初中化学教科书中能量观的建构
时间：2022-09-02 05:58:48
摘要 对2012年修订的人教版九年级化学教科书进行文本分析，按“科学探究”、“身边的化学物质”、“物质构成的奥秘”、“物质的化学变化”和“化学与社会发展”5个模块，分别对其中体现能量观的知识体系设置和核心观点进行归纳与分析；同时还选取典型案例提供基于观念建构的教学策略：（1）放热还是吸热的测定方法（2）燃料的拓展认识（3）放热反应与反应类型。
1 能量观的内涵
促进观念建构的教学有利于促进学生对知识的深层次地理解，更有利于学生未来的发展。《义务教育化学课程标准（2011年版）》明确了形成化学基本观念在化学教育中的重要意义，化学能量观作为重要的化学学科观念，在九年级学生初学化学期间就开始逐步建构，是认识物质世界、理解科学的关键观念，有利于学生了解从能量的角度研究物质及其转化的思维方法。《义务教育化学课程标准（2011年版）》明确指出“义务教育阶段的化学教育，要激发学生学习化学的好奇心，引导学生认识物质世界的变化规律，形成化学的基本观念……”山东师范大学毕华林教授认为：化学基本观念，是指学生通过化学学习，在深入理解化学学科特征的基础上所获得的对化学总观性的认识。化学基本观念不是具体的化学知识，也不是化学知识的简单积累，而是学生通过对所学知识的深刻理解，在化学知识基础上概括提炼出来的。当学生在多年以后逐渐地将所学的学科知识遗忘，教育所给予人们的无非是当一切学习过的东西都忘记后所剩下来的东西。那这些剩下来的东西是什么？这个时候观念建构就显得尤为重要。
能量变化是化学反应的基本特征之一，而且能量观是化学学科的核心观念，是化学学科研究要考虑的重要问题，是研究物质的理科课程的共通问题；然而现在对中学化学的教学研究中，多数偏向于微粒观、元素观、变化观等，缺乏对能量观的研究；有的研究将能量观点纳入变化观之中分析。梁永平教授对中学化学能量观提炼出以下要点：（1）物质的分子或原子具有内能；（2）核外电子按照能量高低分层运动；（3）原子之间的强烈作用使原子处于能量较低的稳定状态；（4）物质转化过程伴随有能量转化；（5）物质分子发生有效碰撞是物质转化的必要条件；（6）物质转化过程中能量是守恒的；（7）原子核内贮存有巨大的能量。梁永平教授认为能量观的建构有利于学生形成核外电子运动的能量思维方式，了解从能量的角度研究物质及其转化的思维方法等。此外梁永平教授还探讨了能量观建构的基本策略。该阐述虽然详尽，但由于能量观基于物理学习，又与微观世界联系，抽象程度比较高，所以多在高中阶段关注，初中阶段则鲜有研究和实践。
学生在九年级初次接触化学，启蒙阶段其实是建构化学基本观念的重要时期。我们在对2011年版义务教育化学课程标准、2012年修订的人教版九年级化学教科书进行文本分析、联系的基础上将与能量有关的化学学习内容进行分析、归纳，得出能量观的重要性，有利于丰富、完善初中化学教学的内容。
2 课标与教材中能量观点分模块例析
我们按照九年级化学的“科学探究”、“身边的化学物质”、“物质构成的奥秘”、“物质的化学变化”和“化学与社会发展”5个模块，分别举例对能量观进行阐述。
2.1物质的化学变化
正如上文提及，能量观往往作为变化观的一部分，能量变化是化学变化的重要特征，所以该模块是最直接体现能量观的部分，在课程标准“化学变化的基本特征”二级主题中，明确指出“知道物质发生化学变化时伴随着能量变化，认识通过化学反应实现能量转化的重要性”。人教版修订教材在第一单元课题1阐述化学变化的基本特征时，明确指出“化学变化不但生成其他物质，而且还伴随着能量的变化，这种能量变化常表现为吸热、放热、发光等”，点明了这种能量变化可以作为判断化学变化的重要特征，并且化学反应中能量变化存在多样性。
课程标准在本模块里提供了3则与能量相关的学习情境素材。
[例1]生石灰和水反应放出的热量能煮熟鸡蛋
该素材在人教版修订教材中，被安排在第七单元课题2“燃料的合理利用与开发”，作为学生认识“化学反应中的能量变化”的导人实验，学生通过实验的体验有利于消除迷思概念：只有通过燃烧才能获得能量吗。该课题借此明确点明物质变化过程中伴随的能量变化是化学的重要研究对象，体现利用化学反应释放能量的燃料对于人类社会的重要意义。
人教版原教材曾经应用镁条与盐酸的化学反应作为例证，但与如今的实验相比，与学生的生活经验距离太远。生石灰取材于食品干燥剂方便易得，与水的化学反应既是生活中制备澄清石灰水的实验方法，又作为九年级化学中获得碱的重要途径；既是历史典故虎门销烟背后的化学道理，又是生活中即热饭盒的运作原理，也可以作为误服干燥剂带来的伤害解释之一。
[例2]葡萄糖在体内释放能量
作为对人体最重要的化学反应之一，该案例最早出现在生物教材中。但是此时初中生在物理中还没有学习到能量的概念，所以难以深入体会。在人教版化学教材“氧气”课题中，动植物的呼吸作为典型的缓慢氧化之一，并指出放热是氧化反应的特征之一，但是在缓慢氧化中并不容易被察觉。在“人类的重要营养物质”课题中，明确给出葡萄糖在酶的催化作用下缓慢氧化的化学方程式，并指出放出能量的作用是供机体活动和维持恒定体温的需要。并且用1g葡萄糖释放的能量数值、糖类提供能量占据人体所需的百分比等数据强化该反应释放能量的意义所在。
由于该模块是化学的学习基础，且与实际问题联系紧密，所以人教版九年级化学教材将以上2则案例分散在“燃料及其应用”、“化学与生活”2个单元中。
[例3]干电池和充电电池
电池与化学主要是高中化学课程内的重要学习内容，但义务教育课程标准一直给出这样的建议，尤其在“活动与探究建议”中列出“观察铜锌原电池实验”。人教版教材没有安排该实验和详细知识介绍，只在“金属资源保护”中介绍了废旧电池的污染。其实该素材能充分体现化学能与电能之间的转化，而且学习物理教材中的水果电池已经对化学能转化为电能有初步了解，所以九年级化学教学已经具备了介绍化学电池的基础，沪教版教材在第九章“化学与社会发展”中，针对“能源的综合利用”，并结合生活、科技中几种不同类型的电池、化学能转化为电能的铜锌原电池实验，引导学生了解化学能转化为电能的化学反应形式；电能转化为化学能在九年级化学教材中的典型案例就是电解水，但教材的重点落在微观解释，也没有对其他电解反应过多阐述。
2.2身边的化学物质
物质转化过程中伴随有化学能与热能、光能等的相互转化，这种认识不是通过告知的方式形成的，而需要在化学变化现象的不断积累中得到强化。在建立化学变化概念的时候，不仅要注意到有新物质生成的关键特征，也要注意到所伴随的热能、光能等现象。所以化学物质的反应事实是九年级化学教学内容中学习、体验能量变化的重要载体。具体事实的学习是化学能量观形成和发展的基础，没有一定的事实积累，很难形成一定的化学能量观。
[例1]氧化反应
氧化反应是九年级化学最重要的一类放热反应，课标要求“知道氧气能跟许多物质发生化学反应”，在教材中体现为非金属单质、金属单质、一氧化碳以及以甲烷、乙醇为代表的诸多有机物与氧气的反应。氧化反应的能量释放通过实验现象多有呈现，例如铁丝燃烧时的熔化与火星四射都是能量释放的效果；又如红磷燃烧测定空气中氧气含量时大量放热，如果不冷却就继续实验，会导致实验误差；碳单质、氢气、酒精、甲烷和一氧化碳等物质在氧气中燃烧放热更加是它们成为燃料的先决条件。化学反应中的能量还可以通过光能形式释放，例如镁条、硫黄等物质燃烧中的发光现象。
[例2]溶解中的能量变化
溶解不是单纯的物理变化，其中伴随的能量变化其实也涉及到微粒的运动与作用力，当然九年级教材只要求从温度表征层面了解即可。课标里在“水与常见的溶液”二级标准中提出的活动与探究建议有“实验比较氯化钠、硝酸铵和氢氧化钠3种物质在水中溶解时的吸热和放热现象”，人教版教材也有具体的实验探究活动与该建议配套，不仅要求观察溶解过程中的现象，还要求记录溶解前后的液体温度具体数值并加以比较，来了解溶解吸放热的情况——这是一种半定量的实验思维去建构能量观的教材呈现方式。另外，人教版教材在“浓硫酸的腐蚀性”部分，强化突出浓硫酸稀释实验，并提示通过触觉感知、现象分析等途径了解这一典型的溶解放热现象，以此点明稀释要点。
2.3物质构成的奥秘
微观世界同样伴随着种种能量变化，虽然九年级尚未涉及化学键与分子间作用力的问题，但是核外电子运动本身就是一种能量的反映，核外电子按照能量高低分层运动，这在人教版“物质构成的奥秘”单元中有明确描述。
而分子和原子本身就具有能量，温度越高，原子和分子的运动就越剧烈，物质具有的热能就越大。人教版教材中利用品红在热水中扩散加快的案例进行了例证。
课程标准要求认识物质的三态及其转化——虽然相关知识在物理中已经涉及，但是九年级化学需要学生了解温度对物质微粒运动和间距的影响，从而深入理解其对物质三态转化的影响。
2.4化学与社会发展
能量是人类生存和发展基本三要素之一，人类研究能量的最终目的是更好地获取和应用。所以“化学与社会发展”模块与其他模块充分联系，有利于在知识在社会和生活的应用中建构能量观。
[例1]燃烧和燃料
燃烧作为氧化反应的重要表现形式，也是最重要的放热反应之一。笔者认为教学中不应只拘泥于“认识燃烧、缓慢氧化和爆炸发生的条件，了解防火灭火、防范爆炸的措施”，还需要了解那些加热释放氧气的化学物质如高锰酸钾、氯酸钾、硝酸钾和双氧水等同样会体现助燃的效果，所以在药品存放、使用安全方面需要注意——这一点在事实水平上能强化学生对燃烧的理解，也能完善学生的实验安全意识。当学生在日后的深入学习中对于原子结构有了一定的理解性认识，就可以在氧化还原水平上认识燃烧现象，从而将发光、发热与原子得失电子等事实联系起来。虽然在九年级化学教学内容中无须从微观层面诠释燃烧和氧化反应，但是在能量观建构中不断发展对燃烧现象的理解，也是强化物质转化伴随有能量变化认识的重要举措。
基于燃烧反应，一些热值高、来源广的可燃物，成为对人类至关重要的燃料。在九年级化学学习过程中，学生如何“认识燃料完全燃烧的重要性”？人教版教材以碳的不完全燃烧为例，指出不完全燃烧导致的燃料燃烧利用率降低，既浪费资源又污染空气；还从燃烧三要素角度提出燃料充分燃烧的2种方法。
[例2]为人类提供能量的营养物质
课程标准中要求知道一些对生命活动具有重要意义的有机物，其中最主要是供能物质，除了葡萄糖为代表的糖类，还有蛋白质和油脂。人教版教材对这些营养物质的供能数据和对人体一日的需求满足百分比做出定量描述，见表1。
2.5科学探究
人教版教材里，科学探究模块的要求除了在第一单元有独立的设置，大部分内容通常渗透在各个课题的教学中。
温度是分子平均动能的外在表征，在“走进化学世界”单元里，能量观渗透在蜡烛和酒精灯火焰的温度测定之中。而作为最常见的反应条件之一的加热，则是一种为反应体系提供能量的方法。
3 九年级化学教学中能量观建构的建议
通过文本分析，我们发现能量的观点渗透在九年级化学各个模块，且不能通过孤立的知识呈现出来，往往需要不同模块的联系和支撑。例如，课程标准里“物质的化学变化”模块提供的2则情境素材（生石灰与水的反应、葡萄糖的供能反应），在教材中分别出现在“燃料及其利用”、“化学与生活”2个单元中，体现与“化学与社会发展”模块的综合。笔者结合在江苏书人教育集团面向化学特长生的教学实践，谈一谈在九年级化学教学中建构能量观的建议。
3.1吸热还是放热
判断一个化学反应吸热还是放热，逐步建构能量观的最简单方法就是请学生去感受实验中的温度变化。生石灰与水反应，让学生用手触摸试管，温度的变化给予学生最直接的体验，而且请同学在不同时间段感受温度逐步升高的趋势；锌粒与稀硫酸反应制备氢气，别只局限于实验原理和装置，也让学生摸摸试管——也是烫的；酸碱中和时，不要局限于指示剂的变色这种明显的现象，也让学生触摸试管——热的。几次摸试管就可以引发学生对化学反应的热量从哪里来的疑问和思考，通过温度变化的体验潜移默化地建构化学能量观。
观念建构教学的问题还应有一定开放性和挑战性，使学生能从多个角度、多个方面进行思考，不同能力水平的学生可以得到层次、范围不同的结论。
例如，在九年级的化学教学中有很多放热反应的典型案例，但是人教版教材对吸热反应只提及一句话：炭和二氧化碳的反应是吸热反应。学生没有感性认识，理解起来比较困难，建议在这里补充另一个吸热反应的实验：氢氧化钡固体和氯化铵固体在烧杯中研磨，实验前，在烧杯底部放一片硬塑料片，在硬塑料片上滴2滴水，再将固体混合物研磨，过一会儿硬塑料片就和烧杯粘在一起。
由这个补充实验想到：判断一个变化（无论是物理变化还是化学变化）吸热还是放热，是否只有各种教辅书上提及的温度计的方法？以浓硫酸溶于水放热为例，我们可以引导学生思考放热除了对温度有影响，还会引起气体压强、空间体积、物质溶解度、物质状态等的变化。结合学生的思维我们得出如下几种可能的角度：①温度的变化，除了使用温度计外，用手去触摸感受最直接但是无法定量比较，基于目前化学实验教学的现代化，还可以向学生介绍数字化实验在监测温度变化中的应用——温度传感器可以即时反映温度的改变趋势和变化幅度，是作为研究化学反应能量变化的重要手段；②气压的变化，我们可以采用如图1的实验装置，由于溶解放热会引起气体压强增大，所以通过观察液面a、b的变化进行判断；③可以通过一个体积可变但压强恒定的容器（例如带活塞的气缸），观察活塞的运动，了解体积的变化；④如图2所示，将烧杯置于涂有石蜡的木块上，再将浓硫酸和水混合，通过观察石蜡状态的变化，判断反应是放热还是吸热；⑤如图3所示，将浓硫酸和水混合后的试管放在盛有饱和澄清石灰水的烧杯中，观察固体的析出情况。
通过实验表征观察、分析能量变化，是重要的化学学科方法，也是建构能量观的重要途径。
3.2拓展对燃料的认识
九年级化学的“化石燃料的利用”、“能源的利用与开发”教学常常陷入科普化怪圈，如何让这部分内容化学味道浓厚一些？例如以下这些问题就不拘泥于一般的考试题目，但引导学生对化学学科问题深入思考，能充分调动学生思维和积极性：
（1）燃烧能为我们做什么？
（2）是不是所有可燃物都可以充当燃料？充当燃料必须具备怎样的特征？
（3）联系国内现状，如何综合分析国内大众使用三大化石燃料的利弊？
（4）给出煤气、液化石油气、天然气的价格和热值，从定量的角度分析家庭使用哪种气体燃料最经济？
如果与其他单元联系，则可以有更有意义的问题衍生出来。观念建构的问题本身应该潜在地体现与学习者原有知识经验的联系，同时它又蕴含着新的关系和规律，这种联系不只是针对问题的表面特征，更主要的是针对问题中的深层关系和结构，即在观念层面上有联系。例如与科学探究模块中加热这一操作融合，可以提问：
（1）实验室里有多少种加热的手段为化学反应提供条件？
（2）如何在实验中节省能源？
在复习课的教学中燃料话题可以联系社会与科技发展，既有利于强化能量观，也体现考试的热点。例如秸秆的不完全燃烧造成了烟霾的污染，而充分利用秸秆，是改变条件促使其充分燃烧呢？还是将秸秆转化为其他可燃气体来完成生物质能一化学能一热能的转变呢？
3.3放热反应与反应类型
中考化学复习需要知识的系统化归纳，需要针对大量的化学反应进行分类并分析其中规律。从能量变化角度分类是一种体现能量观建构的新颖角度。在“物质的化学变化”模块复习中，可以提问：四大基本反应类型中各有哪些放热反应的典型实例？再举出2例不属于四大基本反应类型的放热反应。
4 总结与反思
通过文献分析和实践反思，在九年级化学教学中实施能量观建构是观念建构教学的一种新的尝试。无论是课标和教材本身的陈述，还是教学设计中的实践做法，其实都试图引导学生建构对于九年级层次适用的能量观：（1）一切化学反应都伴随着能量变化；（2）伴随化学反应的能量变化有不同的形式，能量可以从一种形式转化为另一种形式；（3）能量与人们生活生产息息相关。其中微观层面理解能量观，不是九年级化学所要求的水平。化学能量观是一个不断深化、有机联系的结构化内容，因此学生的化学能量观建构应该注重认识和理解的阶段完整性，低年级的学生只需要在观察化学现象、学习简单的化学事实基础上形成一些低层次观念，也包括一些暂且不完善的印象，例如很容易进行的反应多数放热、分解反应多数吸热、热效应是化学能的主要表现形式等等；但到了高年级，对化学事实的认识更加深刻，对定量比较能量变化的多少具备了初步认识，也将从微观角度对化学和能量关系本质逐渐建构，进而形成更高级的能量观念。
