高中化學“情境·模型”教學模式的實例研究

黃秀娟　陳迪姝

摘要：證據(jù)推理與模型認知是高中化學核心素養(yǎng)的思維核心。作者將“情境問題串”和“構(gòu)建思維模型”作為教學的兩個輪子，構(gòu)建“情境一模型”雙輪驅(qū)動的課堂模式。即借助情境問題串的創(chuàng)設(shè)，在形成合理的化學核心知識基礎(chǔ)上，讓學生經(jīng)過概括、類比，發(fā)現(xiàn)并構(gòu)建化學思維模型，使隱性知識顯性化；然后應用思維模型解決具體情境問題，找出解題的一般方法和思路，并完善與創(chuàng)新思維模型，形成學生自己個性化的思維模型，使顯性知識隱性化，達到發(fā)展學生化學素養(yǎng)的目的。

關(guān)鍵詞：情境問題串；思維模型；雙輪驅(qū)動；化學核心素養(yǎng)

文章編號：1008—0546（2017）11—0006—05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.11.002

十余年的改革實踐，人們已經(jīng)意識到課程改革成敗在于課堂，但課堂教學中還是普遍存在這樣的困惑：關(guān)注重點、考點、熱點知識落實的課堂雖知識容量很大，但吸引不了學生；通過記憶背誦、強化訓練獲得的知識雖記得很熟，卻解決不了實際問題；強調(diào)發(fā)展學生核心素養(yǎng)的課程改革雖然普遍展開，可課堂轉(zhuǎn)型卻成為一句空話。

究其原因是由于應試教育的影響，缺乏情境體驗的“靜態(tài)”教學忽略知識的形成過程；死記硬背獲得的惰性知識，在解決相關(guān)問題上缺失相關(guān)的思維模型認知與能力。學生習慣于模仿、依賴，泯滅了創(chuàng)意和創(chuàng)造性。本文通過從鋁土礦中提取鋁的課堂實例，來闡述“情境一模型”雙輪驅(qū)動的教學模式在高中化學課堂教學中的應用。

一、“情境-模型”雙輪驅(qū)動教學模式的內(nèi)涵

“情境-模型”雙輪驅(qū)動的教學模式就是借助情境設(shè)計來建構(gòu)化學模型認知，解決實際問題的一種教學實踐。即巧妙地創(chuàng)設(shè)情境問題串，讓學生經(jīng)過概括、類比、發(fā)現(xiàn)、構(gòu)建化學思維模型，然后應用所構(gòu)建的化學思維模型解決具體情境問題，揭示化學問題解題的一般方法和思路，并完善與創(chuàng)新思維模型，達到發(fā)展學生化學素養(yǎng)的目的。其內(nèi)涵如圖1。

1.“情境”主要指知識在其中得以存在和應用的整個情景、背景或環(huán)境。教師要依據(jù)課堂知識脈絡(luò)，設(shè)計遞進性的有利于學生思維發(fā)展的任務(wù)型情境問題串，促進學生對化學問題本質(zhì)的思考。情境設(shè)計要注意情境內(nèi)涵豐富，能突顯問題本質(zhì)，能激發(fā)學生的化學思維。

2.“模型”是指學生從具體情境任務(wù)出發(fā)，通過抽象、概括深化理解化學原理，再以情境任務(wù)為載體，通過學生自主發(fā)現(xiàn)化學規(guī)律，建構(gòu)屬于學習者自己的知識、經(jīng)驗、方法的思維模型。然后利用所構(gòu)建的思維模型來解決實際問題，使學生檢查、完善、創(chuàng)新思維模型，加深對原理知識的理解，達到發(fā)展學生思維的目的。

3.“雙輪驅(qū)動”是指通過設(shè)計“情境問題串”和構(gòu)建“思維模型”兩個教學輪子，使之相互協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)力。在了解學生已有知識和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，驅(qū)動學生進入相關(guān)的教學情境，通過自主探索發(fā)現(xiàn)的方式，驅(qū)動學生建立個性的知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)的思維模型，最終實現(xiàn)核心知識與核心素養(yǎng)的雙向自我構(gòu)建。

二、“情境一模型”雙輪驅(qū)動教學模式的課堂實施

1.“從鋁土礦中提取鋁”的教學目標

現(xiàn)實背景下的工業(yè)流程試題，題材廣、信息新、陌生度大，大多數(shù)學生對這類試題感到束手無策、難以應對。但實際上蘇教版《化學1》教材上，有相當一部分內(nèi)容與工業(yè)流程相關(guān)，學生對相關(guān)的知識點也記得很熟。究其原因，是教學中沒有讓學生理解工業(yè)流程的真正含義，沒有在教材基礎(chǔ)上進一步提高學生對工業(yè)流程分析和設(shè)計的能力。

本文在充分研究教學內(nèi)容與化學核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，以蘇教版《化學1》專題3第一單元“從鋁土礦中提取鋁”為例，借助情景問題串創(chuàng)設(shè)，采用選擇提取流程原型、準備提取流程模型、構(gòu)建提取流程模型、應用與創(chuàng)新提取流程模型的教學主線，幫助學生突破工業(yè)提取流程的瓶頸，借助模型認知，從源頭上認識工業(yè)流程的綜合應用。

本課教學目標確定如下：

（1）通過閱讀教材理解從鋁土礦中提取鋁的化學原理，能簡單描述從鋁土礦中提取鋁的工藝流程過程。

（2）通過情境問題串的討論，能構(gòu)建常見金屬化工提取流程的一般模型，使認識思維模型化；通過對流程模型的評價與使用，強化創(chuàng)新思維，提升問題探究的能力。

（3）通過中國制鋁行業(yè)的生存問題的討論活動，感受減能與減排在化工生產(chǎn)中的價值，初步形成綠色應用的意識，學會關(guān)注社會熱點，增強社會責任感b]。

2.“從鋁土礦中提取鋁”的教學流程

創(chuàng)設(shè)情境：

材料一：在國宴上，拿破侖三世使用一套珍藏的鋁制餐具，而大臣們使用的是銀制餐具。門捷列夫創(chuàng)建了元素周期表，受到英國皇家學會的表彰，獎品是一只鋁制獎杯。

材料二：我國已經(jīng)成為世界鋁生產(chǎn)、消費和出口的主要大國，《有色金屬工業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》指出鋁是輕量化的首選材料。鋁有很多優(yōu)良特性：首先，鋁是輕金屬，用于陸?？者\載工具中，可以大幅減輕自重，既節(jié)省能耗，又增加裝載量。其次，鋁材可以反復回收利用，且回收再生的鋁與原鋁性能相同，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)能耗能夠節(jié)省95%。第三，鋁不會生銹，有很好的抗氧化、耐腐蝕性能。

材料三：一些元素在地殼中的含量如圖2。

設(shè)計說明：上述三個材料從不同角度引發(fā)學生的認知沖突，起到先行組織者的作用。材料一說明鋁單質(zhì)很難獲得，煉鋁技術(shù)投入工業(yè)比較晚，學生自然會質(zhì)疑為什么鋁這么難冶煉？材料二讓學生明白鋁有優(yōu)良的性能，在生活生產(chǎn)中用途廣泛。學生會想到如何取得更加廉價的鋁？材料三說明鋁以化合態(tài)存在，在地殼中含量多。促使學生思考如何通過鋁土礦獲取鋁。

環(huán)節(jié)一：概括關(guān)聯(lián)型任務(wù)一選擇流程原型

問題1：你知道提取金屬有哪些方法？為什么19世紀中葉以前金屬鋁貴過黃金？

學生頭腦中制取金屬單質(zhì)的思維原型有兩種情況，一種是初中學過的置換反應，比如鐵與硫酸銅反應制取銅，或是氫氣還原氧化銅；一種是高中剛學的電解冶煉，比如電解氯化鈉與電解氯化鎂。endprint

師生共同分析兩種制取金屬的原理的可能性：由于鋁是一種活潑金屬，制取鋁若采用置換原理，則要選用比鋁活潑的金屬。根據(jù)金屬活動性順序鈉、鉀等金屬比鋁活潑，當時人們就用白金坩堝作為容器，通過鈉、鉀等置換氯化鋁得到鋁單質(zhì)，所以當時純鋁比白金更尊貴。若用電解法，MCl3是共價化合物，而氧化鋁熔點很高，熔化消耗很大能量，故用電解法也不能解決鋁的制取問題。直到1886年霍爾發(fā)現(xiàn)在氧化鋁中添加冰晶石的電解法制鋁工藝，使鋁在生產(chǎn)、生活中的應用得以迅速地普及。教師指導學生選擇原料要符合廉價、來源廣的特點，所以工業(yè)上采用鋁土礦作原料。但是鋁土礦直接高溫熔融通電制得鋁會存在雜質(zhì)，因此要把鋁土礦進行提純。

此時學生概括出提取鋁的流程思維原型如圖3。

設(shè)計說明：原型范疇理論亦稱類典型理論。學生最熟悉的、最能體現(xiàn)相關(guān)概念、原理的經(jīng)驗，可作為新知識學習的知識“原型”。本環(huán)節(jié)起到先行組織者的作用，以真實、有意義的現(xiàn)實情境入手引發(fā)學習懸念，激發(fā)學生學習本課的興趣。同時體現(xiàn)化學的發(fā)展對社會科學、技術(shù)的發(fā)展起到一定的作用。

環(huán)節(jié)二：分析解釋型任務(wù)一準備流程模型

問題2：鋁土礦主要成分是Al₂O₃，含SiO₂、Fe₂O₃等雜質(zhì)，當SiO₂的含量較少時，可以忽略SiO₂與氫氧化鈉溶液的反應。請學生自主解讀書本P₆₉圖3-10鋁土礦制備鋁的工藝流程，思考如下問題：

①從制備原理來看鋁的工藝流程分成幾個環(huán)節(jié)？

②每一步的操作原理與作用是什么？

③寫出從鋁土礦制備鋁的過程中發(fā)生反應的化學方程式，思考哪些反應屬于氧化還原反應？

這個環(huán)節(jié)中，學生進行分組自主學習，教師要到學生中去指導學習，各小組共同討論，問題匯總。教師不僅要解決學生的問題，更重要的是幫助學生弄清楚各個步驟的原理與意義。

比如，學生會問為什么第一步加堿而不加酸？在向過濾后的NaAlO₂溶液中通入過量CO₂進行酸化處理而不加鹽酸？所得濾液主要成分為什么是NaHCO₃？教師指導學生解釋第一步時，要指出氧化鐵等雜質(zhì)能與酸反應，以后還要再除雜質(zhì)，步驟多、損失大。第二步要回顧鹽與酸反應規(guī)律，CO₂與H₂O相當于碳酸，為了得到足量的Al（OH）₃，CO₂需通過量，產(chǎn)物會生成NaHCO₃，如果CO₂通少量時生成Na₂CO₃。此步驟不能用鹽酸，因為鹽酸能與Al（OH）₃反應。接著通過化學方程式的書寫，學生弄清楚各流程步驟的設(shè)計原因，同時鞏固氧化鋁、氫氧化鋁、偏鋁酸鹽與鋁鹽之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，掌握本課的核心知識。

設(shè)計說明：本環(huán)節(jié)把學習的主動權(quán)交給學生，讓學生自己解讀鋁土礦制備氧化鋁的工藝流程。學生在閱讀、交流、討論過程中養(yǎng)成自主學習習慣，培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力。此環(huán)節(jié)以化學核心知識為中心，幫助學生梳理知識、突出核心知識、構(gòu)建本課知識體系，為發(fā)現(xiàn)、構(gòu)建流程模型奠定基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)三：復雜推理型任務(wù)——構(gòu)建流程模型

問題3：有資料表明，若鋁土礦中SiO₂含量超過8%時，鋁土礦中雜質(zhì)Al₂o₃、SiO₂會與NaOH溶液生成鋁硅酸鈉（Na₂Al₂Si₂O₈）。

①請你利用上述資料信息，對P₆₉圖3-10鋁土礦制備鋁的工藝流程做出改良措施。

②現(xiàn)有提取氧化鋁的兩種工藝流程如圖4，請你進行評價。

③請你說說工業(yè)上制取物質(zhì)的一般思路是什么？

學生看到第一個問題時，往往認為第一步可不用堿溶解，用鹽酸溶解可能會更好。但看到第二個評價問題時，他們往往會不知從哪里開始思考。這時教師講解問題時一定要引導學生利用綠色化學的思想來選擇流程：工藝流程中引入雜質(zhì)要少且易去除，工藝步驟要少且產(chǎn)率高，涉及到的副反應要少且反應容易控制，整個流程污染要少但原料可以循環(huán)，產(chǎn)品易提純易分離等原則。這樣學生就很容易進行評價酸溶法與堿溶法兩種方法的優(yōu)缺點：堿溶法雖然會有鋁硅酸鈉（Na₂Al₂Si₂O₈）生成，NaOH和Al₂O₃，都會有損失，但是所加試劑比酸溶法用量少、種類也少，且分離步驟更加簡單。因為多一步反應會消耗更多原料，多一次分離會損耗產(chǎn)品。這樣學生就自然明白教材選擇堿溶法的原因。

針對第三個問題，教師與學生要共同進行構(gòu)建，共同進行歸納總結(jié)，剔除次要的、非本質(zhì)的因素，采用遷移類比等方法建立金屬提取的一般流程模型，如圖5。

設(shè)計說明：本環(huán)節(jié)在利用學生閱讀、質(zhì)疑、討論、釋疑等環(huán)節(jié)，使學生在復雜情境問題面前，梳理解決問題所用的化學知識與方法，利用化學知識為解決問題的工具。通過對模型原型的抽象概括，實現(xiàn)由感性知識到理性認知的飛躍，提高學生的思維品質(zhì)。

環(huán)節(jié)四：綜合任務(wù)解決型任務(wù)——應用與創(chuàng)新流程模型

提問4：中國是全球最大的鋁生產(chǎn)國，但鋁行業(yè)耗能很大，對環(huán)境造成很大污染，目前電解鋁行業(yè)面臨生存的困境。如果你是鋁廠工程師，請分析提取鋁的工業(yè)流程圖中每一步的耗能情況與污染情況，提出改進措施。請結(jié)合鎂與碘的提取流程圖，討論提取物質(zhì)的一般流程模型。endprint

教師提示學生從綠色化學的思想來討論問題：一是提高原子利用率的角度，要求原料盡可能循環(huán)利用，減少廢氣、廢物的排放；二是節(jié)約能源的角度，反應過程要減少電能、熱能，充分利用反應熱，形成熱循環(huán)利用。比如討論，第一步原料礦物的開采、粉碎與第二步鼓入二氧化碳的動力來源，第三步反應需要的熱能來源，與第四步電解需要的電能來源等。另外，電解過程會產(chǎn)生大量CO₂氣體可以循環(huán)利用，廢料可以回收利用等。

學生對比分析鎂與碘的提取流程圖，在師生共同討論的過程中提煉出提取物質(zhì)的流程思路，得出模型如圖6。

設(shè)計說明：本問題引導學生對現(xiàn)有流程從物質(zhì)和能量綜合利用兩個角度進行分析，結(jié)合已有提取物質(zhì)的經(jīng)驗，進一步完善流程模型，推廣到提取物質(zhì)的一般模型。在這個過程中學生的隱性知識逐漸顯性化，形成結(jié)構(gòu)性知識。學生一旦擁有這樣的知識模型，面對不同陌生度的情境問題時，心中會有應對策略，就能靈活運用知識思維模型來解決復雜問題。

提問5：海水中有取之不盡的化學資源，海邊還有豐富的貝殼。假如你是一位科研人員，請你設(shè)計從海水中提取氯化鈉與金屬鎂等工業(yè)原料的工業(yè)流程。

學生剛看到此題時可能有些恐慌，把所學的化學知識真正用于實際問題，可能無從下手，教師如果有意引導學生利用圖6提取物質(zhì)的經(jīng)典流程模型，從物質(zhì)、能量、環(huán)保三個方面綜合考慮，師生共同設(shè)計流程圖如圖7。此外學生還可考慮在海邊建風力、水力發(fā)電廠，建造生產(chǎn)氯堿工業(yè)的化工廠，同時可以生產(chǎn)鹽酸等，既鞏固核心知識，又能發(fā)展思維。

設(shè)計說明：本環(huán)節(jié)對于化學教學很有意義。應用學生自己個性化的模型，有效地解決相關(guān)實際化學問題，能培養(yǎng)學生用化學視角來解決社會熱點問題的能力。同時，課堂上經(jīng)過這樣的反復訓練，能使學生已有的顯性化的結(jié)構(gòu)性知識隱性化，使所構(gòu)建的知識思維模型轉(zhuǎn)化為方法模型，形成具有學生個性化的思維模型。這種模型遷移性更強、使用更加靈活，使知識更具永久性，真正使化學知識逐漸轉(zhuǎn)化成學生的化學素養(yǎng)。

三、“情境-模型”雙輪驅(qū)動的課堂教學效果與思考

通過筆者日常教學實踐，“情境-模型”雙輪驅(qū)動法在課堂教學中是行之有效的方法，這種“動態(tài)”的訓練邏輯思維和創(chuàng)新思維的教學方法，培養(yǎng)了學生在具體實踐活動中分析問題、解決問題的能力，使以知識導向的課堂，真正轉(zhuǎn)型為以思維、能力為導向的課堂。該教學方法不光在無機元素化合物的課堂教學中有著重要作用，在化學反應原理、有機化學以及化學實驗教學中同樣會起到重要作用。“情境-模型”雙輪驅(qū)動法能有效地提高化學課堂的教學效益，化解學生學習上的難點，使化學核心素養(yǎng)真正落實。但在實施該教學方法時也要注意如下幾個方面：

1.情境創(chuàng)設(shè)要兼?zhèn)浼とば?、任?wù)性、全程性的功能

借助奧蘇貝爾的“有意義學習”理論，設(shè)計真實、有意義的情境，能促使學生對化學知識發(fā)生興趣，激發(fā)學生的學習動機，進而產(chǎn)生認知需要。情境背后的實際問題應針對課程標準和學業(yè)要求，通過任務(wù)問題串形式，引起學生的認知沖突，維持學習動力。另外，情境創(chuàng)設(shè)要具有全程性的特點，有利于學生抓住探究的主線，形成清晰的知識體系。

2.模型構(gòu)建要具備本質(zhì)性、典型性、匹配}生的特點

奧蘇貝爾的學習理論認為，采用建模思想，將化學問題中次要的、非本質(zhì)的信息舍去，可使本質(zhì)的知識變得清晰，更容易納入學習者已有的知識框架中，使學生在解決化學問題時，遷移更容易。但學生抽象思維尚未成熟，教學中要先幫助學生建立熟悉的模型。這種經(jīng)典模型的適應性廣，不管遇到怎樣陌生的情景，只要將復雜的問題與模型中的要素一一對應，進行模型匹配，就能很好地解決這類問題。如果學生擁有這樣的模型，就會堅定用化學知識解決問題的自信。

3.“情境-模型”雙輪驅(qū)動要注意相互協(xié)調(diào)、持續(xù)發(fā)力的作用

“情境-模型”作為上課的兩個輪子，要相互協(xié)調(diào)。構(gòu)建模型時，情境以任務(wù)型問題串的形式，來驅(qū)動學生實現(xiàn)認識的轉(zhuǎn)變，將學生的認識思維結(jié)構(gòu)化。這個環(huán)節(jié)使隱性的知識顯性化，有利于知識的儲存、提取；在應用模型解決情境問題中，學生把形象的情境問題本質(zhì)化，自動搜索已構(gòu)建的模型進行匹配、修正，從而解決問題。這個環(huán)節(jié)使現(xiàn)行顯性知識再次隱性化，鞏固核心知識，同時培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識。所以認知構(gòu)建的過程是由個體到一般、由典型到普遍，由易到難、由簡單到綜合的螺旋式上升的過程。

總之，“情境”要服務(wù)“問題”的提出，“模型”應來源于“知識”的應用。只有準確把握“情境”“問題”“知識”“模型”四者的定位及其相互聯(lián)系，才能達到使學生在解決問題中逐漸發(fā)展化學核心素養(yǎng)的目的。endprint