建構(gòu)認(rèn)知模型 提升思維能力
——以蘇教版化學(xué)必修《物質(zhì)的聚集狀態(tài)》為例

湯學(xué)鈴, 徐萬華

(1.連云港市田家炳中學(xué)， 江蘇 連云港 222500； 2.連云港市灌南縣教師發(fā)展中心， 江蘇 連云港 222500)

證據(jù)推理與模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的思維核心[1]。基于證據(jù)推理和模型認(rèn)知來解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象背后的本質(zhì)和規(guī)律，是學(xué)生必須具備的關(guān)鍵能力和品格。什么是“模型認(rèn)知”？化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)下的“模型認(rèn)知”有哪些內(nèi)涵和外延？《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)，把模型認(rèn)知素養(yǎng)描述為“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”，對(duì)“模型認(rèn)知”的水平要求見表1。

表1 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中模型認(rèn)知素養(yǎng)水平要求

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)下的模型認(rèn)知有廣狹之分：狹義上的模型認(rèn)知指的是化學(xué)模型層次，比如分子結(jié)構(gòu)模型、原子結(jié)構(gòu)示意圖等；廣義上的模型認(rèn)知，更多是指心理學(xué)認(rèn)知層面，是一種思維框架或思維方式。在化學(xué)教學(xué)中，教師需要引導(dǎo)和幫助學(xué)生根據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理，構(gòu)建知識(shí)模型、思維模型和答題模型等多種認(rèn)知模型[2-3]，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用認(rèn)知模型來描述化學(xué)現(xiàn)象、揭示化學(xué)原理，解決實(shí)際問題。這有利于提高學(xué)生的化學(xué)思維能力，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的全面提升。

本文以筆者執(zhí)教的《物質(zhì)的聚集狀態(tài)》為例，闡述“氣體摩爾體積”這一抽象概念的教學(xué)思路，探尋教學(xué)中如何建構(gòu)認(rèn)知模型，提升學(xué)生化學(xué)思維能力，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

1 研讀教材，吃透課標(biāo)，確定建構(gòu)認(rèn)知模型的難點(diǎn)

蘇教版化學(xué)必修1《物質(zhì)的聚集狀態(tài)》[4]這一課的內(nèi)容編排順序是：宏觀物質(zhì)具有不同的聚集狀態(tài)→不同聚集狀態(tài)的物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)上有差異→1mol不同聚集狀態(tài)的體積是否相同→影響物質(zhì)體積的因素有哪些→1mol氣態(tài)物質(zhì)的體積取決于什么→氣體摩爾體積→氣體的物質(zhì)的量、體積和氣體摩爾體積之間的關(guān)系。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)于該內(nèi)容的學(xué)業(yè)要求是：能基于物質(zhì)的量認(rèn)識(shí)物質(zhì)組成，能運(yùn)用物質(zhì)的量、氣體摩爾體積、物質(zhì)的質(zhì)量、體積等之間的關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。

“氣體摩爾體積”是高中階段比較難理解的一個(gè)抽象概念，需要教師引導(dǎo)學(xué)生建立起對(duì)氣體的模型認(rèn)知。如何去理解氣體摩爾體積、物質(zhì)的聚集狀態(tài)？如何建立起宏觀與微觀的聯(lián)系，認(rèn)識(shí)到物質(zhì)的聚集狀態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系？這些問題需要我們授課老師去思考和解決。另外，物質(zhì)的聚集狀態(tài)是在學(xué)習(xí)了物質(zhì)的量和摩爾質(zhì)量概念的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)的，這樣安排有利于學(xué)生加深理解、鞏固和運(yùn)用有關(guān)概念，特別是深化了他們對(duì)物質(zhì)的量及其單位的理解，為今后學(xué)習(xí)有關(guān)氣態(tài)反應(yīng)物和生成物的反應(yīng)，以及學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的知識(shí)作鋪墊。

基于以上幾點(diǎn)，可以確定這一課中認(rèn)知模型構(gòu)建的難點(diǎn)是“氣體摩爾體積”的理解與運(yùn)用。如何“化難為易”，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)識(shí)發(fā)展順序，設(shè)計(jì)“氣體摩爾體積”的認(rèn)識(shí)發(fā)展線。

2 整合教材，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)模型認(rèn)知的認(rèn)識(shí)發(fā)展線

筆者設(shè)計(jì)的教學(xué)思路如下：學(xué)生通過課前預(yù)習(xí)和課堂分析討論，再加上教師的引導(dǎo)等，推理得出影響物質(zhì)體積的因素，找到影響物質(zhì)體積的微觀因素，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)影響氣體物質(zhì)體積的微觀因素，在此基礎(chǔ)上引出氣體的摩爾體積的概念。在概念教學(xué)之后，安排適量概念辨析題目，然后引導(dǎo)學(xué)生“再識(shí)氣體摩爾體積”，水到渠成地引出氣體體積與物質(zhì)的量、氣體摩爾體積的關(guān)系。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)思路和結(jié)合本校學(xué)生的實(shí)際知識(shí)、能力水平，筆者設(shè)計(jì)了三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)：1)物質(zhì)的聚集狀態(tài)及影響物質(zhì)體積的因素；2)氣體摩爾體積的概念及理解；3)氣體體積、物質(zhì)的量、氣體摩爾體積之間的關(guān)系及簡(jiǎn)單計(jì)算。這樣以層層深入的活動(dòng)線索展開教學(xué)，學(xué)生在理解了“物質(zhì)的聚集狀態(tài)與微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系”之后，知道“1 mol氣態(tài)物質(zhì)的體積主要取決于氣態(tài)物質(zhì)中微粒之間的距離”，而1 mol氣體物質(zhì)中微粒之間的距離由外界的溫度和壓強(qiáng)決定，如果溫度、壓強(qiáng)再確定，那么1 mol氣體物質(zhì)中微粒之間的距離確定。因此，學(xué)生很容易接受“在溫度、壓強(qiáng)一定時(shí)，1 mol任何氣體都具有大致相同的體積”這一結(jié)論；接著自然過渡到“氣體摩爾體積”概念的學(xué)習(xí)，在學(xué)生自主學(xué)習(xí)完概念之后，進(jìn)行概念辨析，加深他們對(duì)氣體摩爾體積概念的理解；隨后安排“再識(shí)氣體摩爾體積”，通過提問與追問，引出氣體的物質(zhì)的量、體積和氣體摩爾體積之間的關(guān)系。這樣遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，學(xué)生會(huì)比較容易理解和接受新的知識(shí)，在提高學(xué)生的邏輯推理能力的同時(shí)，提升學(xué)生的化學(xué)思維能力。

3 創(chuàng)設(shè)情境，搭建臺(tái)階，促進(jìn)對(duì)模型認(rèn)知的理解

有關(guān)模型認(rèn)知的教與學(xué)，一直是化學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)之一。細(xì)究難學(xué)與難教的原因，筆者認(rèn)為，其一，模型認(rèn)知教學(xué)中涉及的概念，很多很抽象，日常生活中一般用不到，學(xué)習(xí)時(shí)需要學(xué)生的理解和想象，需要抽象思維和形象思維的融合；其二，日常教學(xué)中，概念類的知識(shí)缺乏具體直觀的教學(xué)手段或?qū)嶒?yàn)。比如：很多同學(xué)覺得“同溫同壓下，相同體積的任何氣體都具有相同的分子數(shù)”等定律難以理解。

在有關(guān)模型認(rèn)知教學(xué)中，教師可以為抽象知識(shí)的學(xué)習(xí)找一個(gè)合適的背景知識(shí)或者說引子，搭建臺(tái)階，架設(shè)新舊知識(shí)的橋梁，逐步實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)新知識(shí)的掌握與應(yīng)用。這也符合美國(guó)教育心理學(xué)家奧蘇貝爾(David Pawl Ausubel)提出的“先行組織者”策略[5]，能夠幫助學(xué)生更加順利地學(xué)習(xí)新知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率。《物質(zhì)的聚集狀態(tài)》這一課的難點(diǎn)在于如何構(gòu)建認(rèn)知模型，理解溫度、壓強(qiáng)影響微觀粒子的間距，進(jìn)而影響物質(zhì)的狀態(tài)。物質(zhì)的狀態(tài)是初中化學(xué)學(xué)過的知識(shí)，物質(zhì)由微粒構(gòu)成也是初中學(xué)習(xí)的知識(shí)。那么，如何架設(shè)新舊知識(shí)的橋梁，在舊知識(shí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的學(xué)習(xí)，在知識(shí)上有所加深，在思維上有所拓展？如何建立體積與物質(zhì)的量的關(guān)系？關(guān)鍵是找到影響體積的因素。而如何找到影響體積的因素？關(guān)鍵在于找到證據(jù)，進(jìn)行證據(jù)推理。

筆者采用的方法是情境創(chuàng)設(shè)，在情境中搜集證據(jù)。比如：用伸縮球和自制的微觀結(jié)構(gòu)模型，演示物質(zhì)不同狀態(tài)的微觀結(jié)構(gòu)，使得微觀結(jié)構(gòu)變得形象和直觀，便于學(xué)生理解。對(duì)于影響物質(zhì)狀態(tài)的外界條件，做碘升華的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀地看到溫度的變化對(duì)體積的影響。另外，用注射器裝氣體，通過手推加壓，學(xué)生看到體積的變化，就會(huì)明白壓強(qiáng)的變化對(duì)氣態(tài)物質(zhì)體積的影響。宏觀的溫度、壓強(qiáng)的改變，不會(huì)改變物質(zhì)的分子、原子或離子的大小。那么，微觀角度的什么變化才會(huì)在宏觀上表現(xiàn)出體積的變化？通過創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生就能理解宏觀狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。

4 知識(shí)問題化，問題層次化，逐步建構(gòu)起認(rèn)知模型

學(xué)習(xí)始于問題[6]，真正的學(xué)習(xí)一定是在解決問題中進(jìn)行的。在知識(shí)的學(xué)習(xí)中，如果直接給出具體的知識(shí)，缺乏思考和建構(gòu)的過程，死記硬背或者機(jī)械式的模仿，很難進(jìn)行知識(shí)的遷移和應(yīng)用。建構(gòu)認(rèn)知模型的過程就是尋找問題答案的過程。在解決問題的過程中，學(xué)生始終處于一種“求知若渴”的狀態(tài)，主動(dòng)去建構(gòu)自身的知識(shí)體系，掌握核心知識(shí)，鍛煉思維能力。

對(duì)于問題的設(shè)計(jì)，“最近發(fā)展區(qū)”理論提出，教師應(yīng)該以學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)為起點(diǎn)，設(shè)置的問題要難度適宜，要讓學(xué)生感覺有一定的難度，但是通過教師的幫助和學(xué)生的努力能夠得以解決。教師通過問題情境的設(shè)置，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引導(dǎo)學(xué)生去積極探索問題，在促使學(xué)生主動(dòng)解決問題的同時(shí)，使學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)內(nèi)化，從而擁有更高的知識(shí)水平。

在課堂上，筆者通過設(shè)計(jì)一系列的問題，一步一步引導(dǎo)，層層深入，幫助學(xué)生建構(gòu)起“氣體摩爾體積”的認(rèn)知模型。

通過此課例，筆者認(rèn)為，可以用“任務(wù)驅(qū)動(dòng)，問題引導(dǎo)”建構(gòu)認(rèn)知模型，提升化學(xué)思維能力。主要流程為：首先研讀教材和課標(biāo)、調(diào)查學(xué)情，確定教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生的學(xué)習(xí)困難點(diǎn)；然后根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生實(shí)際水平設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，從主要的學(xué)習(xí)任務(wù)中分解出“子任務(wù)”，每個(gè)“子任務(wù)”要具體、可操作。在每個(gè)“子任務(wù)”中設(shè)計(jì)一系列的問題，讓學(xué)生看清學(xué)習(xí)要解決的問題，從而綱舉目張地完成學(xué)習(xí)任務(wù)，達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

對(duì)于每個(gè)任務(wù)中設(shè)計(jì)什么樣的問題，需要教師去思考“什么樣的問題才能夠幫助學(xué)生的學(xué)習(xí)”。筆者覺得設(shè)計(jì)問題主要有以下幾個(gè)要求：首先，問題要帶有啟發(fā)性，能夠引發(fā)思考；其次，問題要具體，不能太寬泛；要指向精準(zhǔn)、有梯度，梯度要適合學(xué)生，不能低也不能高，在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)；再次，如果問題有情境，而這個(gè)情境又能貼近生活或社會(huì)，也更能激發(fā)學(xué)生的思考和學(xué)習(xí)興趣；最后，問題一般要反映出核心知識(shí)，解決問題就意味著學(xué)生已經(jīng)理解問題所包含的知識(shí)，只要稍加練習(xí)，即可將知識(shí)內(nèi)化，建構(gòu)起認(rèn)知模型。

除了這些，還需要教師在課堂教學(xué)活動(dòng)中清晰地講解或演示，組織學(xué)生探究活動(dòng)，用問題啟發(fā)學(xué)生的思考，用圖片、實(shí)物、視頻、實(shí)驗(yàn)等支撐教學(xué)活動(dòng)的開展，以學(xué)生為本，提升學(xué)生的化學(xué)思維能力，最終實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。