒定律，下面请大家一起朗读并体会质量守恒定律的定义。

【学生】齐声朗读。

【教师】在这个定义中你知道哪些地方是需要特别关注的？

【学生】观察，议论，体会。

环节三：应用

【教师】接下来，看看谁的反应快！

某实验小组在实验室中用高锰酸钾（固体）加热制取氧气，并用排水集气法收集氧气。若反应前称取5 g高锰酸钾，充分加热至不再有气体产生，冷却至室温时再次称量，剩余固体质量为4.4 g。产生的氧气质量是多少？

【学生】0.6 g。

【教师】为什么？

【学生】议论，回答。

【教师】其实我们还可以只称高锰酸钾的质量，通过计算得出产生氧气的质量。那么至于如何计算，等大家学完本章后两节内容就能迎刃而解了。

今天我们在愉快的氛围中，顺利完成了课题的研究，得出质量守恒定律。我们不仅从宏观上了解了质量守恒定律的内容，而且从微观上理解了质量守恒定律的内涵，更可喜的是同学们还能对质量守恒定律进行灵活运用。最后，我们再次欣赏古希腊哲学家德谟克利特的那首小诗，现在听起来，大家一定能理解其中蕴含的深意了吧？！

【播放配乐诗朗诵】

【评析】

这是九年级化学中一节十分重要的、非常经典的理论课，也是大家普遍采用科学探究方式展开教学的一节课，在教学实践中已经积累并形成了不少相当成熟和成功的课例，课的一般流程为：

图3-6　“质量守恒定律”优秀课例的一般教学流程示意图

孙兰兰老师的这节课又有哪些特点呢？

孙老师对学生学习的认知基础有一个准确的分析：他们通过课内外其他途径已经对化学反应前后物质质量守恒有了初步的认识，并能初步解释一些简单的实验现象，但对质量守恒定律的认识还不精准，集中表现在“参加化学反应”和“总质量”两个关键词上；对质量守恒的实质认识不清；对定量研究化学反应缺乏概念与实践。他们喜欢实验，也有了一定的动手实验和探究问题的经验。在此基础上她把整节课设计成一个比较完整的、实证研究的探究过程，在培养学生化学探究能力方面立意高、设计精：从多角度研究化学变化的思想引出课题→选择研究方向→通过实验形成假设→从宏观实验数据到微观理论分析寻找证据验证假设→形成精准的质量守恒定律，化学学科思想与方法的教育作为主线贯穿始终，在达成各项教学目标的同时也很好地促进了学生逻辑思维、抽象思维能力的发展。

为了让学生不受或少受原有认知的干扰，经历真正的科学探究过程，孙老师巧妙地把课题由原来的“质量守恒定律”改为“化学反应中物质的质量关系”，并借助情境设计了一系列问题，引发学生更多的思维冲突。这样的设计十分有利于激励学生主动参与，从化学变化的角度积极进行宏观与微观、定性与定量、现象与本质相结合的思维，体验客观规律与科学假说之间的联系，从而更加全面地认识物质世界，不断丰富与完善化学反应观。

在课的引入阶段，孙老师带领学生从印象深刻的典型实验入手，梳理描述化学反应常用的宏观现象、微观粒子变化和量的变化三个角度，不仅自然地引出本节课的课题，而且巧妙地点出了本节课学习的意义：由定性到定量，从一个全新的视角研究化学反应。课的首尾都用了古希腊哲学家德谟克利特的一首诗，告诉学生质量守恒定律是自然界中遵循的一条普遍规律，天地有大美而不言，科学的规律就在我们身边，等着你用智慧的双眼去发现。课的立意新颖，有高度。

孙老师基于学生在探究获取准确定律过程中可能遇到的问题，在关键之处进行细致的设计。例如，在探究硫酸铜与氢氧化钠溶液反应前后的质量关系时，学生关注的焦点往往是反应前后总质量不变，但是许多学生对反应中什么物质的质量发生了改变，什么物质的质量没有变，“质量守恒”其实是在“变”中的“不变”是不清楚的。孙老师引导学生作了仔细的具体分析，结合投影显示，帮助学生很好地实现了概念转变。为了给假设尽可能完满的支持，孙老师又引导学生从反应前后质量显性相等的实验到质量隐性相等的实验，从自己的实验到他人的实验再到改进后的实验，从现在的实验到历史上著名科学家的实验，从宏观实验到微观分析，层层推进，寻找足够的证据。当学生对微观分析发生一定困难时，教师又用动画模拟电解水的微观过程，并启发学生观察反应前后原子的表现。及时帮助学生解决思维发展过程中的一个个问题，体验化学研究的特点和思维方式。

课堂上有趣的古今中外化学实验、令人信服的证据、严谨的逻辑思维、成功的科学探究过程、优美的配乐诗朗诵，充分体现了科学之美，化学之真，很好地培养了学生喜欢化学的情感和对物质世界的好奇心。

【案例2】

“认识元素周期津”教学设计（节选）

教材：《化学　高中二年级第一学期》第九章第一节，上海科学技术出版社

设计者：上海市晋元高级中学　陈晶君

一、教学目标

（一）知识与技能

1.理解元素原子核外电子排布、原子半径、主要化合价及金属性、非金属性随原子序数递增的周期性变化，理解元素周期律。

2.认识元素性质的周期性变化与元素原子结构的关系，理解元素周期律的实质。

3.学会用图表分析处理数据的方法。

（二）过程与方法

1.通过利用不同图表处理数据，研究原子半径、主要化合价随原子序数递增的变化规律，提高分析、处理数据以及分析归纳能力。

2.经历合作探究获取元素周期律的过程，培养尊重他人的品质和团队合作能力。

（三）情感态度与价值观

1.通过学习元素周期律，树立“客观事物都是相互联系和具有内部规律”“事物的变化规律都是由内部因素所引起的”等辩证唯物主义思想，进一步体会“结构决定性质”“量变引起质变”等学科思想。

2.通过学习科学家如何发现元素周期律的化学史知识，认识人类对客观存在的事物的认识是随着社会和科学的发展不断发展的，任何科学的发现都需要长期不懈的努力才会成功。

二、教学过程

环节一：探究元素周期律的科学内涵

【视频】元素之歌

【教师】同学们，大家有没有发现，在我们所生活的世界中，化学元素无处不在。然而，人类对化学元素的发现却经历了一个漫长的过程。19世纪初出现了化学发展史上令人瞩目的十年。在这十年中发现的化学元素竟有10多种，比18世纪中人们所认识的元素总数的1/3还要多。于是，化学家开始思考一个新问题，不同元素之间是否有内在联系呢？

【PPT】哲学家恩格斯曾经在他的《自然辩证法》中写道：“自然界、社会及整个现实世界都是一个统一的、有内在联系的整体，其中各个现象都是互相联系，互相制约着……”那么在元素世界中是否也是如此呢？今天就让我们一起来像科学家一样探索神秘的元素世界。

【教师】首先请大家上校园网，打开学习平台中“元素的相关数据信息”资料（如表3-8所示），这里列出的是一些元素的主要性质及核外电子排布的相关数据，你能否从这些数据中找到元素之间的一些变化规律呢？

【PPT】（同时展示）

表3-8　元素的相关数据信息表

【学生】相互议论，比较茫然。

【教师】同学们是不是觉得找不到什么规律？为什么呢？元素的排列无序？数据杂乱无章？如果我们要从数据角度寻找元素之间的变化规律，首先必须按一定顺序对元素进行排列。如果要你对元素进行排序，你会按什么顺序来排序呢？

【学生】自由回答：质子数、核电荷数、相对原子质量、原子半径、发现年代……

【教师】其实上述表格中的元素是按照元素英文名称首字母进行排序的，但这种排序方法并不能帮助我们找到元素之间的变化规律，那么到底按哪种方法排序最能便于我们从数据上发现元素之间的变化规律呢？

【学生】质子数或核电荷数。

【教师】有道理。因为“元素是具有相同核电荷数的一类原子的总称”，核电荷数是不同元素之间最根本的区别。其实，哲学家也给了我们同样的启示：“事物的变化和发展主要是由它的内部因素所引起的。”也就是说，我们寻找的因素越能反映事物的本质，发现的规律才会越精准。今天我们就按核电荷数大小的排序来研究不同元素之间究竟有哪些变化规律。

【PPT】科学家按核电荷数由小到大顺序给元素编号，这个序号就是该元素的原子序数。

【教师】我们首先来研究大家比较熟悉的1～18号元素的性质以及核外电子排布有怎样的变化规律吧。

【PPT】展示按核电荷数由小到大排序后的表格。

【教师】大家不要着急，在这里老师先向大家介绍一种分析、处理数据的方法——图表法。我们在研究问题时，如果数据比较多，可以把数据转化成这样的折线图、直方图（如图3-7所示），便于我们更直观地看出数据间的变化规律。下面请同学们分组完成寻找规律的任务。

【PPT】请各小组找一找：

根据学习资料文件中提供的数据，利用计算机作图并分析：元素原子的半径、最外层电子数、电子层数、最高正化合价及负化合价随原子序数递增有怎样的变化规律呢？

【学生】小组合作，利用图表法，借助Excel软件探究元素性质的递变规律，将所作图表上传至指定的交流平台，将讨论结果与存在的疑惑记录在学习报告上。

【学生】小组代表交流，PPT展示自己所作的图表。

【教师】归纳，板书：

图3-7　数据转化为图形的示意图

表3-9　原子结构相关数据

我们发现1号、2号元素的变化规律和后两段差别比较大，当我们分析大量数据，寻找规律时，往往需要“求大同存小异”，让我们把1号、2号元素暂且放一放吧。

在之前的学习中我们了解到，氧和氟两种元素比较特殊，一般不显正化合价。于是我们得到（板书）：

表3-10　元素相关信息

【教师】我们看到除了电子层数单调递增，在其他各项中，3～10号元素的变化和11～18号元素的变化规律基本一致。那么如果把研究对象扩大到3～54号元素呢，大家想不想看看它们的变化情况呢？请看大屏幕。

【教师】计算机演示，当场作出3～54号元素原子半径随原子序数递增变化的曲线图（如图3-8所示）：

图3-8　3～54号元素原子半径随原子序数的变化图

【教师】从这张图中我们可以清楚地看到，类似的图形在重复出现。经过科学家的研究发现，其他几项在更广泛的元素范围内也有类似的变化规律。大家如果感兴趣的话，课后再进行研究。

像这样在整个变化过程中，有某种特征重复出现，这样的变化称为周期性变化。正如一年四季，春夏秋冬，年复一年；每天太阳从东边升起，西边降落，日复一日；这就是一种周期性的变化，正所谓“莫道今年春将尽，明年春色倍还人”。

让我们再仔细看一下，你除了发现周期性变化还能发现什么呢？由大到小，由大到小是不是简单的重复呢？如果我们把前三段的元素放在同一个起点上比较它们原子半径的变化，又有什么发现呢？

【PPT】动态展示（如图3-9所示）：

图3-9　3～54号元素原子半径随原子序数变化比较图

【学生】后面一段元素的原子半径整体来说比前面的大；后面周期也变长了。

【教师】老师把大家的发现用一张图形象地表示出来。

【PPT】动态螺旋式展示图如图3-10所示。

【教师】这是一种怎样的周期性变化啊？螺旋式上升的周期性变化。

图3-10　元素原子半径螺旋式上升的周期性变化

除了刚才所说的原子半径等方面呈现周期性变化，元素还有其他性质有周期性变化吗？

【PPT】请回忆，钠、镁、铝三种金属单质的活泼性是有区别的，你能举出相关的实验事实来说明吗？非金属呢？硫和氯单质的活泼性强弱是怎样的呢？你能否用做过的实验来说明呢？

【学生】小组讨论，代表交流。

【教师】金属单质的活泼性体现它们的金属性。可以看出金属性是逐渐减弱的。而这两种非金属单质的活泼性和这两种元素的非金属性也是一致的。可见整个变化周期中，元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强。

板书：

表3-11　原子序数与元素性质关系

【教师】是否有相应的数据支持这种变化规律呢？老师在此向大家简单介绍元素的另一种性质——电负性。请大家仔细阅读，谈谈有何发现？

【PPT】资料库：元素的电负性可用来度量元素的原子吸引电子的能力强弱（如图3-11所示）。电负性较大的元素，其原子吸引电子的能力较强，元素的非金属性较强；反之，原子吸引电子的能力较弱，元素的金属性较强。

图3-11　3～9号和11～17号元素的电负性

【学生】在3～9号和11～17号两段中，随着原子序数的递增，元素的电负性逐渐增大，表明元素的金属性逐渐减弱和非金属性逐渐增强的变化规律。

【教师】我们看到：随着原子序数的递增，有关元素的那么多信息有着周期性变化，你能不能用简洁的语言来归纳一下这个规律呢？

【学生】讨论。

【教师】请把教材翻到第29页，看看科学家是怎样归纳的。

【学生】元素周期律：随着原子序数的递增，元素的性质呈现周期性变化。

【教师】现在大家知道“元素的性质”包含哪些内容了吗？

【学生】元素的性质主要指元素的原子半径、主要化合价、金属性与非金属性。

【教师】对，高中化学研究的元素性质主要就是这些。我们了解了元素周期律，请大家想一想：为什么元素的性质会有周期性变化的规律呢？

【学生】自由发言：因为原子最外层电子数随原子序数的递增而呈周期性变化。

【PPT】

图3-12　3～9号和11～17号元素的原子结构与性质的关系

【教师】我们看到，最外层电子数的变化周期与原子半径的变化周期是一致的。后一周期的元素原子半径明显比前一周期的大，这又是什么原因呢？

【学生】电子层数多了。

【教师】对，这就是元素的性质有螺旋式上升周期性变化的根本原因。元素周期律的实质是元素原子核外电子排布呈周期性变化。

环节二：感受元素周期律的指导意义

【教师】我们像科学家那样找到了元素周期律，理解了元素周期律产生的原因。元素周期律在化学发展史上有着重要的地位，它使人们对无机化学的认识实现了由经验到理论的飞跃，化学从此进入一个崭新的阶段。下面就让我们像科学家那样运用这个强大的武器吧。首先，老师给大家讲一个发生在19世纪的故事。

1875年，法国化学家布瓦博德朗发现了一种新的元素——镓，于是他把所测得的有关镓的数据公布于世。不久，他收到一封神秘来信，信中明确指出：他所测定的镓的密度为4.9 g/cm3是一个错误的数值。布瓦博德朗对来信所述感到十分纳闷：全世界只有我有一块镓，其他人怎么会知道镓的密度呢？根据元素周期律和下列表格中的数据，你能判断布瓦博德朗德的数据正确吗？

【PPT】

表3-12　单质的密度

【学生】不正确，应该为5.32～7.14。

【教师】本着对科学的严谨态度布瓦博德朗又重新对镓进行了提纯，并再次测定其密度。结果他惊奇地发现，所得到的数据是5.94 g/cm3！那么到底是谁有那么大的本事可以预测未知元素的性质呢？这个人就是俄国著名化学家门捷列夫。门捷列夫发现了元素周期律，这是他根据所发现的元素周期律绘制的表格中的一部分。

【PPT】

表3-13　单质的密度

【教师】根据元素周期律，门捷列夫曾经一口气预言了11种元素，他的预言在后来的一百多年内逐一得到证实，全世界为之惊叹。请看，他预言在Cu和Zn的后面应该有两种元素还未被发现，他称其为类铝和类硅，并预测它们的性质，布瓦博德朗发现的镓其实就是类铝。

现在老师也想给你们一次机会，让大家也来当一回像门捷列夫一样的科学家。这里有一种我们都不太熟悉的金属元素铍。

【PPT】请推测：

铍（4Be）单质的化学性质与1～18号元素中哪种金属单质的化学性质最相似？简述你的理由。

【学生】分组讨论，交流：与镁的化学性质最相似，因为它们最外层都是2个电子。

【教师】最外层电子数是决定元素化学性质的主要因素。让我们回忆一下：碱金属中锂与钠的最外层电子数相同，但它们的性质是否完全相同呢？仅仅看最外层电子数行吗？也就是说，还与哪些因素有关？

【学生】电子层数。

【教师】元素周期律呈现的是一种螺旋式上升的周期性变化，所以随着电子层数的递增，最外层电子数相同的两种元素，性质上也可能存在一定的递变性。我们是否可以通过比较元素的一些定量性质来寻找性质相似的元素呢？

【学生】电负性、原子半径。

【教师】很好。我们发现元素电负性的变化周期与原子半径的变化周期是完全一致的，变化趋势则刚好相反，都受原子结构的影响。

【PPT】

图3-13　3～9号和11～17号元素的原子半径与电负性

【教师】让我们再回到碱金属，Na与Li原子因核外电子层数不同，原子半径大小有差别。如果把图3-14处理一下：把上面一条曲线向左平移一个单位，成为图3-15，不难发现Li原子半径与Mg更为接近，即Li的性质与Mg非常相似。现在我们再来看一下，铍的性质更接近于哪种金属元素？

图3-14　第二、三周期元素的原子半径

图3-15　第二、三周期元素原子半径位移后比较

【学生】异口同声地说：铝。

【教师】大家课后可以查阅资料，看看我们的预测对还是不对。

环节三：体会科学研究道路的艰辛

【教师】今天我们花了30多分钟的时间研究、归纳，得出了元素周期律，历史上科学家发现元素周期律却花了将近50年！可见他们当年走过的路是何等的艰辛。课后请大家阅读教材和相关资料，找一找当年科学家发现元素周期律经过了哪些重要阶段，下节课我们进行交流。

门捷列夫也是在不断总结前人经验的基础上才向全世界宣布发现元素周期律的。图3-12是门捷列夫1869年发现元素周期律后编制的第一张表（如表3-14所示）。请大家仔细看一下，他发现的元素周期律和我们今天的发现是否完全相同？

表3-14　门捷列夫的第一张元素周期表（1869年）

注：？表示该项数据未知或未确定。

【学生】有不同，他是根据元素相对原子质量由小到大排序的。

【教师】哪一种更合理呢？

【学生】我们按照原子序数排列的方式更合理。

【教师】门捷列夫不久就意识到这种排序有问题：当他严格按照元素性质的相似性列表时，发现有些地方的相对原子质量却出现了反常。但当时人类对原子结构还缺乏了解，门捷列夫的这个困惑一直未能解决。

现在的元素周期律也是随着科学技术的发展，不断修正才得到的。可见人类对物质世界的认识是随着科技的进步不断深化的。就个体而言，认识是有限的、相对的，但通过一代又一代人的努力，人类的认识是无限的，能逐步接近绝对真理。让我们一起用实际行动继续努力吧。

【评析】

元素周期律是中学化学的核心理论之一，各种版本的教材都是在学生积累一定量元素化学知识后才安排该内容学习的，旨在使学生对学过的元素化学相关知识进行归纳、综合，使以前独立的知识点之间建立原本就存在的内在联系，实现对微观粒子及其变化规律由感性认识上升至理性认识，并用元素周期律指导后续物质知识的探究与学习。

元素周期律的发现是人类科学史上最重要的事件之一，在发现过程中承载丰富的信息、科学方法、科学精神与科学态度，是让学生学习、体验科学探索的良好载体。陈晶君老师设计的这节课把力气花在遵循学生的认知脉络，引领学生经历对元素周期律的合作探究过程，自主获取对微观世界中这一重要规律的认识之上，是十分智慧的。在此过程中，学生欠缺的对大量数据的分析、严谨的逻辑推演、准确的归纳抽象等能力也得到很好培养，并再次接受结构决定性质、量变引起质变等学科思想的熏陶，增加对自然的敬仰。同时，结合科学家探索、发现元素周期律的真实过程以及典型故事的介绍，自然地给学生进行别具一格的科学教育。

陈老师这节课的最大亮点是合理用好信息技术，如教师用计算机演示画出原子半径随原子序数递增的变化图、按需移动曲线、原子半径螺旋式上升的变化图示、对“例外”的“对角相似”本质的揭示；学生在学习平台上获取信息数据、作图研究规律、上传交流讨论等，把抽象的知识形象化，把隐性的规律显性化，有力地支撑了学生的想象力和抽象逻辑思维，增加了师生、生生之间交流互动的频率，对学生深刻理解元素周期律起到了非同一般的作用。

元素周期律的和谐、奇妙和雅致是科学美的一种典型体现，我们能从陈老师设计的这节严谨的理论课中看到渗透其间的化学之美、科学之美，在提高学生赏美能力的同时，平添对科学、对化学的热爱。