科學(xué)建模探究 培養(yǎng)核心素養(yǎng)

摘 要：以實(shí)驗(yàn)探究為例、重點(diǎn)評(píng)析實(shí)驗(yàn)建模、學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng)?；瘜W(xué)科學(xué)教學(xué)的真諦是什么？如何培育學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，這是我們化學(xué)教育工作者長期思考并實(shí)踐的時(shí)代命題。

關(guān)鍵詞：建模、探究；核心素養(yǎng)

化學(xué)核心素養(yǎng)有哪些？主要分為：“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)方面。

如何培養(yǎng)核心素養(yǎng)？要尋找適宜的切入點(diǎn)，引領(lǐng)學(xué)生對問題思考，點(diǎn)撥，啟迪，通過科學(xué)實(shí)踐，形成科學(xué)的價(jià)值觀與方法論。

[例題]吉林省2017年高三理綜四模26題（15分）

某學(xué)習(xí)小組為探究Mg與某些物質(zhì)反應(yīng)的機(jī)理，做了如下實(shí)驗(yàn)。

Ⅰ. 實(shí)驗(yàn)一：

緩慢產(chǎn)生氣體

（1） 實(shí)驗(yàn)B目的是 。

（2） 寫出Mg與H2O反應(yīng)的化學(xué)方程式： 。

實(shí)驗(yàn)二：

分別取少量實(shí)驗(yàn)A和B的上層清液于兩支試管中，各加入2滴BaCl2溶液，A中立即產(chǎn)生白色沉淀，B中無明顯現(xiàn)象。

（3） 實(shí)驗(yàn)二說明Mg與NaHCO3溶液反應(yīng)生成了 （填寫粒子符號(hào)）。用平衡移動(dòng)原理解釋產(chǎn)生離子的原因： 。

實(shí)驗(yàn)三：

對A中白色沉淀的成分，同學(xué)們提出了假設(shè)，并設(shè)計(jì)了假設(shè)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。將A中白色沉淀過濾、洗滌后，取0.4 mol加入1 mol/L鹽酸800 mL恰好完全反應(yīng)，產(chǎn)生標(biāo)況下的CO2氣體6.72 L。

（4） 白色沉淀的主要成分為 。

Ⅱ. 某課外活動(dòng)小組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃鎂條能在CO2氣體中繼續(xù)燃燒，產(chǎn)生黑、白兩種固體，類比Mg與CO2反應(yīng)的思路對Mg與NO2的反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測并探究Mg與NO2的反應(yīng)及產(chǎn)物。

請回答下列問題：

（5） 利用下列裝置完成實(shí)驗(yàn)，連接的順序?yàn)?/p>

（c）—（ ）—（ ）—（e）—（f）—（ ）—（ ）—（ ）—（ ）—（ ）

（6） 已知裝置D中初始加入的鎂粉的質(zhì)量為13.2 g，在足量的NO2中充分燃燒，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，硬質(zhì)玻璃管冷卻至室溫，稱量，測得剩余固體的質(zhì)量為21.0 g，產(chǎn)生的氣體體積為1120 mL（標(biāo)準(zhǔn)情況），寫出玻璃管中發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式： 。

（7） 在設(shè)計(jì)上若沒有干燥管是否可行？ ，請解釋原因： 。

一、 試題分析

Ⅰ. 實(shí)驗(yàn)一：

實(shí)驗(yàn)A和B，呈現(xiàn)兩種不同的現(xiàn)象，但又是在控制變量15 mL液體的大前提下得出的，這一宏觀現(xiàn)象一定是微觀粒子相互作用的外在表現(xiàn)。只有“宏觀辨識(shí)與微觀探析”，才能讓思維條理化，思路更順暢。

通過做空白實(shí)驗(yàn)對照，才能排除溶液中水的干擾，從而讓實(shí)質(zhì)呈現(xiàn)更直觀，更精準(zhǔn)，因此只有科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)才能得出現(xiàn)象與規(guī)律的必然聯(lián)系，從而得出科學(xué)結(jié)論。即：Mg+2H2OMg（OH）2+H

為什么實(shí)驗(yàn)A在20 min后才看到產(chǎn)生大量白色沉淀，這沉淀可能是什么？

20 min后才有白色沉淀，根據(jù)學(xué)過的知識(shí)推測白色沉淀可能為Mg CO3、Mg（OH）2，或者M(jìn)g CO3、Mg（OH）2二者混合物。

科學(xué)猜想是探究的原動(dòng)力，科學(xué)探究又為猜想提供了事實(shí)依據(jù)，為揭示內(nèi)在規(guī)律打開了一扇窗。

分別再取A、B的上層清液少許于試管中，各加2滴BaCl2，A中出現(xiàn)大量白色沉淀，B中無明顯的現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)二：

說明Mg與NaHCO3溶液反應(yīng)生成了CO2-3，原因是：HCO-3H++CO2-3，加入Mg，Mg+2H+Mg2++H2↑，促進(jìn)了HCO-3的電離，生成了大量的CO2-3，與Mg2+結(jié)合，所以在20 min后才有大量白色沉淀。說明只有離子積累到一定濃度現(xiàn)象才明顯。只有量的積累才有質(zhì)的飛躍。HCO-3在沒有外界因素干擾的前提下，水解大于電離，溶液顯堿性，但此題卻以CO2-3為主，說明外界條件的改變是影響變化走勢的。只有明確影響規(guī)律的條件，才能控制反應(yīng)朝著人們需要的方向發(fā)展，必須是科學(xué)探究，控制變量，只有“實(shí)驗(yàn)探究與創(chuàng)新意識(shí)”才能揭示規(guī)律并運(yùn)用規(guī)律。

定性實(shí)驗(yàn)更需定量。

實(shí)驗(yàn)三：

通過定量實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)三的數(shù)據(jù)分析，知不但沉淀有MgCO3、Mg（OH）2，而且為3∶1，即我們看到的比一定是規(guī)律的全部，我們不知道的可能確實(shí)存在，“變化觀念與平衡思想”永遠(yuǎn)是我們探究的主旋律，實(shí)驗(yàn)探究永遠(yuǎn)在路上。涉及的化學(xué)方程式：3 MgCO3+ Mg（OH）2+8HCl4MgCl2+3CO2↑+5 H2O。

Ⅱ.我們探究必須在夯實(shí)基礎(chǔ)的前提下，從以往學(xué)過的知識(shí)及實(shí)驗(yàn)方法中尋找靈感及啟迪，繼承并發(fā)展。正所謂“他山之石，可以攻玉”。

學(xué)生已有的基礎(chǔ)知識(shí)：

1. 在點(diǎn)燃的條件下：2Mg+CO2點(diǎn)燃2MgO+C；3Mg+N2點(diǎn)燃Mg3N2；2Mg+ O2點(diǎn)燃2MgO。

2. 實(shí)驗(yàn)方法：初中最經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)“H2還原CuO”。

（1） 用H2排凈整套裝置的空氣；（2）H2還原CuO；（3）在H2流中冷卻及注意事項(xiàng)。

化學(xué)另一種重要的核心素養(yǎng)便是“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，科學(xué)分類，在同類中獲得靈感及方法論。類比Mg與CO2反應(yīng)的思路對Mg與NO2的反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測并探究Mg與NO2的反應(yīng)及產(chǎn)物。體現(xiàn)“模型認(rèn)知”，尋找理論支撐及科學(xué)方法論。

預(yù)測Mg與NO2反應(yīng)可能比CO2更容易；Mg與NO2反應(yīng)可能生成MgO、Mg3N2但生成MgO更容易，可能生成N2，同時(shí)要用NO2排凈整套裝置的空氣，否則，氮、氧元素來源不唯一，難得出可靠結(jié)論。也不能定量反映反應(yīng)的本質(zhì)，揭示反應(yīng)的規(guī)律。

要科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置的連接順序，明晰各部分的作用，同時(shí)秉承“科學(xué)精神與社會(huì)責(zé)任”的理念，從源頭上控制污染源，要科學(xué)設(shè)計(jì)尾氣處理裝置。

要用NO2排凈整套裝置中的空氣，即A中用P2O5或用CaCl2做干燥劑，NO2有毒，A中只吸收水，用N處干燥管吸收排空氣帶出的NO2，防止污染外部的空氣。用堿石灰吸收，并對后續(xù)實(shí)驗(yàn)不產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)M、N兩處止水夾。首先關(guān)閉M處止水夾，打開N處止水夾，讓空氣順排。當(dāng)紅棕色NO2充滿尾部干燥管時(shí)，停止排空氣。關(guān)閉N處止水夾，打開M處止水夾。點(diǎn)燃D處的酒精燈，反應(yīng)，最后停止加熱，用排水法收集生成的氣體，為避免倒吸液體，設(shè)計(jì)防倒吸裝置。

所以連接順序：（c）—（b）—（a）—（e）—（f）—（i）—（j）—（h）—（g）—（d） 這個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)理念、過程及方法論正是從“H2還原CuO”獲得啟發(fā)，即“模型認(rèn)知”，通過實(shí)驗(yàn)（6）得出數(shù)據(jù)，固體增重，一定有氧，可能有氮，根據(jù)“變化觀念與平衡思想”，

氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量為1120 mL/22400 mL/mol=0.05 mol

完成從定性到定量的完美升華?？茖W(xué)合理地探究，尋找反應(yīng)的本質(zhì)，對知識(shí)及核心素養(yǎng)也是一種升華，凝練成智慧。

對探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對實(shí)驗(yàn)后的反思，會(huì)發(fā)現(xiàn)若沒用干燥管是不行的。原因是：若無此干燥管吸收NO2，會(huì)造成大氣污染，不符合綠色化學(xué)理念。

總之，此實(shí)驗(yàn)試題很好的考查了學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。從不同角度、多層面考查了學(xué)生的能力。

二、 試題啟發(fā)

夯基固本，正本清源，探尋知識(shí)的來龍去脈，更應(yīng)向先哲學(xué)習(xí)探究過程，即“模型認(rèn)知”從中尋找探究靈感，最后形成學(xué)科核心素養(yǎng)，形成智慧，達(dá)到學(xué)以致用，體現(xiàn)化學(xué)學(xué)科的科學(xué)魅力。

作者簡介：

王洪波，吉林省白山市，吉林省白山市第二中學(xué)。