認(rèn)知模型助力“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)落地

張金偉 吳飛

摘? ?要：以人教版第四章“物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律”復(fù)習(xí)教學(xué)為例，以人體必需的微量元素硒（Se）為情境，運(yùn)用建立的“構(gòu)—位—性”宏微模型，解決預(yù)測(cè)陌生元素物質(zhì)性質(zhì)的問(wèn)題，并重點(diǎn)發(fā)展學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：中學(xué)化學(xué);宏觀辨識(shí)與微觀探析;認(rèn)知模型;元素周期律;物質(zhì)結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.8? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1009-010X（2021）20/23-0107-05

“宏觀辨識(shí)與微觀探析”位于五大化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的第一個(gè)維度，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科最具特征的認(rèn)識(shí)視角與思維視角。“宏觀辨識(shí)與微觀探析”素養(yǎng)的培養(yǎng)，其核心在于學(xué)生通過(guò)相關(guān)的化學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)，有意識(shí)地利用宏微結(jié)合的視角看待物質(zhì)世界的變化，然后發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題并創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，如此有助于學(xué)生化學(xué)學(xué)科觀念和思維方式的形成。

一、“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的內(nèi)涵以及思維意識(shí)

“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的內(nèi)涵：（1）能從不同層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)的多樣性，并對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分類(lèi);（2）能從元素和原子、分子水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，并形成“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”的觀念;（3）能從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實(shí)際問(wèn)題，并形成對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化、應(yīng)用及其關(guān)系的本質(zhì)認(rèn)識(shí)。

“宏觀辨識(shí)與微觀探析”的思維意識(shí)是指學(xué)生能夠自發(fā)地利用雙向思維來(lái)分析解決相關(guān)化學(xué)問(wèn)題，包括：（1）學(xué)生能從宏觀層面辨識(shí)物質(zhì)的形態(tài)及其變化現(xiàn)象，并能自發(fā)地從微觀角度解釋其本質(zhì)的心理傾向;（2）學(xué)生能從微觀層面探析物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)，并能在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步推斷、預(yù)測(cè)物質(zhì)的宏觀性質(zhì)的心理傾向，兩者相互關(guān)聯(lián)，形成了一個(gè)自發(fā)的思維回路。

二、“模型認(rèn)知”是培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”核心素養(yǎng)的有力途徑

化學(xué)學(xué)科研究的對(duì)象是分子、原子，屬于微觀層面，無(wú)法通過(guò)直觀感受感知。在自然科學(xué)的研究中，當(dāng)客觀對(duì)象不能被直接研究時(shí)，人們一般通過(guò)應(yīng)用科學(xué)方法，建立一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｐ蛠?lái)反映和代替該客觀對(duì)象，并通過(guò)研究這個(gè)模型來(lái)揭示客觀對(duì)象的形態(tài)、特征和本質(zhì)，這就是模型法。認(rèn)知模型可使具有微觀性和抽象性的研究實(shí)體或者過(guò)程“可視化”，也可使抽象的知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，進(jìn)而可培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

通過(guò)文獻(xiàn)檢索筆者發(fā)現(xiàn)，有關(guān)本章新授課教學(xué)設(shè)計(jì)的研究有很多，其中一些也比較新穎，但有關(guān)本章復(fù)習(xí)課教學(xué)設(shè)計(jì)的研究卻寥寥可數(shù)，現(xiàn)與本章復(fù)習(xí)教學(xué)設(shè)計(jì)相關(guān)的教學(xué)設(shè)計(jì)思路有以下幾類(lèi)：（1）采用研究性學(xué)習(xí)的方式，即由學(xué)生自己提出問(wèn)題，從微觀上解釋堿金屬、鹵族元素性質(zhì)遞變的原因，如此可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。（2）IMMEX—C系統(tǒng)在“元素周期律”復(fù)習(xí)課中的探究應(yīng)用，該系統(tǒng)可診斷學(xué)生在學(xué)習(xí)中的問(wèn)題，并促進(jìn)學(xué)生理解和應(yīng)用相關(guān)知識(shí)。（3）通過(guò)進(jìn)階式教學(xué)任務(wù)對(duì)“位—構(gòu)—性”模型和物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)知模型進(jìn)行建構(gòu)。（4）從“問(wèn)題先導(dǎo)”“圖像整合”“知識(shí)應(yīng)用”三方面進(jìn)行闡述，重視具體的實(shí)踐和價(jià)值體驗(yàn)，該法具有較高的創(chuàng)新性。

本文以人體必需的微量元素硒（Se）為情境，對(duì)“構(gòu)—位—性”認(rèn)知模型進(jìn)行再認(rèn)識(shí)、再深化，意在運(yùn)用模型解決問(wèn)題、揭示本質(zhì)。

三、教材分析

（一）構(gòu)建知識(shí)框架

“物質(zhì)結(jié)構(gòu) 元素周期律”該章內(nèi)容，概念較多，比較抽象，理論性也較強(qiáng)。本章的知識(shí)框架可以圖1來(lái)表示。

教材以原子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)原點(diǎn)向外發(fā)散出兩條明線：第一條明線從微觀粒子的結(jié)構(gòu)視角出發(fā)，意在使學(xué)生深刻理解元素間的內(nèi)在聯(lián)系，建立原子結(jié)構(gòu)與元素性質(zhì)的關(guān)系;認(rèn)識(shí)元素的性質(zhì)及其遞變規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)階式地建構(gòu)起對(duì)元素周期律的認(rèn)識(shí)，強(qiáng)化“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的觀念。第二條明線從微觀粒子相互作用的視角出發(fā)，在原子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探究物質(zhì)的構(gòu)成，認(rèn)識(shí)物質(zhì)的分類(lèi)及其變化，如此可深化學(xué)生對(duì)物質(zhì)及其變化的理解。

從宏觀角度自然轉(zhuǎn)入到微觀角度，如此可有效建立微粒觀、結(jié)構(gòu)觀，進(jìn)而可揭示出化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，并進(jìn)一步使學(xué)生感悟基礎(chǔ)理論對(duì)生產(chǎn)生活實(shí)踐的指導(dǎo)意義。同時(shí)這也為學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)原理、有機(jī)化學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（二）建立認(rèn)知模型

1.建立一個(gè)理解通道——結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。微觀層面：元素的原子結(jié)構(gòu)決定了元素的基本性質(zhì)，例如化合價(jià)（得電子顯示負(fù)電性，失電子顯示正電性）、金屬性或非金屬性等，把這些性質(zhì)歸納起來(lái)便是元素周期律;宏觀層面：在日常生活中我們觀察到的宏觀物質(zhì)具有不同的聚集狀態(tài)、不同的物理性質(zhì)和不同的化學(xué)性質(zhì)……這些宏觀性質(zhì)是由于物質(zhì)具有不同的結(jié)構(gòu)造成的。對(duì)此，教師可引領(lǐng)學(xué)生從化學(xué)鍵、分子間的作用力等微觀角度對(duì)其進(jìn)行探究。但無(wú)論是從哪個(gè)層面進(jìn)行研究，都應(yīng)該讓學(xué)生明白原子、分子是有結(jié)構(gòu)的，是化學(xué)鍵使這些具有結(jié)構(gòu)的原子、分子以一定的形式聚集在一起形成物質(zhì)，并表現(xiàn)出它該有的宏觀性質(zhì)，即我們常說(shuō)的：結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)（如圖2所示）。

2.構(gòu)建認(rèn)知模型——“構(gòu)—位—性”認(rèn)知模型和化學(xué)鍵認(rèn)知模型?！昂暧^辨識(shí)與微觀探析”是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，其要求學(xué)生從元素和原子、分子的水平認(rèn)識(shí)物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化。本節(jié)課構(gòu)建了“構(gòu)—位—性”宏微結(jié)合模型（構(gòu)：微觀結(jié)構(gòu)，通常包括原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)等;位：周期表中的位置;性：元素的主要性質(zhì)），并利用該模型預(yù)測(cè)未知元素的性質(zhì)，如此可使元素周期律的內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，促進(jìn)并發(fā)展學(xué)生的系統(tǒng)化思維，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)從化學(xué)學(xué)科知識(shí)向化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化?！皹?gòu)—位—性”認(rèn)知模型如圖3所示。

四、教學(xué)片段

教學(xué)環(huán)節(jié)1：創(chuàng)設(shè)情境，交流探討——建構(gòu)“構(gòu)—位—性”模型

【教師】在浙江新安江、龍游、諸葛三角地帶的土壤中含有豐富的硒元素。2000多年前姑蔑國(guó)就有富硒（Se）蓮子酒，富硒蓮子酒除了清爽的口感外，還能夠提高機(jī)體免疫力，預(yù)防腫瘤、肝病等的發(fā)生。

【設(shè)問(wèn)】Se的原子序數(shù)為34，請(qǐng)畫(huà)出Se原子的結(jié)構(gòu)示意圖，并分析Se原子得失電子的能力、金屬性和非金屬性如何？

【學(xué)生】根據(jù)核外電子的排布規(guī)律，得到Se

原子的結(jié)構(gòu)示意圖為：? ? ? ? ，最外層為6個(gè)電

子，因此易得到2個(gè)電子，達(dá)到8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。所以Se元素表現(xiàn)出一定的非金屬性。

【設(shè)問(wèn)】請(qǐng)你指出Se在周期表中的位置？

【學(xué)生】第四周期ⅥA 族。

【設(shè)問(wèn)】第三周期的S元素與Se為同一主族元素，從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，比較Se與S元素得電子能力以及非金屬性的強(qiáng)弱。

【學(xué)生】在最外層電子數(shù)相同的情況下，通過(guò)比較電子層數(shù)來(lái)分析元素原子得失電子的能力，Se的電子層較多，半徑較大，對(duì)外層電子的束縛能力減弱，所以得電子能力減弱。因此，Se的非金屬性比S弱。

【教師】研究其他周期的主族元素，也會(huì)得到類(lèi)似的結(jié)論。即同一主族元素，從上到下，核電荷數(shù)依次增多，原子半徑逐漸增大，失電子能力逐漸增強(qiáng)，得電子能力逐漸減弱，非金屬逐漸減弱，金屬性逐漸增強(qiáng)。我們只要建立“構(gòu)—位—性”模型，便能有效解決諸如此類(lèi)的問(wèn)題。

【設(shè)問(wèn)】Se是典型的半導(dǎo)體，Te是位于Se下一周期的同主族元素，它也能導(dǎo)電，有一些金屬的特性，那么其是否還有與O元素一樣的氧化性呢？請(qǐng)從原子結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析。

【學(xué)生】Te、Se兩者相比，Te元素的原子半徑增大，金屬性增強(qiáng)。Se是半導(dǎo)體，而Te已表現(xiàn)出一定的金屬性，還具有氧化性，只是氧化性比O元素弱。

【設(shè)問(wèn)】你是怎么分析推理的？

【學(xué)生】元素所在周期表的位置反映了它的結(jié)構(gòu)，而結(jié)構(gòu)決定了它的性質(zhì)。

【設(shè)計(jì)意圖】環(huán)節(jié)1以硒與人體健康的情境脈絡(luò)為背景，通過(guò)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生由結(jié)構(gòu)、位置去預(yù)測(cè)和解釋物質(zhì)的性質(zhì)，并依據(jù)宏觀事實(shí)去探究事物的微觀本質(zhì)，由此可內(nèi)化“構(gòu)—位—性”三者之間的邏輯關(guān)系，進(jìn)而可建立“構(gòu)—位—性”的宏微模型。本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)的目的是診斷和發(fā)展學(xué)生從宏觀事實(shí)去探析微觀本質(zhì)的素養(yǎng)以及探究性、推理性思維。

教學(xué)環(huán)節(jié)2：?jiǎn)栴}驅(qū)動(dòng)，分析推理——運(yùn)用模型分析預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)的性質(zhì)

【教師】硒在自然界中以有機(jī)硒和無(wú)機(jī)硒的形式存在，無(wú)機(jī)硒主要有硒酸鈉鹽和亞硒酸鈉鹽。

【設(shè)問(wèn)】你能根據(jù)Na2SO4、Na2SO3寫(xiě)出硒酸

鈉、亞硒酸鈉的化學(xué)式嗎？

【學(xué)生】硒酸鈉、亞硒酸鈉的化學(xué)式分別為：Na2SeO4、Na2SeO3。

【設(shè)問(wèn)】分別判斷Na2SeO4、Na2SeO3中Se元素的價(jià)態(tài)，并預(yù)測(cè)這兩種鹽可能具有的化學(xué)性質(zhì)。

【學(xué)生】Na2SeO4中Se元素為+6價(jià)，為最高

價(jià)態(tài)，具有氧化性，Na2SeO3中Se元素為+4價(jià)，為中間價(jià)態(tài)，具有氧化性和還原性。

【教師】Na2SeO4中的Se元素為+6價(jià)，具有氧化性，可被某些還原劑還原，可作殺蟲(chóng)劑和氧化劑。Na2SeO3中的Se元素為+4價(jià)，具有還原性，可用于治療缺Se導(dǎo)致的克山病，采取口服亞硒酸鈉的方式對(duì)其有預(yù)防效果。除此之外，亞硒酸鈉還是禽畜補(bǔ)硒的重要產(chǎn)品之一，可作為飼料添加劑使用。

【設(shè)問(wèn)】將SO2通入NaOH溶液中可制得

Na2SO3，仿照此法，選用合適的試劑制取Na2SeO3，并試寫(xiě)出反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【學(xué)生】S和Se為同主族元素，具有相似性，SO2和SeO2也具有相似性，所以可以用SeO2與NaOH溶液反應(yīng)得到Na2SeO3，其反應(yīng)方程式為： SeO2+2NaOH═Na2SeO3+H2O

【設(shè)問(wèn)】那么Se元素還有其他的價(jià)態(tài)嗎？能形成什么樣的物質(zhì)呢？

【學(xué)生】還有-2價(jià)的Se，可以形成H2Se、

Na2Se等類(lèi)型的物質(zhì)，還有單質(zhì)Se。

【教師】你能根據(jù)H2S的化學(xué)性質(zhì)預(yù)測(cè)H2Se的化學(xué)性質(zhì)嗎？

【學(xué)生】H2Se水溶液具有酸性、還原性，H2Se的熱穩(wěn)定性比H2S差。

【教師】硒酸H2SeO4為無(wú)色晶體，熔點(diǎn)為

330K，熔融時(shí)為濃的油狀液體，熱硒酸與濃鹽酸的混合液像王水一樣，可以溶解金、鉑。

【設(shè)問(wèn)】請(qǐng)預(yù)測(cè)硒酸H2SeO4其他可能具有

的性質(zhì)？硒酸的鋇鹽溶解性如何呢？

【學(xué)生】具有酸性、強(qiáng)氧化性。硒酸鋇與硫酸鋇一樣不溶于水。

【教師】SeO2為Se的一種常見(jiàn)氧化物，化學(xué)性質(zhì)與SO2相似，預(yù)測(cè)SeO2的性質(zhì)并試著完成Cl2與SeO2溶液反應(yīng)的化學(xué)方程式。

【學(xué)生】SeO2溶于水生成H2SeO3，可以和堿、某些鹽反應(yīng)，能發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

Cl2+SeO2+2H2O═H2SeO4+2HCl

【設(shè)計(jì)意圖】環(huán)節(jié)2仍以硒與人體健康的情境脈絡(luò)為背景，通過(guò)層層設(shè)疑，激發(fā)學(xué)生根據(jù)位置和結(jié)構(gòu)去推測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)，如此可進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生鞏固和理解相關(guān)模型。本環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和開(kāi)展有助于診斷學(xué)生對(duì)模型的理解程度，進(jìn)而可進(jìn)一步深化學(xué)生“宏觀辨識(shí)和微觀探析”“證據(jù)推理和模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

教學(xué)環(huán)節(jié)3：素材引導(dǎo)，遷移拓展——熟練運(yùn)用模型預(yù)測(cè)另一陌生元素的性質(zhì)

【素材】鍶（Sr）也是人體必需的微量元素，它是人體骨骼和牙齒的組成成分，鍶能促進(jìn)骨骼發(fā)育生長(zhǎng)，維持人體正常的生理功能，它在人體內(nèi)的代謝與鈣極為相似。

【教師】用途往往是由性質(zhì)決定的，鍶元素的性質(zhì)為什么會(huì)與鈣元素相似呢？（已知鍶是第38號(hào)主族元素）

【學(xué)生】鍶和鈣最外層都是2個(gè)電子，位于同一主族（ⅡA），因此化學(xué)性質(zhì)具有相似性。

【素材】但是長(zhǎng)期以來(lái)學(xué)者認(rèn)為，過(guò)量的鍶會(huì)干擾鈣的吸收與代謝，鍶可以代替骨骼中的鈣，而且比鈣更容易游離所以會(huì)導(dǎo)致一些疾病。

【教師】鍶元素和鈣元素的這些差異主要是什么原因?qū)е碌模?/p>

【學(xué)生】鍶元素在元素周期表中位于鈣元素的下方，金屬性比鈣強(qiáng)。

【設(shè)計(jì)意圖】以不同主族的元素為例，對(duì)

“構(gòu)—位—性”模型的應(yīng)用再深化，如此可讓學(xué)生深刻認(rèn)識(shí)元素周期律的強(qiáng)大生命力，體會(huì)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的深刻內(nèi)涵。

五、板書(shū)設(shè)計(jì)

六、總結(jié)

構(gòu)建認(rèn)知模型是復(fù)習(xí)課有效的教學(xué)手段，其可激發(fā)學(xué)生的思維，促進(jìn)知識(shí)外化于形，內(nèi)化于心，為解決同類(lèi)復(fù)習(xí)教學(xué)也提供了參考。在教學(xué)過(guò)程中，囿于時(shí)間限制，部分知識(shí)的歸納總結(jié)可放在課前完成，例如繪制元素主要化合價(jià)的遞變規(guī)律圖等。筆者認(rèn)為這部分知識(shí)相對(duì)理性，采用數(shù)形結(jié)合的方法比較符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。在學(xué)習(xí)元素周期律之前，學(xué)生對(duì)元素及其化合物這部分知識(shí)的感覺(jué)是抽象且零散的，本節(jié)課通過(guò)建模使該部分知識(shí)系統(tǒng)化且能被學(xué)生靈活遷移運(yùn)用，如此可讓知識(shí)由微觀到宏觀，由抽象到形象。通過(guò)有效設(shè)疑，可促進(jìn)學(xué)生在原有知識(shí)的基礎(chǔ)上更深入本質(zhì)，找到知識(shí)內(nèi)部的邏輯關(guān)系，這是建模的關(guān)鍵。