基于“模型認(rèn)知”的化學(xué)教學(xué)策略

徐賓

[摘 要]

“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”是化學(xué)核心素養(yǎng)的一個(gè)維度，模型認(rèn)知是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要方式之一。教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知，可以借助模型，認(rèn)識(shí)微觀結(jié)構(gòu)；利用模型，聚焦核心知識(shí)；依托模型，梳理知識(shí)體系；建構(gòu)模型，掌握反應(yīng)規(guī)律；參照模型，解決化學(xué)問題。

[關(guān)鍵詞]

高中化學(xué)；模型認(rèn)知；教學(xué)策略

高中化學(xué)核心素養(yǎng)中將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”作為一個(gè)維度專門表述，說明了“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的重要性。證據(jù)推理主要是指根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)等方面獲取的物質(zhì)及其變化的信息（證據(jù)），通過基于證據(jù)推理的方法形成科學(xué)結(jié)論；模型認(rèn)知是指對(duì)研究的物質(zhì)及其變化等方面的問題提出假設(shè)，根據(jù)觀察和實(shí)驗(yàn)得到的信息，通過抽象和模型思維，用簡(jiǎn)化的、形象化的模型，再現(xiàn)物質(zhì)及其變化的本質(zhì)、內(nèi)在特性和一般規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來完善模型。證據(jù)推理所形成的科學(xué)結(jié)論是簡(jiǎn)單的模型認(rèn)知，模型認(rèn)知離不開證據(jù)推理，證據(jù)推理是建構(gòu)模型的前提。

一、“模型認(rèn)知”的內(nèi)涵

盡管我們對(duì)“模型”和“認(rèn)知”并不陌生，但“模型認(rèn)知”作為一個(gè)專門詞語，還是一個(gè)新詞匯?！澳Ｐ汀币辉~來源于拉丁文，初始含義是樣本、標(biāo)準(zhǔn)和尺度，中文原意即規(guī)范?！罢J(rèn)知”是指人類認(rèn)識(shí)客觀事物、獲得知識(shí)的活動(dòng)，包括知覺、記憶、學(xué)習(xí)、言語、思維和問題解決等過程。人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的簡(jiǎn)約化描述就是“認(rèn)知模型”，簡(jiǎn)稱為“模型”，而在“模型認(rèn)知”一詞中“模型”和“認(rèn)知”屬于偏正關(guān)系，“模型”是修飾語，“認(rèn)知”是中心詞。所以，“模型認(rèn)知”可以理解為“基于（借助于）模型的認(rèn)知”。

化學(xué)研究的對(duì)象是分子、原子層次的物質(zhì)，且存在物質(zhì)的多樣性、不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和環(huán)境對(duì)物質(zhì)及其變化影響的復(fù)雜性等特點(diǎn)，人類運(yùn)用化學(xué)方法探索物質(zhì)世界時(shí)，常常對(duì)大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行比較分析、歸納概括后，還需要通過抽象和簡(jiǎn)化的方法建構(gòu)模型，再現(xiàn)物質(zhì)及其變化的基本規(guī)律，這樣的認(rèn)識(shí)過程就是“模型認(rèn)知”?？梢姡Ｐ褪且环N認(rèn)知工具，模型認(rèn)知是一種科學(xué)的認(rèn)知方式。

為了研究和學(xué)習(xí)的方便，人們將模型分為實(shí)物模型和思想模型。實(shí)物模型如晶體結(jié)構(gòu)模型、球棍模型等；思想模型包括理論模型（如有效碰撞理論、雜化軌道理論等）、符號(hào)模型（如元素符號(hào)、原子結(jié)構(gòu)示意圖、結(jié)構(gòu)式、化學(xué)方程式等）和數(shù)學(xué)模型（如理想氣體狀態(tài)方程、平衡常數(shù)表達(dá)式等）。

二、基于“模型認(rèn)知”的化學(xué)教學(xué)策略

模型是對(duì)原型的模擬，或?qū)υ退龅某橄蠡?、?jiǎn)約化、形象化的描述，是原型的精髓所在，突出了認(rèn)識(shí)對(duì)象的本質(zhì)特征和一般規(guī)律?；瘜W(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知的過程中就是對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象去粗取精、去偽存真的過程，是對(duì)化學(xué)知識(shí)高度濃縮、高度提煉、高度概括的過程，是對(duì)物質(zhì)的微觀世界進(jìn)行精準(zhǔn)定位、高倍放大的過程，從而使重要的本質(zhì)性知識(shí)形成清晰的知識(shí)框架，納入學(xué)生已有的知識(shí)體系中。

（一）借助模型，認(rèn)識(shí)微觀結(jié)構(gòu)

化學(xué)是研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律的科學(xué)，分子、原子看不見摸不著，微觀結(jié)構(gòu)更是抽象，這在客觀上增加了學(xué)習(xí)的難度。為了增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)感知的“實(shí)體感”，我們往往需要借助模型來幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)原子、分子以及晶體的微觀結(jié)構(gòu)，從而降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。

例如，甲烷是最簡(jiǎn)單的有機(jī)物，分子結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)烷烴同系物甚至對(duì)所有有機(jī)物碳架的理解具有基礎(chǔ)性的作用。甲烷分子中4個(gè)H原子和1個(gè)C原子的空間位置關(guān)系怎樣？?jī)H從它的電子式或結(jié)構(gòu)式上無法判斷，怎樣讓學(xué)生“看見”甲烷的分子結(jié)構(gòu)？教學(xué)中教師可以為每個(gè)合作學(xué)習(xí)小組提供一些不同顏色的圓形小水果、橡皮泥和牙簽，象征性地表示氫原子、碳原子和碳?xì)滏I；提供4個(gè)小氣球和一些棉線，4個(gè)小氣球吹氣后扎在一起用于表示4個(gè)碳?xì)滏I在空間的生長(zhǎng)方向。每個(gè)小組學(xué)生動(dòng)手嘗試建構(gòu)甲烷的分子結(jié)構(gòu)模型，分析討論哪種結(jié)構(gòu)模型更具合理性。在學(xué)生的模型初步建構(gòu)以后，教師再提供“甲烷與氯氣發(fā)生取代反應(yīng)后生成的二氯甲烷（CH2Cl2）只有一種”的事實(shí)信息，引導(dǎo)學(xué)生檢驗(yàn)或修正自己建構(gòu)的模型。通過這樣的模型認(rèn)知活動(dòng)，學(xué)生對(duì)甲烷的球棍模型或比例模型就有了清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)甲烷的分子結(jié)構(gòu)也會(huì)有深入的理解，為進(jìn)一步學(xué)好有機(jī)化學(xué)知識(shí)奠定了基礎(chǔ)。

（二）利用模型，聚焦核心知識(shí)

無論是化學(xué)核心素養(yǎng)還是化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，最終都必須通過化學(xué)課堂教學(xué)來實(shí)施，都必須通過學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)過程來體驗(yàn)和養(yǎng)成?；瘜W(xué)核心知識(shí)是支撐化學(xué)學(xué)科體系的主干性知識(shí)，是有利于學(xué)生遷移與應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性知識(shí)，也是高考化學(xué)常考的知識(shí)點(diǎn)。課堂教學(xué)中聚焦核心知識(shí)，建構(gòu)認(rèn)知模型，有利于引起學(xué)生對(duì)核心知識(shí)的關(guān)注，領(lǐng)悟核心知識(shí)的關(guān)鍵所在，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。

例如，教學(xué)“氧化還原反應(yīng)”時(shí)，通過創(chuàng)設(shè)問題情景，依據(jù)從具體反應(yīng)的“得氧失氧”入手，到反應(yīng)前后元素化合價(jià)的變化，再到電子轉(zhuǎn)移的主線進(jìn)行探究。雖然層次清晰，邏輯性強(qiáng)，但學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)過程中出現(xiàn)的一系列概念容易混淆，解決問題的思維起點(diǎn)難以把握。教學(xué)中如果能引導(dǎo)學(xué)生建立如下模型：

宏觀（特征）：化合價(jià)變化

微觀（本質(zhì)）：電子轉(zhuǎn)移（得失或偏移）

表示方法（規(guī)律）：雙線橋法 （失-高-氧-還原劑，得-低-還-氧化劑）

通過模型理清概念之間的相互關(guān)系，聚焦氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)，掌握問題解決的一般思路，對(duì)鞏固所學(xué)知識(shí)可以起到事半功倍的效果。

（三）依托模型，梳理知識(shí)體系

認(rèn)知科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)化的知識(shí)便于學(xué)生記憶、概括和理解，有助于解決問題?；瘜W(xué)教學(xué)中利用模型梳理知識(shí)體系，可以使零散的知識(shí)條理化、系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化，有利于降低學(xué)習(xí)的難度，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效果。

例如，學(xué)習(xí)“化學(xué)鍵”知識(shí)時(shí)，學(xué)生對(duì)于離子鍵、共價(jià)鍵、極性鍵、非極性鍵、配位鍵等概念混淆不清，不能正確判斷原子、原子團(tuán)之間的成鍵類型。教學(xué)中如果能從成鍵電子的來源類型為切入口，將這些化學(xué)鍵的概念、形成條件、元素種類等建立樹狀分類法模型，有利于學(xué)生理順各類化學(xué)鍵之間的關(guān)系，形成清晰的概念網(wǎng)絡(luò)圖，加深記憶，靈活運(yùn)用。

（四）建構(gòu)模型，掌握反應(yīng)規(guī)律

了解發(fā)生的反應(yīng)和正確書寫化學(xué)方程式，是解決化學(xué)問題的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)反應(yīng)雖然千變?nèi)f化，其實(shí)都蘊(yùn)含著一定的規(guī)律，學(xué)生之所以對(duì)化學(xué)方程式感覺千頭萬緒，無所適從，就是沒有掌握化學(xué)反應(yīng)的一般規(guī)律，沒有用“規(guī)律”來理解發(fā)生的反應(yīng)。教學(xué)中運(yùn)用建模法，揭示反應(yīng)類型和反應(yīng)規(guī)律，有助于幫助學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，克服學(xué)習(xí)的畏難心理，改變死記硬背的學(xué)習(xí)方法，讓化學(xué)反應(yīng)變得“有規(guī)可循”，讓書寫化學(xué)方程式變得“有法可依”，從而提高學(xué)生書寫化學(xué)方程式以及分析問題和解決問題的能力。

例如，初中化學(xué)對(duì)單質(zhì)、氧化物和酸堿鹽之間的關(guān)系，即俗稱的“八圈圖”不做要求，但是高中化學(xué)中仍需要這些知識(shí)做鋪墊，怎樣做好初高中的銜接？筆者在教學(xué)中對(duì)出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)，均按反應(yīng)類型或反應(yīng)規(guī)律進(jìn)行建模，從模型的視角歸納初中所學(xué)的化學(xué)反應(yīng)并認(rèn)識(shí)和理解高中新學(xué)習(xí)的化學(xué)方程式，教學(xué)效果非常顯著。比如書寫NaHCO3與Ca（OH）2反應(yīng)的離子方程式，總有相當(dāng)一部分同學(xué)感到困難。如果用建模法幫助學(xué)生建立了“酸式鹽+堿=鹽+水”、“鹽+堿=新鹽+新堿”的反應(yīng)模型，不管兩者量的多少，學(xué)生都能很快地正確書寫出兩者反應(yīng)的化學(xué)方程式或離子方程式。

（五）參照模型，解決化學(xué)問題

化學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，離不開經(jīng)歷化學(xué)問題解決的過程。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在解決化學(xué)問題時(shí)使用頻率最高的解題策略是模型匹配策略。利用這種策略解決化學(xué)問題，需將問題與模型進(jìn)行匹配，一般經(jīng)歷“問題表征、模型匹配、模型構(gòu)建、模型檢驗(yàn)、模型應(yīng)用”幾個(gè)階段。如下圖所示：

分析問題是解決問題的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)問題的特點(diǎn)和要求把求解的問題明確化。在這基礎(chǔ)上運(yùn)用學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)在頭腦里進(jìn)行模型搜索，如果有與問題解決相匹配的模型，就運(yùn)用此模型來解決問題；如果沒有已知的模型與之匹配，那就要參照某種相似的模型對(duì)其進(jìn)行改造，或者將幾種模型進(jìn)行整合，或者自主進(jìn)行全新的模型構(gòu)建，并在進(jìn)一步檢驗(yàn)之后解決問題。參照模型不是照搬模型，而是基于模型又不囿于模型，體現(xiàn)出模型的典型性、基礎(chǔ)性和開放性特征，學(xué)生只有做到心中“既有型又無型”，才能將知識(shí)學(xué)“活”用“活”，才能在具體實(shí)踐中培養(yǎng)和發(fā)展適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和未來社會(huì)發(fā)展所需要的必備品格和關(guān)鍵能力。

例如，2017年江蘇省高考化學(xué)第16（4）題中電解Na2CO3溶液，原理如圖所示：

陽極的電極反應(yīng)式_______，陰極產(chǎn)生的物質(zhì)A的化學(xué)式為_______。

學(xué)生在解答此問題時(shí)，首先聯(lián)想到的是電解池模型以及離子的放電順序，因此，有相關(guān)的模型相匹配，但又不能完全套用。陽極產(chǎn)生O2，應(yīng)該是H2O中的OH-放電生成的，隨著電解的進(jìn)行，水的電離平衡被破壞，陽極區(qū)會(huì)產(chǎn)生大量的H+，而產(chǎn)生的H+又不能與CO32-大量共存，它們會(huì)迅速結(jié)合生成HCO3—。通過將電解池模型與離子共存模型相整合，使問題迅速得到解決。這樣的思維過程其實(shí)就是依據(jù)模型、發(fā)展模型、創(chuàng)造性地使用模型的過程。

當(dāng)然，化學(xué)核心素養(yǎng)是一個(gè)整體，不應(yīng)該也不可能割裂開來進(jìn)行培養(yǎng)。模型認(rèn)知可使知識(shí)的本質(zhì)變得清晰，能使化學(xué)知識(shí)或解決化學(xué)問題的“基本套路”以結(jié)構(gòu)化或簡(jiǎn)約、形象的形式儲(chǔ)存于大腦中，便于學(xué)生快速地檢索、提取和應(yīng)用，因而是學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的重要方式之一。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]吳星.對(duì)高中化學(xué)核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)[J].化學(xué)教學(xué)，2017（5）.

[2]陳群，董軍.高三化學(xué)復(fù)習(xí)中建模思想滲透的實(shí)踐與研究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（4）.

（責(zé)任編輯：張華偉）