核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)模型教學(xué)研究

[摘 要]

“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。教師通過在真實情境中引導(dǎo)學(xué)生建立模型、運用模型，可以有效地幫助學(xué)生建立解決問題的思路和方法，發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，提升學(xué)生的“模型認(rèn)知”能力。

[關(guān)鍵詞]

高中化學(xué);模型認(rèn)知;建模教學(xué)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出要培養(yǎng)學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育是一個循序漸進(jìn)的過程，需要化學(xué)教師在對有關(guān)模型、科學(xué)模型、化學(xué)模型以及認(rèn)知模型等概念研究的基礎(chǔ)上，深刻理解模型方法的內(nèi)涵，將模型方法滲透到化學(xué)教學(xué)實踐中，逐步培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建各類模型并運用合適的模型來解決化學(xué)實際問題的能力。

一、模型方法是化學(xué)研究的重要工具

模型是對事物本質(zhì)的抽象的概括。在科學(xué)研究中使用模型即“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”?？茖W(xué)模型是科學(xué)家依據(jù)大量的實驗事實、相關(guān)數(shù)據(jù)等證據(jù)素材創(chuàng)造出來的，用于解決問題的一種研究工具，在科學(xué)研究中具有描述、解釋、預(yù)測等功能?；瘜W(xué)模型是科學(xué)模型的一種，既有科學(xué)模型的典型特征，又有其自身特點，即化學(xué)模型是為了更好地解決化學(xué)問題而建立的，帶有鮮明的化學(xué)特征。學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，既要從宏觀層面上觀察現(xiàn)象，又要從微觀層面上分析解釋，借助化學(xué)模型，去研究看不到的化學(xué)世界，解釋物質(zhì)的宏觀表象，預(yù)測物質(zhì)可能的性質(zhì)。

在化學(xué)教學(xué)中使用的模型，不僅僅局限于科學(xué)模型層面的化學(xué)模型，例如，原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)模型等，還有在認(rèn)知心理學(xué)層面上建立的認(rèn)知模型（也稱為認(rèn)識模型）?；瘜W(xué)模型是被化學(xué)界公認(rèn)的模型，認(rèn)知模型是由教師和學(xué)生共同建構(gòu)的思維路徑和認(rèn)識框架，例如，元素化合物認(rèn)知模型、電化學(xué)認(rèn)知模型等。在化學(xué)教學(xué)實踐過程中，教師要構(gòu)建和運用各種模型，幫助學(xué)生建立解決化學(xué)問題的思路、方法，用方法指導(dǎo)實踐，使學(xué)生通過實踐積累解決問題的經(jīng)驗，培養(yǎng)學(xué)生形成未來社會發(fā)展所需的正確價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。

二、“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的培育途徑

教師在真實情境中引導(dǎo)學(xué)生建立模型、運用模型是發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)的基本途徑。筆者在教學(xué)實踐中嘗試通過情境式建模教學(xué)流程（圖1）提升學(xué)生的模型認(rèn)知能力。下文以“‘鈉么神奇”實驗探究課的兩個教學(xué)環(huán)節(jié)為例，進(jìn)一步闡述如何落實“模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

“鈉”么神奇之一：鈉的保存

【問題情境1】比較生活中常見的鈉鹽與實驗室里的鈉單質(zhì)的保存方式，有何區(qū)別？可能是什么原因？

【猜想假設(shè)1】鈉鹽相對穩(wěn)定，無需特殊保存;金屬鈉不能暴露在空氣中，可能會跟空氣反應(yīng)。

【探究實驗1】取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的液體，用小刀切去一端的表層，觀察表面的顏色;將其放置在空氣中，繼續(xù)觀察表面顏色的變化。

【證據(jù)素材1】剛用小刀切開鈉時有明顯的金屬光澤，只間隔幾秒鐘切面就失去金屬光澤，變成白色物質(zhì)。

【得出結(jié)論1】金屬鈉是一種很活潑的金屬，在常溫條件下就能與空氣（主要是氧氣）反應(yīng)。

【解決問題1】實驗室在保存金屬鈉時一定要隔絕空氣。

【問題情境2】保存金屬鈉的瓶中的液體是什么？

【猜想假設(shè)2】液體可能是水（像白磷的保存一樣），也可能是油（用濾紙吸收時像油漬）。

【探究實驗2】先用滴管取一些瓶中的液體滴加到盛有水的燒杯中，觀察現(xiàn)象;再取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的液體，切綠豆大小的一塊放入另一只盛有水的燒杯中，蓋上玻璃片，觀察現(xiàn)象。

【證據(jù)素材2】瓶中液體不溶于水，且浮在水面上;金屬鈉放入水中后，浮在水面上立即熔成小球四處游動，反應(yīng)非常劇烈直至全部消失。

【得出結(jié)論2】金屬鈉很活潑，遇水很容易反應(yīng)。瓶中液體是油，密度比水小，比鈉大。

【解決問題2】實驗室在保存金屬鈉時不僅要隔絕空氣，還要隔絕水。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生選擇并建立與之相匹配的模型，例如，可以選擇鈉離子和鈉原子結(jié)構(gòu)示意圖等化學(xué)微觀模型來表征物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，形成鈉離子與鈉原子在微觀結(jié)構(gòu)上的不同導(dǎo)致兩者性質(zhì)差異的化學(xué)思維;也可以建立化學(xué)分類模型對金屬鈉的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，鈉是金屬單質(zhì)，具有金屬的通性，有金屬光澤、能導(dǎo)電導(dǎo)熱、有延展性，一般能與氧氣反應(yīng)。模型具有解釋和預(yù)測功能，學(xué)生根據(jù)鈉原子的最外層只有1個電子的化學(xué)微觀模型，可以預(yù)測金屬鈉容易失去電子變成鈉離子而體現(xiàn)出還原性，也能解釋金屬鈉需要隔絕空氣保存的原因是因為容易與空氣中的氧氣反應(yīng)。通過探究實驗，學(xué)生檢驗了化學(xué)微觀模型和化學(xué)分類模型的一致性和適用性;通過探究實驗2，學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬鈉與水能反應(yīng)，所以保存金屬鈉的液體不是水，與白磷的保存方式不同，根據(jù)鈉與水反應(yīng)時鈉是浮在水面上的，而在保存金屬鈉的液體中鈉是沉在底部的，可以推測這是一種密度介于鈉和水之間的油狀液體，最后，教師再指出這種液體是煤油。

“鈉”么神奇之二：鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)

【問題情境3】金屬鈉能從硫酸銅溶液中置換出銅嗎？

【猜想假設(shè)3】金屬鈉可以置換出銅，就像鐵可以從硫酸銅溶液中置換出銅一樣。

【探究實驗3】將綠豆大小的金屬鈉放入盛有硫酸銅溶液的燒杯中，蓋上玻璃片，觀察現(xiàn)象。

【證據(jù)素材3】金屬鈉在硫酸銅溶液中反應(yīng)非常劇烈，有藍(lán)色絮狀沉淀生成，但是沒有紫紅色金屬出現(xiàn)。

【得出結(jié)論3】金屬鈉是很活潑的金屬，根據(jù)置換反應(yīng)的化學(xué)理論模型，鈉應(yīng)該能置換出銅。但是實驗結(jié)果顯示與預(yù)測不一致，可能是硫酸銅溶液中有水的緣故，需要再做一組無水條件下的實驗，再次驗證。

【解決問題3】金屬鈉不能從硫酸銅溶液中置換出銅。

【問題情境4】金屬鈉能從無水硫酸銅中置換出銅嗎？

【猜想假設(shè)4】在無水條件下，金屬鈉應(yīng)該能置換出銅單質(zhì)。

【探究實驗4】切取綠豆大小的鈉塊放置在裁剪好的易拉罐底部，取適量無水硫酸銅粉末將金屬鈉覆蓋，用酒精燈在底部加熱，觀察實驗現(xiàn)象。

【證據(jù)素材4】鈉與無水硫酸銅粉末反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生暗紅色帶有金屬光澤的物質(zhì)。

【得出結(jié)論4】金屬鈉可以在無水條件下置換出硫酸銅中的銅單質(zhì)。

【解決問題4】置換反應(yīng)化學(xué)理論模型：活潑金屬單質(zhì)A+化合物BC=較不活潑金屬單質(zhì)B+化合物AC，在無水條件下是適用的，在有水條件下適用于不與水或難與水反應(yīng)的金屬單質(zhì)。

設(shè)計意圖：學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)知，選擇和建立活潑金屬可以通過置換反應(yīng)制備較不活潑金屬的化學(xué)理論模型是合情合理的。通過探究實驗3的檢驗，學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)不遵循置換反應(yīng)的普遍規(guī)律，即活潑金屬可以從鹽溶液中置換出較不活潑的金屬，置換反應(yīng)這一化學(xué)理論模型不適用于該反應(yīng)，需要尋找其他證據(jù)素材以便修正模型;通過探究實驗4的檢驗，學(xué)生認(rèn)識到置換反應(yīng)這一化學(xué)理論模型是有局限性的，需要根據(jù)證據(jù)素材對模型進(jìn)行修正和調(diào)適，使之更完善。建模教學(xué)可以拉近學(xué)生與真實科學(xué)探究之間的距離，讓學(xué)生意識到在科學(xué)領(lǐng)域沒有完美無缺的模型，也沒有一成不變的模型，當(dāng)舊的模型無法解釋新的實驗事實時，就要進(jìn)行修正、完善甚至重構(gòu)。情境式建模教學(xué)不僅能夠提升學(xué)生建模、用模的能力，也培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)踏實、敢于批判和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

三、化學(xué)模型教學(xué)實踐策略

（一）建立與運用多種模型有助于學(xué)生深入理解化學(xué)知識

例如，學(xué)生通過鈉原子和氯原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖（化學(xué)微觀模型），可以解釋金屬鈉與氯氣在點燃條件下生成大量白煙的實驗現(xiàn)象，理解離子鍵形成的本質(zhì)特征，建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)思維;學(xué)生根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理（化學(xué)理論模型），猜測鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物并書寫化學(xué)方程式;學(xué)生構(gòu)建金屬鈉及其化合物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系（化學(xué)認(rèn)知模型，如圖2），有利于知識的結(jié)構(gòu)化。素養(yǎng)的落實需要以知識為載體，而知識轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的重要途徑是情境，學(xué)生只有親歷、體驗、參與對知識的認(rèn)知和探索過程，才能真正理解和運用知識。真實的問題情境可以激發(fā)學(xué)生的情感和認(rèn)知等活動，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。從教學(xué)實踐效果來看，采用“模型的選擇與建立→模型的檢驗與修正→模型的應(yīng)用與重構(gòu)”的情境式建模教學(xué)流程有助于提高學(xué)生思維品質(zhì)。

（二）及時開展學(xué)習(xí)評價有助于教師掌握學(xué)科素養(yǎng)的落實情況

“模型認(rèn)知”素養(yǎng)分為由低到高的四個水平：水平1，能識別模型;水平2，能理解模型;水平3，會運用模型;水平4，會優(yōu)化模型。情境式建模教學(xué)流程有沒有提升學(xué)生的模型認(rèn)知能力，教師需要在教學(xué)過程中開展持續(xù)性學(xué)習(xí)評價，才能及時診斷學(xué)生的此項素養(yǎng)水平，并根據(jù)診斷情況調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)程與學(xué)習(xí)活動。學(xué)習(xí)評價可以是回答、討論、匯報等口頭形式，可以是做實驗等操作類形式，也可以是練習(xí)、作業(yè)、測驗等筆頭形式。在此列舉兩例：例1，主要診斷學(xué)生理解模型（水平2）的能力;例2，主要診斷學(xué)生運用模型（水平3）的能力。

例1：下列關(guān)于Na和Na+的敘述中，錯誤的是（? ）

A.均為同一元素 B.相差一個電子層 C.化學(xué)性質(zhì)相似 D.焰色反應(yīng)都呈黃色

例2：金屬鈦具有比重輕、強度高、耐熱耐腐蝕的優(yōu)點，是優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料和功能材料[1]。海綿鈦是制備鈦合金的重要基礎(chǔ)原料，工業(yè)上生產(chǎn)海綿鈦的方法之一是采用鈉熱還原法，其原理是在700 ℃～800 ℃條件下利用金屬鈉還原四氯化鈦，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。

四、結(jié)語

在化學(xué)教學(xué)中開展建模教學(xué)對化學(xué)教師提出了較高的要求。教師只有不斷加強理論研究和教學(xué)實踐，在實踐中反思、改進(jìn)自身教學(xué)，才能讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、理解化學(xué)知識，更深入地研究、解決化學(xué)問題，才能真正讓素養(yǎng)落地生根。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]劉揮彬，石濤，郭樹虎.海綿鈦生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].化工管理，2017（5）：112-114.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）

作者簡介：華麗芬（1981-），女，江蘇常州人，中學(xué)一級教師，大學(xué)本科，研究方向：中學(xué)化學(xué)教學(xué)實踐。

基金項目：本文系常州市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點課題“高中生化學(xué)模型認(rèn)知能力培養(yǎng)的實踐研究”（課題編號：CJK-Z2020002）的階段性研究成果。