基于證據(jù)建構模型的教學實踐與反思

【摘 要】文章通過對課標、學情的分析，在單元整體規(guī)劃的基礎上，基于客觀事實、實驗現(xiàn)象、科技成果等各種證據(jù)，從定性到定量、靜態(tài)到動態(tài)、特殊到一般，建構離子鍵認知模型，探究氯化鈉結構模型，自主達成模型表征和模型應用，讓學習真正發(fā)生。

【關鍵詞】證據(jù);模型;離子鍵;學科核心素養(yǎng)

【作者簡介】葉躍娟，南潯高級中學副校長，高級教師，浙派名師培養(yǎng)人，曾榮獲全國競賽園丁獎、浙江省競賽園丁獎、全國優(yōu)質課一等獎等。

證據(jù)推理與模型認知是化學學科核心素養(yǎng)之一，是化學學科中的重要思想和方法?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課標）要求學生具有證據(jù)意識，能基于證據(jù)對物質組成、結構及其變化提出假設，通過分析推理加以證實或證偽;通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質和規(guī)律[1]?；瘜W鍵作為中學化學核心概念之一，是體現(xiàn)物質內部結構和決定物質性質的重要因素。構成離子鍵的微?？床灰娒恢?，大部分教師只習慣于讓學生記憶概念和知識，然后再利用習題鞏固知識并強化記憶，導致學生缺乏對離子鍵概念的建構和深度理解，不能關注概念的認識功能和價值?；诖耍P者通過對課標與學情的分析，在單元整體規(guī)劃基礎上充分挖掘和應用客觀事實、實驗現(xiàn)象、科技成果等證據(jù)，設計和實踐了人教版必修第一冊第四章第三節(jié)化學鍵中的第一課時“離子鍵”教學，深度建構離子鍵的認知模型，探究氯化鈉結構模型，讓學生自主達成模型表征和模型應用。

一、課標分析

課標中化學鍵屬于必修課程主題3 物質結構基礎與化學反應規(guī)律中的第2節(jié)內容。其內容要求（即學生應知什么）是認識構成物質的微粒之間存在相互作用，結合典型實例認識離子鍵和共價鍵的形成過程，建立化學鍵概念;認識化學鍵的斷裂和形成是化學反應中物質變化的實質及能量變化的主要原因。對應的學業(yè)要求（即學生學完本單元學習后能做什么）是能判斷簡單離子化合物和共價化合物中的化學鍵類型，能基于化學鍵解釋某些化學反應的熱效應。由此可知，化學鍵之于高中化學教學的重要性，不僅在于要求學生掌握離子鍵、離子化合物、化學鍵、共價鍵、共價化合物等概念，會用電子式表征這些物質及物質的形成過程，更重要的是能用化學鍵這一微觀視角解釋或預測物質的某些性質，解釋物質發(fā)生化學反應的本質以及化學反應伴隨能量變化的內在原因，增加對物質轉化與化學反應的理解，發(fā)展微粒觀、變化觀、守恒觀等學科觀念，形成結構決定性質、性質體現(xiàn)結構的學科思想。另外，必修課程中化學鍵對應的學業(yè)質量水平是2-1，因此，教學中重點要落實的學科核心素養(yǎng)是宏觀辨識與微觀探析、證據(jù)推理與模型認知。

二、學習目標

在學習化學鍵之前，學生已經(jīng)知道分子、原子、離子是構成物質的基本粒子，知道化學變化是原子的重新組合，知道物質發(fā)生化學變化時伴隨著能量變化。在“氧化還原反應”的學習中，學生已知道氧化還原反應的本質是反應中有電子轉移，知道原子之間的重新組合與原子的最外層電子有關。在教學中，教師需要突破的是根據(jù)各種證據(jù)深度建構和發(fā)展原子或離子是怎樣結合形成分子或物質的，化學變化中原子重新組合的實質和原因是什么，化學變化中為什么會伴隨能量變化等。從化學鍵的角度看物質及其變化，綜合地認識化學鍵與物質結構、性質的關系以及化學鍵與化學反應的關系。在符號表征方面也要從化學式轉向電子式。結合教材內容，化學鍵單元教學安排2個課時，第1課時重點是從離子鍵角度認識物質性質及物質轉化，通過各種證據(jù)幫助學生構建離子鍵的認知模型，促進學生從能量的角度認識離子鍵的形成過程及其符號表征;第2課時重點是從共價鍵角度認識化學反應，形成化學鍵、共價鍵、共價化合物等概念，促進學生進一步將化學鍵知識作為分析和解決問題的工具，從化學鍵的微觀視角認識化學反應及物質的轉化的本質。結合以上分析，可確定第1課時“離子鍵”的學習目標為以下幾個方面。

1.通過實驗現(xiàn)象、科學數(shù)據(jù)、科技成果等證據(jù)感受離子鍵的存在，分析氯化鈉中陰、陽離子間的相互作用，能從靜電本質，定性到定量、物質變化到能量變化的角度認識離子鍵，并能從微觀視角分析宏觀的現(xiàn)象。

2.通過動手搭建氯化鈉晶體結構模型，并與X射線衍射實驗模型進行比較，從而達到微觀結構宏觀化，隱性思維顯性化。

3.通過尋找更科學、簡潔的符號表示氯化鈉的形成過程，實現(xiàn)化學式到電子式的表征方式的轉變，感受化學用語的魅力。

4.通過對氯化鈉的某些性質和現(xiàn)象的原因分析等活動，感受離子鍵的功能價值，進一步強化結構決定性質，性質體現(xiàn)結構的學科觀念。

三、教學流程

基于證據(jù)建構模型的教學設計，往往離不開科學探究，需要以具體的客觀事實為載體。在客觀事實中發(fā)現(xiàn)化學問題，通過實驗、數(shù)據(jù)、科學技術等證據(jù)推理論證，從而建構新的認知模型，并運用模型解決實際問題。然而學生對于概念的認識不是一步到位的，在應用模型的過程中，需要我們不斷提供新的證據(jù)來鞏固、發(fā)展模型。在整個教學過程中凸顯“結構決定性質”的學科觀念，實現(xiàn)認知的突破，能力的提升，素養(yǎng)的落實?；谧C據(jù)建構模型的教學流程，如圖1所示。

四、教學過程

環(huán)節(jié)一：建構離子鍵認知模型

演示實驗1——氯化鈉導電實驗

思考：為什么固體氯化鈉固體不導電而在熔融狀態(tài)下能導電？

生1：因為氯化鈉固體中Na+和Cl-不能自由移動，加熱融化后才產生自由移動的Na+和Cl-。

生2：說明Na+和Cl-之間存在作用力，破壞這種作用力需要很大的能量。

演示實驗2——鈉在氯氣中燃燒

思考：為什么鈉可以在氯氣中劇烈燃燒并放出大量的熱？請用結構示意圖表示氯化鈉的形成過程。

學生作圖（如圖3）。

教師在教學中展示以下資料：如圖4，1mol氣態(tài)鈉原子形成1mol氣態(tài)鈉離子要吸收496kJ能量，1mol氣態(tài)氯原子形成1mol氣態(tài)氯離子要放出348.7kJ能量。

思考：根據(jù)1mol氣態(tài)鈉原子形成1mol氣態(tài)Na+時吸收的能量比1mol氣態(tài)氯原子形成1mol氣態(tài)Cl-放出的能量多147.3kJ，該過程是吸熱的，但為什么鈉和氯氣反應會放熱呢？

生：Na+帶正電荷，Cl-帶負電荷，相反電荷的離子間具有靜電引力，陰、陽離子靠近時會釋放出能量。

資料展示：如圖5為Na+與Cl-之間的核間距與體系能量變化曲線圖。

思考：科學家研究發(fā)現(xiàn)，帶相反電荷的陰、陽離子相互接近時，因電性相反會存在靜電引力，距離越近，能量越低。為什么Na+和Cl-靠近到一定程度后體系能量又會升高呢？

生：Na+和Cl-之間還存在靜電斥力。隨著陰、陽離子的靠近，原子核與原子核、電子與電子之間的斥力逐漸增大，當靜電引力等于靜電斥力時，整個體系的能量最低，相互間形成了穩(wěn)定的化合物。

師：這種穩(wěn)定的化合物就是離子化合物，構成離子化合之間的相互作用力就是離子鍵。大家能給離子鍵和離子化合物下定義嗎？

生1：陰、陽離子之間的相互作用就是離子鍵。

生2：這種相互作用包含靜電引力和靜電斥力，而且作用力比較大。

生3：通過離子鍵構成的化合物叫作離子化合物。

【設計意圖】通過實驗事實、科學數(shù)據(jù)等證據(jù)素材，引導學生開展概括關聯(lián)、分析推理等活動，從宏觀到微觀，從定性到定量，從靜態(tài)到動態(tài)，分析離子鍵的成鍵過程，深刻認識離子鍵本質，自主形成離子鍵、離子化合物等概念。同時幫助學生轉變陰、陽離子間只有靜電引力的認知偏差，促進學生深度學習。

環(huán)節(jié)二：建構氯化鈉晶體結構模型

教師出示氯化鈉晶體實物，并用綠球代表氯離子（Cl-）、橙球代表鈉離子（Na+），教師請各小組嘗試合作拼出氯化鈉晶體的微觀結構模型，并請各小組代表發(fā)言。

生1：一個鈉離子和一個氯離子通過離子鍵形成氯化鈉晶體。如圖6（1）。

生2：不對，一個鈉離子的上、下、左、右、前、后都可以與氯離子形成離子鍵，所以氯化鈉晶體結構應該是如圖6（2）。

生3：一個氯離子的上、下、左、右、前、后也都可以與鈉離子形成離子鍵，所以氯化鈉晶體結構也可以是如圖6（3）。

生4：氯化鈉晶體呈電中性，而且離子的半徑大約只有10-12m，氯化鈉晶體應該由許許多多的鈉離子和氯離子通過許許多多離子鍵結合而成，所以我們可以把許多個圖6（2）和圖6（3）疊加成圖6（4）。

資料展示：科學家通過X-射線衍射實驗，得到氯化鈉晶體單元結構如圖7。

【設計意圖】應用離子鍵認知模型，動手搭建氯化鈉晶體結構模型，將微觀結構宏觀化，隱性思維顯性化，最后通過科學技術證實，從而形成新的離子化合物的結構模型。

環(huán)節(jié)三：表征離子鍵的形成過程

問題思考：用原子結構示意圖（如圖3）表示離子鍵的形成過程清晰、直觀，但比較煩瑣，你能用更簡潔的符號表示氯化鈉的形成過程嗎？

通過以上問題思考，教師組織學生進行如下教學活動。

1.交流討論原子、陽離子、陰離子、離子化合物、離子化合物形成過程的電子式表示方法。

2.練習鈉原子、氯原子、鈉離子、氯離子、氯化鈉的電子式書寫，并用電子式表示氯化鈉的形成過程。

生：如圖8，用點和叉表示原子最外層電子，因為化學反應只與原子的最外層電子有關。彎剪頭表示鈉原子把電子給了氯原子。

【設計意圖】通過自學和交流討論，學生自主發(fā)現(xiàn)電子式在表達離子化合物及離子化合物形成過程中的優(yōu)點，自覺轉變化學式表征到電子式表征，培養(yǎng)符號表征的能力，感受化學用語的魅力和意義。

環(huán)節(jié)四：運用模型解決問題

教師引導學生運用模型解決以下問題。

1.為什么氯化鈉晶體硬度較大，難以粉碎？為什么氯化鈉的熔沸點較高？已知AlCl3的熔點為190℃，178℃升華，AlCl3是離子化合物嗎？

2.工業(yè)冶煉鈉、鎂、鋁三種金屬的原料選擇有何不同？結合以下資料卡分析。

資料卡：

①工業(yè)冶煉鈉的原理：2NaCl（熔融）電解2Na+Cl2↑，NaCl的熔點為801℃，Na2O的熔點為1275℃。

②工業(yè)冶煉鎂的原理：MgCl2（熔融）電解Mg+Cl2↑，MgCl2的熔點為712℃，MgO的熔點為2852℃。

③工業(yè)冶煉鋁的原理：2Al2O3（熔融）電解4Al+3O2↑，AlCl3的熔點為190℃，178℃升華，Al2O3的熔點為2054℃。

生1：氯化鈉中存在離子鍵，硬度大、熔沸點高;氯化鋁中應該不存在離子鍵，不屬于離子化合物，所以熔點低，易升華。

生2：NaCl、Na2O、MgCl2、MgO、Al2O3都是離子化合物，在熔融狀態(tài)下能導電，可以通過電解制備其單質，但考慮到熔點越高成本越大，所以選擇熔點較低的NaCl、MgCl2。AlCl3不是離子化合物，故只能選擇Al2O3。

【設計意圖】運用離子鍵模型對氯化鈉等離子化合物的熔點高、硬度大的特點，制備鈉、鎂、鋁等活潑金屬反應物，解決生產生活中的實際問題，讓學生感受離子鍵在解釋和預測物質某些性質的功能價值，幫助學生進一步形成微觀結構決定宏觀性質、宏觀性質體現(xiàn)微觀結構的學科思想和觀念。

五、教學反思

1.讓學生經(jīng)歷知識產生的過程與方法，發(fā)展關鍵能力

科學探究的核心是科學知識的生成和論證，讓學生經(jīng)歷科學知識產生的過程與方法是“證據(jù)推理與模型認知”的前提條件。本節(jié)課，教師讓學生自主經(jīng)歷、建構概念的過程，讓學生“自己教育自己”、建立“學習共同體環(huán)境”[2]。教學中學生展示自己建模的過程，表達自己的模型優(yōu)劣，不斷激活學生自我教育的潛能，這也是核心素養(yǎng)背景下關鍵能力發(fā)展的必然要求。

2.設計邏輯合理的教學環(huán)節(jié)，讓證據(jù)推理富有層次

科學探索的過程從來都不是一蹴而就的，而是由點到面，由局部到整體的過程，認知過程也是這樣。

在教學實踐中，證據(jù)往往是不完善的，許多的證據(jù)只能體現(xiàn)化學原理一部分的“面貌”，能實現(xiàn)教學環(huán)節(jié)的部分功能。這就要求教師在設計教學時，要充分考慮這些環(huán)節(jié)和證據(jù)之間的邏輯關系，讓學生體驗科學發(fā)現(xiàn)的過程，在對證據(jù)抽絲剝繭的分析中認知規(guī)律，在證據(jù)推理中形成模型，在應用模型中完善模型，在完善模型的過程中尋找更多的證據(jù)，從而形成教學的螺旋式發(fā)展。

3.基于證據(jù)建構模型的教學，體現(xiàn)學科價值

課標要求基于證據(jù)建構模型的教學，實現(xiàn)學科思想和方法。其最高水平為要求學生能夠遷移、分析和評價化學知識，要揭示更高層次的價值追求。在形成、應用模型的過程中要注重體現(xiàn)結構決定性質的學科觀念來解釋化學現(xiàn)象、應用化學規(guī)律。在解決問題的過程中，逐步提升“證據(jù)推理與模型認知”的水平等級，在鞏固模型的同時也要牢固確立知識的學習要服務于學生思維的發(fā)展[3]。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]布蘭斯福特，等.人是如何學習的：大腦、心理、經(jīng)驗及學校（擴展版）[M].程可拉，孫亞玲，王旭卿，譯.上海：華東師范大學出版社，2013.

[3]王利國.基于“證據(jù)推理與模型認知”的高三復習教學：以“洗滌劑的選擇”為例[J].中學化學教學參考，2019（5）：31-34.

（責任編輯：陸順演）