化学键概念的形成及相关问题解决的实验研究

1、化学键概念的形成及相关问题解决的实验研究王灿（上海市松江一中 201600）摘要 学生对化学概念的学习一直以来都不重视，常常一知半解，不能全面理解概念的内涵和外延，因此在解决具体问题的时候不会灵活运用，容易出错，导致学生感到化学记得东西多，难学，渐渐对化学学习失去兴趣。另一方面，近年来上海高考化学卷考察学生对概念理解程度的试题越来越多，学生失分情况十分严重，很难拿到高分，这使得提高化学概念教学的有效性显得越来越重要。本文是以高中化学核心概念化学键概念的形成及相关问题解决为例进行了实验研究，分析了学生产生错误概念或前概念的原因，并寻找了矫正的方法，对一线教师具有一定的借鉴作用。关键词 核心概念、

2、化学键、教学干预、实验研究1 课题提出的背景：1.1 化学是一门研究物质的组成、结构、性质以及变化规律的学科，是一门基础性、创造性和实用性的学科，它是信息科学、材料科学、能源科学、环境科学、海洋科学、生命科学和空间技术等研究的重要基础，对农业、工业、国防和医药等的发展有重大的贡献，跟现代人的衣食住行用有密切的关系，广泛地影响着现代人类的社会生活。中学化学教学的最大功能应该是提高全体公民的化学素养，树立人与自然和谐相处的可持续发展观念，提高全体公民的化学素养。1.2 我国的中学化学教材无论是新教材还是老教材，上海版还是外地版，编写主线都是以物质的结构知识为主线，把物质的组成、结构、性质、用途以及

3、与此相关的一系列概念组合起来，由个别到一般、由简单到复杂、由分散到集中，贯穿渗透编排，形成一个基本完整的化学学科知识体系。1.3 物质的结构决定物质的性质，物质的性质决定物质的用途。所以物质的结构理论是指导学生学习化学的最主要的理论知识，而化学键是整个中学化学结构理论的枢纽，学好化学键能指导学生对今后化学新知识的学习和探究。化学键是中学化学的核心概念之一。然而，在实际教学中，笔者发现学生对化学概念的学习并不重视，兴趣也不浓，认为只要象一些文科知识那样背会就可以了，常常对化学概念一知半解，不能全面理解概念的内涵和外延，因此在解决具体问题的时候不会灵活运用，容易出错，导致许多本来对化学实验很感兴趣

4、的学生在学习了一些化学基本概念后感到化学记得东西多，难学，渐渐对化学学习失去了兴趣。另一方面，近年来上海高考化学卷考察学生对概念理解程度的试题越来越多，学生失分情况十分严重，很难拿到高分，这就使我对化学概念教学的有效性越来越关注。如何提高化学概念教学的有效性？笔者决定从中学化学的核心概念入手，对化学概念教学的有效性进行实验研究。2 核心概念的界定资料显示：所谓“核心概念”是指居于学科中心，具有超越课堂之外的持久价值和迁移价值的关键性概念，它与其他概念和化学原理密切联系，可通过一定的联结方式统领知识系统。高中化学中的核心概念很多，如：物质的量、反应类型、离子反应、电解质、氧化还原反应、化学键、化

5、学反应速率、化学平衡等。由于物质的结构理论是指导学生学习化学的最主要的理论知识，而化学键是整个中学化学结构理论的枢纽，学好化学键能指导学生对今后的化学新知识的学习和探究。所以本课题选择对化学键概念的形成及相关问题的解决进行实验研究。3 化学键概念干预前测试3.1 测试对象：笔者所担任的三个教学平行班高一学生；3.2 测试时间：化学键概念学习之前，但让学生自己阅读了教材中化学键的概念之后完成；3.3 测试形式：根据化学键概念的内涵和外延，笔者自己编制了一套测试题。测试题中的问题有一定的层次性，并且对被测试者而言是陌生的；3.4 测试对象已具备的相关知识：原子的结构、原子结构示意图、离子结构示意图

6、、原子的电子式、离子的电子式、核外电子排布规律、静电作用力、元素概念、某些物质的构成微粒。3.5 测试目的：了解学生已有的知识储备对新概念理解的影响程度，了解学生可能产生错误概念或前概念的相关原因。附：化学键概念干预前测试题在此之前，你听说过“化学键”这个概念吗？（ ）A、听说过 B、未听说过你认为物质能稳定存在与“化学键”有关吗？（ ）A、有关 B、无关请根据自己的理解，叙述什么是“化学键”。 。你认为“化学键”会有不同类型吗？ （ ）A、有 B、无水是由水分子构成的，水分子和水分子之间的作用力是不是“化学键”？（ ）A、是 B、否理由： 。水分子内氢原子和氧原子之间存在作用力吗？（ ）A、

7、存在 B、不存在这种作用力属于化学键吗？（ ）A、是 B、否理由： 。氯化钠（NaCl）、二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）三种物质中的化学键分别存在在 和 、 和 、 和 之间。理由是 。下列过程中，化学键被破坏的是（ ）A、酒精溶于水 B、氯化钠溶于水 C、碘升华 D、氯化氢气体溶于水3.6 化学键概念干预前测试结果统计：3.7 诊断：建构主义认为，学生并非空着头脑进入教室，在日常生活中，在以往的学习生活中，他们已经形成了广泛而丰富的经验和背景知识。而且，有些问题即便他们还没有接触过，没有现成的经验，但当问题一旦呈现在面前时，他们往往也可以基于相关的经验，依靠他们的认知能力(理智)，形成对

8、问题的某种解释，这并不都是胡乱猜测，而是从他们的经验背景出发而推出的合乎逻辑的假设。这从上述统计结果中就可以看出，80%以上的学生在此之前未听说过“化学键”这个概念，但几乎都认为“化学键”与物质能稳定存在有着密切关系。在老师没有任何干预的情况下，让学生自行阅读教材中“化学键”的概念后完成测试题，发现能正确写出“化学键”概念定义的学生大约在60%左右，但其中大部分学生是直接抄写的书上概念，并不是用自己的语言描述的，这说明学生学习化学概念的习惯是背，而不是去理解化学键概念的内涵。背的效果如何？从测试的第题“分子与分子之间的作用力是不是化学键？”的统计结果可以看出有70%以上的学生回答正确，但理由回

9、答正确的却只有50%左右，这说明有许多学生对概念的理解是一知半解的，这恰恰反映了目前高中学生学习化学概念时的现状。测试的第题则是从不同角度测试学生对化学键概念的理解，回答正确率基本上是55%左右，也就是说被测试的学生中只有5060%的学生能在自己背景知识的基础上基本完成新知识的意义建构，而40%左右的学生则产生了模糊的“错误概念”。学生具备的前提知识（旧知识）对于学生将要学习的新概念有着怎样的影响？对于学生具有的模糊的错误概念、前概念，如何帮助他们矫正？用什么方法可以促使他们形成科学概念？怎样建立不同概念间的关系？如何才能培养学生成为有效问题解决者？等等。这些问题都是涉及学生建构化学知识成功与

10、否非常关键的要素。4 教学干预心理学上，一般把“概念”定义为“符号所代表的具有共同关键特征的一类事物或性质”。心理学研究又表明，概念的学习过程是学生通过积极的思维活动，对各种各样的具体事例进行分析、概括，从而把握同类事物的共同关键特征的过程。因此笔者赞同有些专家把概念的学习过程分为概念的形成、概念的同化、概念网的建立等几个方面。4.1 化学键概念的形成建构主义认为，学习活动不是由教师向学生传递知识，而是学生根据外在信息，通过自己的背景知识，建构自己知识的过程。在这个过程中，学生不是被动的信息吸收者和刺激接受者，他要对外部的信息进行选择和加工。建构主义还认为，学习活动中包含4个因素：学生的背景知

11、识，学生的情感，新知识本身蕴含的潜在意义，新知识的组织与呈现方式。学习活动要发生则必须满足两个条件：学生的背景知识与新知识有一定的相关度；新知识的潜在意义能引起学习情感的变化。学习活动发生后，学生通过与其他学生和教师的不断交流和沟通，在自己原有背景知识的基础上完成新知识的意义建构。“最近发展区”理论也告诉我们，教学的起点应当是学生群体的“最近发展区”，也就是所提出的问题必须是学生不能够独立解决，但在课堂的环境中、教师启发或“合作”的氛围里能够解决，“教学干预”的实质就是“最近发展区”向“现有发展水平”转变、提升的过程。因此，不论教师采用何种教学方式（讲授或讨论），都应当让学生经历一个由集体解决

12、问题到个体独立解决问题的过程。比如在教学中我采用了如下做法： 设置阶梯性问题，收集足够多的与要形成的化学键概念有关的具体例证。如：构成物质的微粒有哪些？原子的结构是怎样的？原子具有什么样的结构是稳定结构？原子趋向稳定的可能途径有哪些？物质为什么会稳定存在？当钠原子和氯原子在逐渐靠近的时候可能会产生哪些作用力？从而帮学生梳理并解决影响化学键科学概念形成的相关问题，使学生的“最近发展区”（背景知识）尽可能处在同一水平。 分析概念，让学生讨论比较找出化学键前概念与课本中科学概念的差别。化学键定义：分子或晶体中直接相邻的原子间强烈的相互作用。学生通过比较、分析前概念和科学概念可以发现：化学键存在在原子

13、之间，是一种很强的作用力，这样就要求原子之间的距离必须要近即必须是直接相邻的原子，分子与分子之间的作用力不属于化学键。从而有效地形成了化学键的科学概念，纠正了错误概念，并且在此过程中学会了学习化学概念的方法，提高了分析问题的能力。 讨论例证，深化概念，进一步理解化学键概念的内涵和外延。前测中的第题：水分子内氢原子和氧原子之间存在作用力吗？这种作用力属于化学键吗？这主要考察学生对化学键概念内涵的理解。第题：氯化钠（NaCl）、二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）三种物质中的化学键分别存在在 和 、 和 、 和 之间。主要是让学生学会排除干扰，从而进一步完成对化学键科学概念的建构。第题：下列过程中，

14、化学键被破坏的是（ ）A、酒精溶于水 B、氯化钠溶于水 C、碘升华 D、氯化氢气体溶于水。目的是深化概念的内涵，旨在让学生初步了解并理解化学键概念的外延。通过对这些具体例题的分析，使学生对化学键概念由抽象到具体，有了一个直接的认识，从而深化了概念的同时，也进一步理解了化学键概念的内涵和外延。 化学键概念干预后测试测试对象：还是笔者所担任的三个教学平行班高一学生；测试时间：化学键概念学习之后完成；测试形式：根据化学键概念的内涵和外延，笔者自己编制了一套测试题。测试题中的问题有与化学键概念形成有关的重要基础问题，有的是前测中的原题，还有只有理解了化学键概念的内涵和外延才能解决的题目；测试目的：诊断

15、干预后，学生的前概念、错误概念的矫正情况，以及科学概念的建构情况，以便在后续的教学中能进一步矫正错误概念、建构科学概念，并在课堂教学实践中运用和发展科学概念，从而达成概念的同化、概念网的建立等最终目标。附：化学键概念干预后测试（1）你知道物质为什么会稳定存在吗？ （2）原子是由哪些微粒构成的？ （3）画出钠原子、氢原子和氯原子的结构示意图：钠原子： 氢原子： 氯原子： （4）原子具有什么样的结构是稳定结构？ （5）画出钠离子和氯离子的结构示意图和电子式。钠离子：结构示意图 电子式 氯离子：结构示意图 电子式 （6）原子趋向稳定的可能途径有哪些？ （7）静电作用力有哪些？ （8）当钠原子和氯原子

16、在逐渐靠近的时候可能会产生哪些作用力？ 当钠离子和氯离子在逐渐靠近的时候可能会产生哪些作用力？ （9）化学键是指_。（10）水是由水分子构成的，水分子和水分子之间的作用力是不是“化学键”？（ ）A、是 B、否 理由： 。（11）水分子内氢原子和氧原子之间存在作用力吗？（ ）A、存在 B、不存在这种作用力属于化学键吗？（ ）A、是 B、否理由： 。（12）“强烈的相互作用”是指 。（13）氯化钠（NaCl）、二氧化碳（CO2）、氨气（NH3）三种物质中的化学键分别存在在： 和 、 和 、 和 之间。理由是： 。（14）下列过程中，化学键被破坏的是（ ）A、酒精溶于水 B、氯化钠溶于水 C、碘升华

17、 D、氯化氢气体溶于水（15）已知在一个标准大气压下，液态水要加热到100才能变为气态，这说明水分子之间存在有 ，我们将水加热过程中吸收的热量恰好是克服了它。进一步的研究表明，如果单纯使用加热的方法，需要将气态水加热至2000以上才能将其分解为氢气和氧气，这说明在水分子内，氢原子与氧原子之间存在有 。显然后一个实验中付出的能量更多，这说明 。这两者是否都属于化学键？ 。 原因： 。 化学键概念干预后测试结果统计 分析：前测的第（3）题与后测的第（9）题相同，都是让学生写出化学键概念的内容，从上述表格的统计对比中可以看出干预后，90%以上的学生掌握了化学键的概念；前测的第（5）（6）（7）（8）

18、题分别与后测对应的第（10）（11）（13）（14）题相同，同样发现干预后，学生对相关内容掌握的情况都有很大程度的好转，由此可见，前面所述干预是有效的。但笔者仍然有疑惑，按照道理说内容是新授的，上课时学生的听课、活动状态都不错，但为什么不是100%的正确率呢？经过笔者仔细分析后发现：后测中第（1）（8）题都属于与化学键概念形成有关的重要基础问题（即学生的旧知识），但其中第（1）（2）（5）（7）（8）题的正确率很低，这说明学生的已有知识水平并不真正相同，尽管在化学键概念建构之前进行了复习回顾梳理，但这些学生并不知道这样做的目的是什么，未能主动以自己原有的经验系统为基础对新的信息进行编码，建构自

19、己的理解，也就是说新知识未能激活学生认知结构中与新概念学习相关的已有概念，新知识的潜在意义也未能引起学生学习情感的变化。我们都知道学习是一个积极主动的建构过程，学习者不是被动地接受外在信息，而是根据先前认知结构主动地和有选择性地知觉外在信息，建构当前事物的意义，这个过程是别人无法替代的。从对后测的统计中也可看到，有许多错误的原因是未填写任何答案造成的，并非真正不懂而填错。由此可见，“学生已有知识结构”和“态度”是影响化学键科学概念乃至其它化学概念建构的重要因素。如何更有效地帮助学生矫正错误概念和前概念？笔者认为帮助学生寻找并激活认知结构中与新概念学习相关的已有概念，并将新概念与已有概念建立起联

20、系，即概念同化是关键。4.2 概念的同化所谓概念的同化就是指学习者利用原有认知结构中适当的概念来学习新概念的一种方法。认知心理学家奥苏贝尔(Ausubel D P)认为，概念和原理学习的实质是新概念与学生认知结构中原有的概念通过相互作用，建立其内在的逻辑联系。新旧概念的相互作用，就是新旧意义的同化，其结果是新概念纳入原有的认知结构中，原有的认知结构得以丰富和扩大。在概念同化学习中，学习者认知结构中原有的概念起着决定作用，这从后测统计结果中已可以看出：与化学键科学概念形成有关的第（5）（8）题，应属于学生的旧知识，但正确率很低，说明学生对这些旧概念的清晰性和稳定性都较差，这必然影响学生在新旧概念

21、之间建立起联系，影响学生对新概念的正确理解。因此，在教学中我选编了一些习题来激活学生已有的相关旧概念，同时设计一些综合性习题将新旧概念之间联系起来，让学生在比较判断中矫正错误概念和前概念，加深对化学键科学概念的理解，从而正确建构化学键的科学概念。如：1、原子达到稳定结构的是（ ）（A）最外层上没有电子 （B）最外层上一定是8个电子（C）最外层上是8个电子或为2个电子 （D）每个电子层上都为8个电子2、原子趋向稳定结构的途径是（ ）（A）只有失去电子 （B）只有形成共用电子对（C）只有得到电子或形成共用电子对 （D）有得、失电子或形成共用电子对3、下列关于离子键的叙述正确的是（ ）（A）原子间的

22、强烈的静电作用 （B）阴、阳离子间的强烈的吸引作用（C）阴、阳离子间的强烈的静电作用 （D）阴、阳离子间的强烈的排斥作用4、氢气和氧气反应生成水的过程为：氢原子和氧原子之间通过 而结合，这种原子间通过 而形成的化学键称为 。5、已知在一个标准大气压下，液态水要加热到100才能变为气态，这说明水分子之间存在有 ，我们将水加热过程中吸收的热量恰好是克服了它。进一步的研究表明，如果单纯使用加热的方法，需要将气态水加热至2000以上才能将其分解为氢气和氧气，这说明在水分子内，氢原子与氧原子之间存在有 。显然后一个实验中付出的能量更多，这说明 。这两者是否都属于化学键？ 。 原因： 。4.3 概念网的建

23、立建构主义理论认为学生不是空着脑袋走进教室的，他们在日常生活中，在以往的学习中，已经形成了比较丰富的经验，而且，有些问题他们即使还没有接触过，没有现成的经验，但当一旦接触到这些问题，他们往往也会从有关的经验出发，形成对这些问题的某种合乎逻辑的解释。也就是说在学习化学键概念的过程中，学生已经自发地将先前的旧概念，如原子的结构、原子结构示意图、离子结构示意图、原子的电子式、离子的电子式、核外电子排布规律、静电作用力、元素等，与新概念化学键联系了起来，初步建立起了一个随机、凌乱的概念网，因为凌乱，所以在建构过程中容易使学生形成错误概念或产生前概念，若教师在进行教学干预时未能及时有效地帮助学生整理这个

24、概念网，那么学生对化学键概念的建构必然是有缺陷的。这就是为什么许多老师在新课开始之前要进行复习回顾的原因。如何建立化学键概念网，我的做法是： 设计问题，激活学生已有的相关旧概念。如：构成物质的微粒有哪些？原子的结构是怎样的？画出钠原子、氢原子、氯原子、钠离子和氯离子的结构示意图和电子式。原子具有什么样的结构是稳定结构？原子趋向稳定的可能途径有哪些？当钠原子和氯原子在逐渐靠近的时候可能会产生哪些作用力？ 这时在学生头脑中必然相继出现这些概念：原子的结构结构示意图电子式稳定结构原子趋向稳定的可能途径作用力而且这些概念在学生的头脑中一定是以某种方式交织在一起形成了一个概念网。 讨论：自然界中物质为什么能稳定存在呢？引导学生将上述概念有机地联系起来，梳理并逐渐形成一个能解释该问题的概念网： 阅读课本中化学键概念的定义，找出关