構建“四重表征”思維模型，發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)

莊業(yè)明 趙偉華

通過構建思維模型認識事物是一種重要的科學思維方法和認知手段，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱2017版課標）凝練了“證據推理與模型認知”等五個方面的化學學科核心素養(yǎng)體系，要求教師積極開展“素養(yǎng)為本”的課堂教學實踐，主動探索“素養(yǎng)為本”的有效課堂教學模式和策略。本文以人教版高中化學必修1“離子反應”教學為例，談談如何通過構建“四重表征”思維模型發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)。

學生在學習人教版必修1“離子反應”的有關內容時，對離子反應的實質不能做出準確、完整的陳述，主要表現(xiàn)為化學基本概念模糊、化學實驗過程描述不完整、化學用語使用錯誤、化學原理理解偏差等。比如，學生比較容易判斷NaCl在水中電離出Na+和Cl-，AgNO3在水中電離出Ag+和NO3-，也可以準確預測出以上反應會生成白色沉淀，但對于Ag+和Cl-結合生成AgCl沉淀的微觀過程表述不清，無法解釋反應的實質，以至于很難進行有效的知識遷移。若不對學生的能力進行有效的評價與診斷，給出有針對性的指導，學生在以后學習人教版選修4“水溶液中的離子平衡”這一內容時，就有可能會因為以上知識缺漏，在解答“離子平衡”的綜合問題時出現(xiàn)認知困難。

學生之所以出現(xiàn)上述陳述性表征問題，是因為他們還沒有建立完善的微粒觀，對相關基本概念理解不深，實驗學習只注重實驗結果、不注重實驗過程，不能將相關知識儲備轉化為有利于解決問題的工具。本文擬利用化學學習的四個層面表征——宏觀現(xiàn)象、微觀解釋、化學符號、圖像表征，通過“四重表征”融合（如圖1），啟發(fā)學生學習構建思維模型，促進其學科思維的形成與發(fā)展，從中發(fā)展解決相關問題的化學學科核心素養(yǎng)。

一、用開放性問題導入，觸發(fā)學生的深層思考

課堂教學中，教師要善于指導學生運用現(xiàn)有知識和學習經驗解決新問題，可以把學生提出的實驗方案作為課堂的素材或主線，為“四重表征”思維模型的構建做鋪墊。教師可設置開放性問題，發(fā)散學生思維，診斷、評價、解決學生學習化學基本概念、化學原理、化學實驗等知識時遇到的問題，引導其進入深度學習。

【實驗設計】請鑒別用同樣試劑瓶盛裝的NaOH溶液和稀硫酸，完成實驗報告（如表1）。供選試劑：KCl溶液、CuSO4溶液、Na2CO3溶液、Ba（OH）2溶液、石蕊溶液、酚酞溶液。

學生活動：分組討論→提出不同的實驗方案→動手實驗驗證→觀察實驗現(xiàn)象→得出結論。

學生可能提出的實驗方案（如表2）：

二、多角度分析，構建“四重表征”思維模型

首先，學生實際操作自己設計的實驗并觀察實驗現(xiàn)象;其次，分析溶液混合前后微粒的變化，掌握離子反應的判斷和離子方程式的書寫等內容;最后，借助圖像表征更直觀地認識并掌握離子反應的實質。通過構建“四重表征”思維模型，培養(yǎng)學生構建微觀抽象理論模型的能力。

教師引導，分析建模：以學生提出的實驗方案4（選擇的試劑：CuSO4溶液）為例，分析離子反應的實質，研究溶液混合前后試管中微粒的變化情況（如圖2）。

教師啟發(fā)設問：①溶液混合后出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象是什么？②反應的實質是什么？③如何用化學語言表達？

學生討論，得出如下結論。①宏觀現(xiàn)象：產生藍色沉淀;②微觀解釋：Cu2+和OH-之間按照個數比1∶2相互結合生成Cu（OH）2沉淀，Na+、SO42-未參與反應，像這種在離子之間進行的反應稱為離子反應;③化學符號：可以用Cu2++2OH-=Cu（OH）2↓表示CuSO4和NaOH發(fā)生反應的實質，像這種用實際參加反應的離子的符號來表示反應的式子叫作離子方程式。

師生討論，共同建模：運用規(guī)范的化學用語，對反應進行微觀解釋（如圖3）。

教師設疑：該離子反應會引起溶液中離子總濃度發(fā)生怎樣的變化？請設計實驗加以證明。

師生共研，得出如下實驗方案：通過導電性實驗，將離子濃度變化可視化，觀察燈泡亮度、電導率曲線變化趨勢，判斷離子濃度大小。

演示實驗：用裝有0.5mol/L CuSO4溶液的燒杯連接帶有燈泡的導電裝置，同時并聯(lián)電導率傳感器（連接電腦），將0.5mol/L NaOH溶液緩慢加入CuSO4溶液中，直至過量。

學生活動：做實驗之前，先由學生預測實驗現(xiàn)象，并嘗試用筆繪制混合液導電能力的圖像（如圖4）。（提示：溶液中離子濃度越大，導電能力越強，電導率越大）

學生匯報預測結果：燈泡由亮變暗，后又逐漸變亮;電導率變化曲線呈現(xiàn)先逐漸降低后又逐漸升高的趨勢。燈泡由亮變暗、曲線逐漸降低，原因是NaOH與CuSO4發(fā)生反應使溶液中離子總濃度減少;燈泡又逐漸變亮、曲線逐漸升高，原因是NaOH溶液過量，發(fā)生電離，使混合液中的離子總濃度增大。

實驗演示，完善模型：展示學生預測結果，并進行實驗演示，觀察電導率變化曲線（如圖5）?！八闹乇碚鳌敝饘舆M階，加深學生對離子反應實質的理解和掌握，進行知識內化和遷移。

“四重表征”思維導圖：在構建“四重表征”思維模型（如圖6）的過程中，教會學生構建和運用思維模型的方法，歸納形成同類型知識的思維導圖，以達到培養(yǎng)學生化學學科核心素養(yǎng)和科學探究能力的目的。

三、學以致用，強化模型，解決問題

通過構建思維模型，深化課堂主題，深入挖掘離子反應的實質，學生的離子觀得以建立。接下來，教師應將本節(jié)重點知識升華，提高學生應用理論知識解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生掌握“觀察思考→信息加工→總結歸納→提煉方法”的科學探究方法。

【模型鞏固訓練】請利用本節(jié)所學離子反應原理、離子方程式等知識，運用“四重表征”法解題。

【例題】（2016年北京卷）在兩份相同的Ba（OH）2溶液中，分別滴入物質的量濃度相等的H2SO4、NaHSO4溶液，其導電能力隨滴入溶液體積變化的曲線如圖7所示。下列分析不正確的是（ ?）。

A.①代表滴加H2SO4溶液的變化曲線

B.b點，溶液中大量存在的離子是Na+、OH-

C.a、d兩點對應的溶液均顯中性

D.c點，兩溶液中含有相同物質的量的OH-

模型分析（如圖8）：通過兩組實驗的反應原理（微觀解釋），寫出反應的離子方程式（化學用語），找到兩組實驗所對應的圖像中的曲線（圖像表征），進而判斷選項正誤。

選項解析：通過模型透析可知，曲線①代表滴加H2SO4溶液的變化曲線，A選項正確;曲線②中，從反應開始到b點，未參加反應的離子有Na+、OH-，B選項正確;H2SO4溶液在a點已消耗完原溶液中的OH-，NaHSO4溶液到d點才能消耗完全部的OH-，D選項不正確。因此，本題選D。

離子反應是高中化學最重要的基本理論之一，它與工業(yè)生產、社會生活以及生命活動都密切相關，我們面臨的諸如環(huán)境污染等社會問題，均可以用離子反應知識來解決。本教學設計意在引導學生在實驗探究中完成“四重表征”思維模型的構建，既能幫助學生深刻理解離子反應的實質，又能幫助學生解決高考中很多類似的問題，同時還能培養(yǎng)學生用模型認知思想解決身邊化學問題的能力。（題圖左為莊業(yè)明，右為趙偉華）

注：本文為2017年度廣西教育科學“十三五”規(guī)劃A類重點課題“基于學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的高中化學教學單元設計的研究”（課題編號2017A003）的階段研究成果。

（責編 龍 飛）