基于提升學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)初探

來云

摘要：模型與建模教學(xué)是基于建構(gòu)主義理論的有效教學(xué)方法之一，而“模型認(rèn)知”素養(yǎng)是新課程標(biāo)準(zhǔn)提出的素養(yǎng)要求。文章通過探討模型與建模教學(xué)在“化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能”中的應(yīng)用，重點分析了模型建構(gòu)的一般過程，提升了學(xué)生把握化學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)的能力和解決問題的能力，同時也提升了學(xué)生“模型認(rèn)知”的學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：化學(xué)情境;要素;化學(xué)模型;建模思想;原電池

文章編號：1008-0546（ 2021）01-0006-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2021.01.002

一、問題的提出

模型與建模教學(xué)在國外很早就開始了研究，1989年美國出版了《面向全體美國人的科學(xué)》，其中提出的跨學(xué)科整合理解的四大主題之一就是模型教學(xué)。David Hodson在20世紀(jì)80年代最早提出了化學(xué)模型與建模教學(xué)，我國也有很多學(xué)者和化學(xué)教師進(jìn)行了化學(xué)模型與建模教學(xué)研究。

2017版的《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中，詳細(xì)闡述了學(xué)科核心素養(yǎng)與課程目標(biāo)，其中素養(yǎng)3就提出了證據(jù)推理與模型認(rèn)知，正式對模型教學(xué)提出了明確的要求。

化學(xué)是在分子、原子的角度看待客觀世界的學(xué)科，讓學(xué)生對已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗進(jìn)行歸納、總結(jié)，從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，建立具體的化學(xué)模型，再用具體的化學(xué)模型與實際問題相匹配或遷移，有助于學(xué)生運用化學(xué)視角看待和處理各類問題，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生良好的思維習(xí)慣、提升學(xué)生解決問題能力。

此外，近幾年化學(xué)的等級考察制，使得化學(xué)學(xué)時減少，在教學(xué)內(nèi)容沒有減少的情況下，學(xué)生學(xué)習(xí)的難度增大。學(xué)生利用模型學(xué)習(xí)可以精準(zhǔn)地解決一些難題，不僅能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，更能提高學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的信心。

二、模型構(gòu)建的歷程

1.模型

所謂模型，就是以對象原型的各項認(rèn)知特征為樣本、標(biāo)準(zhǔn)或基準(zhǔn)進(jìn)行模擬之后的“凝固了的”概念或理論。王彤等老師依據(jù)模型的對象和表現(xiàn)方式的不同，將化學(xué)教學(xué)中的模型分為三類：物質(zhì)模型、想象模型和符號模型。本文則將模型分為實物模型和思維模型。所謂實物模型，是指學(xué)生能看得見、摸得著的物體模型。例如實驗裝置、晶胞模型、有機(jī)物的球棍模型、比例模型等。思維模型則是在分析和解決化學(xué)問題時，用化學(xué)用語、化學(xué)方法等從復(fù)雜的化學(xué)問題、條件和現(xiàn)象中經(jīng)過簡化、抽象得出解決問題的思維歷程。由于有些化學(xué)問題較為復(fù)雜，所以還有一些模型是兼有多種特點的綜合模型。

2.模型建構(gòu)教學(xué)

關(guān)于化學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)，是基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的一種教學(xué)方式，是學(xué)生站在化學(xué)視角上，主動對未知的化學(xué)知識、化學(xué)情境及化學(xué)問題進(jìn)行分析與學(xué)習(xí)的過程。1996年Ibrahim Halloun將基于模型的問題解決和教學(xué)過程分為（如圖1）五個階段[1]。

筆者根據(jù)教學(xué)的實際過程以及學(xué)生思維的一般過程，建議引導(dǎo)學(xué)生按照以下的流程來進(jìn)行，主要分為五個環(huán)節(jié)：了解化學(xué)情境、分析化學(xué)要素、匹配已有模型、建構(gòu)新型模型、驗證新型模型，具體流程可以用圖2表示。

這種建構(gòu)化學(xué)模型的過程，比較符合學(xué)生實際操作的過程。其關(guān)鍵在于用化學(xué)學(xué)科眼光看待客觀問題，并從中提取化學(xué)要素，形成主干結(jié)構(gòu)。這個過程是透過現(xiàn)象看本質(zhì)的一個過程，難度較大，也是教師在教學(xué)過程中要重點花時間突破的過程。

三、模型建構(gòu)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.從情境到要素

化學(xué)情境也是化學(xué)現(xiàn)象，是化學(xué)視角下客觀世界的一種反映。高一化學(xué)蘇教版《必修二》中關(guān)于“化學(xué)能與電能的轉(zhuǎn)化”部分的內(nèi)容，學(xué)生學(xué)習(xí)起來有比較大的難度，需要教師設(shè)計合理的教學(xué)方法促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)。首先教師要選擇合適的化學(xué)情境，所以教師給同學(xué)們展示了“伽發(fā)尼青蛙實驗”，一只已經(jīng)死亡的被解剖的青蛙，當(dāng)用金屬絲觸及蛙腿上的外露神經(jīng)時，青蛙腿會發(fā)生劇烈的痙攣。這是一種客觀現(xiàn)象，結(jié)合同學(xué)們對電擊急救的認(rèn)識，不難發(fā)現(xiàn)，之所以會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，主要是因為產(chǎn)生了電流。如果用化學(xué)學(xué)科眼光來看待這種客觀現(xiàn)象的話，就是電流是通過何種反應(yīng)產(chǎn)生的。由此可以得出，電流就是這個情境的要素。當(dāng)然，引起電流產(chǎn)生的金屬絲和青蛙腿也是要素。所謂“要素”就是化學(xué)情境中的關(guān)鍵事件，可以是某種物質(zhì)，也可以是某個操作或是某種關(guān)系等。

2.從要素到模型匹配

當(dāng)教師引導(dǎo)學(xué)生將化學(xué)情境中的要素抽離出來以后，學(xué)生自然就會在已有的知識體系中搜索原有的模型，如果有相似的，就會自動帶人分析。例如，當(dāng)看到某種金屬與鹽酸反應(yīng)產(chǎn)生大量氣泡時，同學(xué)們就會自動聯(lián)系到金屬活動性順序表，鋅、鐵等氫元素之前的金屬都能置換出氫氣，所以這種金屬就會縮小了范圍，這就是匹配原有模型之后的自動分析，縮短了問題解決的時間。

3.建構(gòu)新型模型

新課教學(xué)時，更多的是一下子沒有找到相似模型，學(xué)生遇到這種情況，可能思維混亂，急于突破，而這種“求而不得”正是學(xué)生學(xué)習(xí)的動力。此時，需要教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行新型模型的建構(gòu)。例如，分析“伽伐尼青蛙實驗”中電流、金屬絲及青蛙腿這三個要素，學(xué)生沒有接觸過類似的模型，因為化學(xué)學(xué)習(xí)中電流還沒有涉及到。教師可以從形成電流的原因——電子的定向流動著手，設(shè)計這樣幾個關(guān)鍵問題：

①如何才能產(chǎn)生電子呢？結(jié)合高一學(xué)過的氧化還原知識，學(xué)生可以分析出氧化還原反應(yīng)中有電子的轉(zhuǎn)移。此時教師可以將鋅棒放置在稀鹽酸中，觀察到液面下鋅片表面產(chǎn)生氣泡。

②有電子是不是就有電流呢？教師引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，并進(jìn)行推理，氣泡主要在液面下鋅片表面產(chǎn)生，鋅片是電子的給與者，而氫離子是電子的接受者，電子是在鋅片表面發(fā)生了直接交換，也就說明了電子沒有定向流動。

③如何才能讓電子能定向移動起來呢？在這里教師可以用鉛筆等物品進(jìn)行兩種示范，一是面對面的交給一個學(xué)生，一是讓離得較遠(yuǎn)的學(xué)生傳遞過來。不難發(fā)現(xiàn)第二種情況物品有了明顯的定向移動。那在反應(yīng)中如何實現(xiàn)這種電子的定向移動呢？學(xué)生自然而然就想到用導(dǎo)線了。此時借助實物模型，讓學(xué)生進(jìn)行分組實驗，用鋅片、銅片、導(dǎo)線、電流計和稀硫酸等搭建能產(chǎn)生電流的裝置。結(jié)合同學(xué)們實驗過程中的成敗原因分析，得出下列原電池模型，如圖3所示。

④形成原電池需要哪些條件呢？用鋅片、銅片、導(dǎo)線、電流計和稀硫酸等搭建能產(chǎn)生電流的裝置，那么用其他試劑和用品是不是也能搭建原電池裝置呢？這里就要以氧化還原反應(yīng)為中心，對原電池的構(gòu)成條件進(jìn)行深入的分析：活潑金屬在反應(yīng)中易失去電子，做負(fù)極;得到電子的可以是溶液中的陽離子，所以需要電解質(zhì)溶液;連接導(dǎo)線需要一種不太活潑的金屬或非金屬，雖然不一定參加反應(yīng)，充當(dāng)正極材料;所有這些材料還要相互連接，形成閉合的回路。

圖3是反映原電池裝置的符號表征模型，只是對銅鋅原電池的表征。而圖4則是在分析了原電池的形成條件之后，建構(gòu)的原電池的要素結(jié)構(gòu)模型，更能反映原電池的一般規(guī)律，也就是我們希望建立的新模型。

建構(gòu)新型模型的過程是模型教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，需要學(xué)生在抽出化學(xué)情境中各個要素的基礎(chǔ)上，理清各要素之間的關(guān)系，并且建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，也是教學(xué)中的難點，教師要以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，借助問題導(dǎo)學(xué)、實驗演示、情景模擬等教學(xué)方法幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.驗證和修正新模型

建立新型模型的目的在于解決新的問題，同學(xué)們要學(xué)會把解決模型問題中的分析方法或程序步驟遷移至待解決的問題中，從而形成解決實際問題的方案，所以模型應(yīng)用的本質(zhì)就是轉(zhuǎn)化。而驗證模型的過程其實就是解決新問題的過程，在解決新問題的過程中發(fā)現(xiàn)模型的不足之處，進(jìn)而進(jìn)行修正，使其能適應(yīng)更多的化學(xué)情境，解決更多的化學(xué)問題。

例如，在驗證原電池的模型時，可以讓同學(xué)們分析Fe-Cu-濃HNO3原電池的電池反應(yīng)及正負(fù)極，如圖5所示。

同學(xué)們在應(yīng)用模型解決問題時，會分析Fe為活潑金屬做負(fù)極，而Cu沒有鐵活潑，所以做正極。這種思維模型本來是沒錯的，但是真實的情況是鐵遇冷的濃硝酸會鈍化，真正能持續(xù)反應(yīng)的是銅，所以此情境下負(fù)極就是銅，而正極是鐵，這就對前面建立的新型模型有了進(jìn)一步的修正：判斷負(fù)極的真正方法是根據(jù)原電池反應(yīng)，其中真正反應(yīng)失電子的物質(zhì)作為負(fù)極。這樣就得到了適用性更強(qiáng)的新型模型，如圖6所示。

打鐵趁熱，此時還可以讓同學(xué)們分析如圖7所示的H2-O2-H2SO4或是H2-O2-NaOH的電池反應(yīng)及正負(fù)極。同學(xué)們應(yīng)用模型分析不難發(fā)現(xiàn)，不論是用硫酸做電解質(zhì)還是用氫氧化鈉溶液做電解質(zhì)，真正失電子的物質(zhì)都是氫氣，而得電子的物質(zhì)是氧氣，說明負(fù)極是氫氣發(fā)生反應(yīng)，正極是氧氣發(fā)生反應(yīng)，Pt電極僅僅是載體，起到導(dǎo)電的作用。也就是說電極材料本身并不一定要參加原電池反應(yīng)。除了氫氣與氧氣反應(yīng)時能失電子以外，甲烷、甲醇等還原性氣體也能與氧氣反應(yīng)失電子，如圖8所示。同時反應(yīng)中能得電子的也不一定就是氧氣，還可以是NO2、N2O4等氧化性氣體，電解質(zhì)除了水溶液之外，還可以是熔融鹽等非水溶液。像這種以燃料燃燒為反應(yīng)原理的原電池就是燃料電池，這樣就建立了如圖9所示的燃料電池模型。子，做負(fù)極;得到電子的可以是溶液中的陽離子，所以需要電解質(zhì)溶液;連接導(dǎo)線需要一種不太活潑的金屬或非金屬，雖然不一定參加反應(yīng)，充當(dāng)正極材料;所有這些材料還要相互連接，形成閉合的回路。

圖3是反映原電池裝置的符號表征模型，只是對銅鋅原電池的表征。而圖4則是在分析了原電池的形成條件之后，建構(gòu)的原電池的要素結(jié)構(gòu)模型，更能反映原電池的一般規(guī)律，也就是我們希望建立的新模型。

建構(gòu)新型模型的過程是模型教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，需要學(xué)生在抽出化學(xué)情境中各個要素的基礎(chǔ)上，理清各要素之間的關(guān)系，并且建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，也是教學(xué)中的難點，教師要以建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)，借助問題導(dǎo)學(xué)、實驗演示、情景模擬等教學(xué)方法幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.驗證和修正新模型

建立新型模型的目的在于解決新的問題，同學(xué)們要學(xué)會把解決模型問題中的分析方法或程序步驟遷移至待解決的問題中，從而形成解決實際問題的方案，所以模型應(yīng)用的本質(zhì)就是轉(zhuǎn)化。而驗證模型的過程其實就是解決新問題的過程，在解決新問題的過程中發(fā)現(xiàn)模型的不足之處，進(jìn)而進(jìn)行修正，使其能適應(yīng)更多的化學(xué)情境，解決更多的化學(xué)問題。

例如，在驗證原電池的模型時，可以讓同學(xué)們分析Fe-Cu-濃HNO3原電池的電池反應(yīng)及正負(fù)極，如圖5所示。

同學(xué)們在應(yīng)用模型解決問題時，會分析Fe為活潑金屬做負(fù)極，而Cu沒有鐵活潑，所以做正極。這種思維模型本來是沒錯的，但是真實的情況是鐵遇冷的濃硝酸會鈍化，真正能持續(xù)反應(yīng)的是銅，所以此情境下負(fù)極就是銅，而正極是鐵，這就對前面建立的新型模型有了進(jìn)一步的修正：判斷負(fù)極的真正方法是根據(jù)原電池反應(yīng)，其中真正反應(yīng)失電子的物質(zhì)作為負(fù)極。這樣就得到了適用性更強(qiáng)的新型模型，如圖6所示。

打鐵趁熱，此時還可以讓同學(xué)們分析如圖7所示的H2-O2-H2SO4或是H2-O2-NaOH的電池反應(yīng)及正負(fù)極。同學(xué)們應(yīng)用模型分析不難發(fā)現(xiàn)，不論是用硫酸做電解質(zhì)還是用氫氧化鈉溶液做電解質(zhì)，真正失電子的物質(zhì)都是氫氣，而得電子的物質(zhì)是氧氣，說明負(fù)極是氫氣發(fā)生反應(yīng)，正極是氧氣發(fā)生反應(yīng)，Pt電極僅僅是載體，起到導(dǎo)電的作用。也就是說電極材料本身并不一定要參加原電池反應(yīng)。除了氫氣與氧氣反應(yīng)時能失電子以外，甲烷、甲醇等還原性氣體也能與氧氣反應(yīng)失電子，如圖8所示。同時反應(yīng)中能得電子的也不一定就是氧氣，還可以是NO2、N2O4等氧化性氣體，電解質(zhì)除了水溶液之外，還可以是熔融鹽等非水溶液。像這種以燃料燃燒為反應(yīng)原理的原電池就是燃料電池，這樣就建立了如圖9所示的燃料電池模型。

5.應(yīng)用模型解決問題

電化學(xué)知識是高中階段化學(xué)原理的重要組成部分，原電池知識是其重要的組成之一，也是同學(xué)們比較難掌握的一個部分。因為原電池的形式變化非常大，新型電池不斷涌現(xiàn)，從普通的鋅錳電池到燃料電池，再到熔融鹽電池和固體電解質(zhì)電池等，同學(xué)們應(yīng)接不暇。怎么才能讓同學(xué)們撥開現(xiàn)象看本質(zhì)呢？在此教學(xué)過程中建議教師要用建模思想來進(jìn)行教學(xué)，而同學(xué)們則要用模型思維來分析問題。模型就是化學(xué)現(xiàn)象中各要素的結(jié)構(gòu)關(guān)系，正是對現(xiàn)象本質(zhì)的反映。綜合以上所有的原電池模型不難發(fā)現(xiàn)，不論原電池的形式如何變化，始終離不開正負(fù)極失電子和正極得電子的過程。這樣就幫助同學(xué)們化繁為簡，有助于問題的解決。

提高學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，可以在教學(xué)中逐漸用建模教學(xué)，這不僅是教學(xué)中最有效的方法之一，更是提升學(xué)生認(rèn)知能力的有效方法之一。學(xué)生通過對已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗進(jìn)行歸納和總結(jié)，從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，建構(gòu)具體的化學(xué)模型，再用新建的化學(xué)模型與實際問題相匹配或遷移，從而達(dá)到解決問題的目的[2]。

參考文獻(xiàn)

[1] 張美芳，建模思想在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015，11-14，25-26

[2]傅永超，王祖浩.基于科學(xué)建模的化學(xué)教學(xué)設(shè)計——以“燃燒的條件”為例[J].化學(xué)教學(xué)，2020（4）：41-45