基于化學認識模型 發(fā)展學生認識素養(yǎng)

張永久

摘 ? ?要：化學認識模型的建構(gòu)過程是一個輸入過程，但輸入的不僅僅是知識系統(tǒng)，還有問題系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)和認識系統(tǒng)等，需要學生經(jīng)過深度加工才能完成。運用化學認識模型解決問題的過程是一個輸出過程，外顯在化學認識模型中的認識方法可以內(nèi)化為學生的自我監(jiān)控和自我評價能力。教學中通過構(gòu)建并運用化學認識模型，有利于學生形成和發(fā)展認識素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學認識模型;認識素養(yǎng);學習能力;研究能力;專項能力

化學認識模型是指導(dǎo)學生學習化學知識、研究化學問題的一種系統(tǒng)化思維模式，可在“研究范圍是什么、從哪些角度切入研究、需要完成哪幾類任務(wù)”等方面為學生提供系統(tǒng)化的指導(dǎo)?；瘜W教學中，針對某一特定領(lǐng)域、特定目的建構(gòu)化學認識模型，并基于化學認識模型設(shè)計和實施教和學，有利于促進學生認識素養(yǎng)的發(fā)展。以下是筆者的一些實踐和思考。

一、化學認識模型的建構(gòu)和運用過程就是認識系統(tǒng)化的過程

建構(gòu)化學認識模型，就是把特定的研究對象和解決問題過程轉(zhuǎn)化為可重復(fù)、可推廣的認識規(guī)律，提取解決該類問題的一般思維方法，形成結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的思維模型。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學生基于化學認識模型學習化學知識、解決化學問題，幫助學生跨越認知障礙，引導(dǎo)學生遵循思維規(guī)律挑戰(zhàn)認知高度，讓學生學會像專家一樣去學習知識和研究問題。高中化學教學中，化學認識模型的建構(gòu)和運用過程可用圖1來表示。

化學認識模型的建構(gòu)過程是一個輸入過程，輸入的不僅僅是化學知識系統(tǒng)，還有化學問題系統(tǒng)、能力任務(wù)系統(tǒng)和化學認識系統(tǒng)等，在輸入過程中需要學生對知識、問題、任務(wù)等進行深度加工，以形成系統(tǒng)化的認識角度和穩(wěn)定的認識思路?；瘜W認識模型的建構(gòu)過程還是一個建立聯(lián)系通道的過程，需要建立不同化學知識之間的聯(lián)系、不同化學問題之間的聯(lián)系、不同能力任務(wù)之間的聯(lián)系以及不同認識角度和認識思路之間的聯(lián)系。運用化學認識模型解決問題的過程是一個輸出過程，是一種認識角度、認識思路外顯化的具體途徑，從中提升學生自覺調(diào)用認識角度、自動檢索思維方法、自我監(jiān)控問題解決過程的能力。

化學認識模型是一種具有多種教學功能的思維模式。在學生學習化學知識和研究化學問題的過程中，化學認識模型是關(guān)于知識系統(tǒng)、認識系統(tǒng)、實際情境系統(tǒng)、能力任務(wù)系統(tǒng)的總綱。在教師施教的過程中，化學認識模型又是指導(dǎo)教學設(shè)計、教學實施、教學評價的總綱，教師可以根據(jù)化學認識模型設(shè)計教學目標、能力活動任務(wù)和相關(guān)化學能力活動，可以根據(jù)化學認識模型確定評價素養(yǎng)類型和對應(yīng)的表現(xiàn)水平。

二、基于化學認識模型促進學生認識素養(yǎng)發(fā)展的兩種途徑

（一）通過構(gòu)建和運用化學認識模型提升學生的學習和研究能力

高中化學可以分成元素化合物、物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、化學反應(yīng)原理、有機化學基礎(chǔ)、化學實驗等幾大領(lǐng)域，每個大領(lǐng)域還可以分成若干個子領(lǐng)域，學生在每一個領(lǐng)域的學習過程中都會由于沒有清晰的認識角度、認識思路等原因產(chǎn)生認識瓶頸，導(dǎo)致在解決與該領(lǐng)域相關(guān)問題時常會產(chǎn)生思維障礙。教學中，通過構(gòu)建并運用化學認識模型來提升學生針對某領(lǐng)域內(nèi)知識的學習能力、相關(guān)問題的研究能力，從而有效促進學生的認識素養(yǎng)發(fā)展。

以元素化合物為例，教學中教師可以根據(jù)教材中每一章、每一節(jié)的學習要求，并根據(jù)前后順序的安排，分兩個階段來完成。

第一階段，先以某種元素為線索（如氯、硫、鈉、鐵及其化合物）建構(gòu)化學認識模型，讓學生基于所建構(gòu)的化學認識模型學習對應(yīng)元素化合物的知識，研究相關(guān)問題。針對氯、硫、鈉、鐵等具體元素的化合物學習時，可以引導(dǎo)學生建構(gòu)對應(yīng)元素的“價態(tài)—類別二維圖”，讓學生以此作為學習元素及其化合物性質(zhì)、解決元素及其化合物相關(guān)問題的化學認識模型，完成關(guān)于對應(yīng)元素及其化合物的性質(zhì)預(yù)測和驗證、相互轉(zhuǎn)化反應(yīng)的預(yù)測和驗證等學習活動。如必修1中關(guān)于“氯及其化合物”的教學就屬于上述的第一階段，可以引導(dǎo)學生建構(gòu)氯元素的“價態(tài)—類別二維圖”，讓學生以此作為學習氯元素及其化合物性質(zhì)、解決氯元素及其化合物相關(guān)問題的化學認識模型，完成關(guān)于氯氣、次氯酸等含氯物質(zhì)的性質(zhì)預(yù)測、轉(zhuǎn)化等學習活動[1]。當然，在其他元素及其化合物教學中，也可以建構(gòu)對應(yīng)元素的“價態(tài)—類別二維圖”，進行類似的學習和研究活動。

第二階段，構(gòu)建并運用適用面更廣、更具有遷移價值的元素化合物認識模型，以促進學生自覺運用多種角度認識元素化合物的性質(zhì)，促進學生形成認識元素化合物性質(zhì)的穩(wěn)定思路。當學生已掌握比較豐富的元素化合物知識，積累了較多的元素化合物知識的學習經(jīng)驗、研究與元素化合物相關(guān)問題的能力，就應(yīng)該讓學生的認識發(fā)展進入第二階段，即建構(gòu)和運用適用面更廣、更具遷移價值的元素化合物認識模型，王磊老師團隊提出了現(xiàn)已成為中學化學教學經(jīng)典的元素化合物認識模型 [2]。其中包含：①研究領(lǐng)域（元素化合物領(lǐng)域內(nèi)的研究對象可歸結(jié)為元素和不同元素、物質(zhì)和物質(zhì)組等）;②化學問題（元素化合物領(lǐng)域內(nèi)的問題通常會以物質(zhì)保存、物質(zhì)使用、物質(zhì)鑒別和鑒定、物質(zhì)分離和物質(zhì)制備等多種實際問題形式，本質(zhì)上可歸納為“性質(zhì)”和“轉(zhuǎn)化”兩類）;③任務(wù)維度（能力水平從低到高依次分為理解型任務(wù)、應(yīng)用型任務(wù)、遷移型任務(wù)三類）;④認識維度（以物質(zhì)類別通性、基于核心元素價態(tài)、基于元素周期律、基于化學反應(yīng)原理等作為元素化合物領(lǐng)域的認識角度，其中類別通性、核心元素價態(tài)是核心認識角度）等。教學中基于元素化合物認識模型進行教和學，有利于落實新課標要求的教、學、評一體化原則。

在與物質(zhì)制備相關(guān)的化工生產(chǎn)內(nèi)容教學中，也要引導(dǎo)學生建構(gòu)針對性的化學認識模型。筆者在進行“銅、鐵的冶煉”教學時，設(shè)計了以下任務(wù)。

任務(wù)1 ? 分析“銅礦→銅”的關(guān)鍵步驟（初步形成化學認識模型）。

任務(wù)2 ? 由“銅礦→銅”經(jīng)類比遷移研究“鐵礦→鐵”的過程（由學生自主運用“模型”研究工業(yè)煉鐵相關(guān)內(nèi)容，既為學生設(shè)計認知腳手架，也給學生創(chuàng)設(shè)一個發(fā)展“模型認知”素養(yǎng)的機會）。

任務(wù)3 ? 從煉銅、煉鐵等個例的研究中，概括出金屬冶煉一般步驟（讓學生經(jīng)過拓展、歸納，概括得出學習和研究金屬冶煉的“化學認識模型”的一般形式，再經(jīng)過討論得出適應(yīng)面更廣的物質(zhì)制備“化學認識模型”），詳見圖2。

上述教學過程中，學生不僅學習理解了有關(guān)銅、鐵冶煉的知識，還提高了對化工生產(chǎn)相關(guān)的認識能力，對物質(zhì)制備相關(guān)的化工生產(chǎn)過程有了概括性的認識，為將學到的知識更好地遷移運用打下了基礎(chǔ)。

實際上，化學認識模型可看作是一種具有傳遞功能的認識成果，是師生之間、生生之間交流過程中可以相互傳遞的智慧化符號;解決化學問題過程中，化學認識模型可以成為學生自主操控的接近理想化的方法，又是學生開展化學思維活動的基本單位，還是師生、生生之間交流思維成果的工具。

（二）通過構(gòu)建和運用化學認識模型發(fā)展學生的專項能力

高中化學中有些模塊、有些章節(jié)的學習，需要與之匹配的專項能力，實際上解決不同領(lǐng)域相關(guān)的實際問題也往往需要相應(yīng)的專項能力。高中化學教學中教師要有計劃地針對不同領(lǐng)域培養(yǎng)學生的專項能力，才能將化學學科核心素養(yǎng)落實到相應(yīng)的化學知識學習過程中，以達到化學學業(yè)質(zhì)量水平的要求。在關(guān)于元素化合物的教學中，就需要培養(yǎng)學生的“物質(zhì)性質(zhì)的預(yù)測能力、物質(zhì)組成的探究能力、物質(zhì)的制備能力”等專項能力。

關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)的預(yù)測能力是一項重要的專項能力，是學習元素化合物知識、解決與元素化合物有關(guān)的實際問題所必需的關(guān)鍵能力。我們認為，可以在不同階段構(gòu)建并運用對應(yīng)的化學認識模型來培養(yǎng)學生的“關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)的預(yù)測能力”。在不同階段，不同的學生對于物質(zhì)性質(zhì)的認識能力差異較大，可以針對學生的實際情況構(gòu)建不同的化學認識模型來發(fā)展學生的認識素養(yǎng)。若學生在關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)學習方面的經(jīng)驗不多，可以引導(dǎo)學生構(gòu)建如圖3所示的物質(zhì)性質(zhì)認識模型，讓學生根據(jù)圖3中三種認識角度預(yù)測物質(zhì)的化學性質(zhì)。

結(jié)合關(guān)于物質(zhì)性質(zhì)的實驗探究過程，也可以跟學生一起建構(gòu)圖4 [3]所示的“研究物質(zhì)性質(zhì)的認識模型”，讓學生運用此認識模型探究重要物質(zhì)的化學性質(zhì)。

例如，黃鐵礦（FeS2）是我國工業(yè)制硫酸的重要原料，也是高中階段需要學生研究并掌握其性質(zhì)的一種重要化合物，但大多數(shù)學生只是靠記憶了解“黃鐵礦能夠在氧氣中燃燒生成二氧化硫”，沒有研究黃鐵礦性質(zhì)的經(jīng)歷，對黃鐵礦的多種性質(zhì)無法做出預(yù)測和驗證。因此，可設(shè)計如下教學流程，引導(dǎo)學生對黃鐵礦的性質(zhì)進行預(yù)測和驗證。

第一步：觀察FeS2樣品。黃鐵礦呈金黃色，外觀似黃金（黃鐵礦的俗名叫作“愚人金”），是一種自然礦物，預(yù)測其有較好的穩(wěn)定性。

第二步：引導(dǎo)學生從元素價態(tài)、物質(zhì)分類等角度預(yù)測其性質(zhì)。黃鐵礦中鐵元素呈+2價，所含過硫根離子（S22-）中硫元素呈-1價，預(yù)測黃鐵礦既有氧化性，也有還原性;FeS2屬于鹽類物質(zhì)、過硫化物（可以跟過氧化物類比），預(yù)測其能夠跟酸反應(yīng)，能夠發(fā)生分解反應(yīng)等。

第三步：設(shè)計實驗方案進行驗證。FeS2與稀硫酸混合，產(chǎn)生臭雞蛋氣味的氣體，同時溶液中有淺黃色的物質(zhì)生成。將FeS2隔絕空氣加強熱，可以生成一種黑色固體和一種淺黃色的固體。

第四步：通過與其他物質(zhì)進行比較，總結(jié)歸納黃鐵礦的性質(zhì)。與FeS比較，F(xiàn)eS2與稀硫酸反應(yīng)生成FeSO4與H2S2;與H2O2比較，H2S2也會分解生成H2S與S，進一步推理，F(xiàn)eS2隔絕空氣分解生成FeS與S。

通過上述探究活動，學生對FeS2的性質(zhì)就有了比較清晰與完整的了解。

在有機化學基礎(chǔ)內(nèi)容學習過程中，可以引導(dǎo)學生結(jié)合有機化合物的特點構(gòu)建“預(yù)測有機物性質(zhì)的認識模型”，讓學生依據(jù)“化學鍵的飽和度、鍵的極性→斷鍵部位→斷鍵方式與反應(yīng)類型→反應(yīng)試劑、反應(yīng)條件、反應(yīng)產(chǎn)物→鄰近基團對鍵極性的影響……”的思維程序來學習和研究重要有機物的性質(zhì)。如在選修模塊《有機化學基礎(chǔ)》中關(guān)于“醛”的教學中，可以抓住“羰基”（這是烴的含氧衍生物中十分重要的官能團，醛、羧酸、酯等烴的含氧衍生物都含有碳氧雙鍵），碳氧雙鍵屬于多重鍵（雙鍵或三鍵），由于碳元素和氧元素的電負性不同，所以碳氧雙鍵是極性多重鍵，在此基礎(chǔ)上再引導(dǎo)學生分析討論醛基中羰基對碳氫鍵的影響，形成對醛基特征的整體認識，理解與醛基相關(guān)的化學反應(yīng)（加成反應(yīng)、氧化反應(yīng)等），學生經(jīng)歷了這樣的分析碳氧雙鍵結(jié)構(gòu)特征的一般思路，就為將來分析其他多重鍵的特征和相關(guān)反應(yīng)打下了遷移應(yīng)用的基礎(chǔ)。

化學教學中還可以結(jié)合實際問題，引導(dǎo)學生構(gòu)建“材料問題的認識模型”，讓學生依據(jù)以下程序研究材料問題。第一步，分析材料的化學成分;第二步，根據(jù)材料的性能和使用注意事項研究物理性質(zhì)和化學性質(zhì);第三步，考慮材料的價值，分析制備時原料的選擇等……基于這一認識模型能夠發(fā)展學生從生活中發(fā)現(xiàn)問題的能力，可用于研究鋁、鐵、銅等金屬材料，也可用于研究非金屬材料。

建構(gòu)有遷移價值的發(fā)展專項能力的化學認識模型，是化學知識學習實現(xiàn)化學學科關(guān)鍵能力發(fā)展、化學學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的具體途徑。引導(dǎo)學生建構(gòu)并運用化學認識模型，可以促進學生將外顯在化學認識模型中的認識角度、認識思路內(nèi)化為自我監(jiān)控、自我評價能力。

化學認識模型，可以針對某個單元、某個章節(jié)或某個模塊，包含認識角度系統(tǒng)、知識系統(tǒng)、能力任務(wù)系統(tǒng)等多個系統(tǒng)構(gòu)成的較大系統(tǒng)。從系統(tǒng)的層面、鳥瞰的視角對某領(lǐng)域進行認識化的梳理，使學習過程變得有序、有系統(tǒng)、有進階?；瘜W認識模型為教師和學生提供了理解知識最普遍的世界觀和方法論。當然，化學認識模型不能當作一個具體知識點傳授給學生，而是應(yīng)該通過特定實例的學習過程逐步讓學生自主構(gòu)建起來。

參考文獻：

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[3]胡久華，黃燕寧.普通高中課程標準實驗教科書·化學1（必修）[M].濟南：山東科學技術(shù)出版社，2019：50.