模型認知在元素化合物教學中的運用

劉瑾

[摘 要]元素化合物知識比較抽象，利用模型認知能夠讓學生更好地去理解。模型可以輔助學生分析解決元素化合物的問題，描述、推理和計算相關的關鍵量，提高學生對圖形的辨別能力以及圖文轉換能力。

[關鍵詞]模型認知;元素化合物;運用

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）35-0075-03

元素化合物知識是高中化學的一個重要組成部分，其內(nèi)容較多且零散，所以學生識記比較困難。為了讓學生能夠更高效地學習元素化合物知識，教師需要采用合適的方法去講解這部分知識。模型認知就是一個很好的方法。通過建立各種模型把元素化合物知識形象化，讓學生更加直觀地認識元素化合物的結構，從而更好地掌握元素化合物知識，提高學習效率。

一、元素化合物的教學特點

元素化合物知識點多、涉及面廣，其中大部分都是描述性知識和識記性知識，具有難、雜、散、亂的特點，所以學生很難全面準確地掌握。同時元素化合物知識又具有邏輯性和連貫性，若舊知識掌握不扎實，會對新知識的學習造成阻礙。在元素化合物教學中，教師往往都是從原子結構入手，根據(jù)結構推測元素化合物可能具有的性質(zhì)，然后通過實驗驗證推測的科學性，最后依據(jù)“結構決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”引出物質(zhì)的存在和應用。對于該部分知識，學生上課雖然聽懂了，但是課后卻不會應用。

二、元素化合物教學中存在的問題

（一）教師的教學方法不夠恰當

化學教學中對模型認知的運用相對其他學科來說較少。相關研究表明，大多數(shù)化學教師仍然以課本中的知識框架為主，缺乏對模型認知的運用，忽略模型的構建，導致學生只能被動接受、機械記憶，因此學生的學習效率較低，教學質(zhì)量難有提升。當前的化學教學，重心偏向如何讓學生在考試中獲得高分，這一應試教育理念已成為學生學習路上的絆腳石。部分教師的教學方法單一、落后，讓學生逐漸失去學習化學的興趣;部分教師的教學模式比較死板，使學生成為只會做題的“機器”，無法運用所學知識解決生活問題。這樣的課堂教學偏離了化學教學的初衷，導致學生失去探索新知識的樂趣，難以體會學習化學的價值。

（二）學生的學習方法不夠恰當

化學學科以實驗為基礎，知識點多且分散，大量的知識需要識記，特別是元素化合物知識涉及面廣，既和反應原理及物質(zhì)結構等知識相關聯(lián)，又與現(xiàn)代生活緊密聯(lián)系，這就需要學生具備一定的邏輯推理能力，所以這部分知識是學生學習的難點。在學習元素化合物時，學生因為沒有運用模型認知的方法進行分類整理，只是進行生搬硬套，所以很難厘清元素化合物知識結構，經(jīng)常記混、記漏，解題時也不知從何入手。

三、模型認知在元素化合物教學中的運用

《普通高中化學課程標準（2017 年版）》將“證據(jù)推理與模型認知”列為化學學科核心素養(yǎng)之一?！白C據(jù)推理與模型認知”核心素養(yǎng)要求學生根據(jù)所學知識提出問題，然后通過各種途徑收集證據(jù)，再根據(jù)證據(jù)提出假設并進行推理論證，最后根據(jù)所學的化學物質(zhì)的性質(zhì)和特點構建模型，并運用模型解決實際問題[1]。模型認知有助于學生理解化學抽象知識，揭示化學客觀規(guī)律。

（一）建立物理模型

學生對新知識的學習是建立在原有知識的基礎之上的。只有當學生將知識與經(jīng)驗聯(lián)系起來，在頭腦中建立形象的模型，對知識既有感性認識又有理性認識，才能形成完善的知識體系。物理模型的建立可以使抽象的概念變得直觀，借助物理模型學生可以較好地建立知識鏈接，更好地學習元素化合物知識[2]。

在引導學生學習元素化合物時，教師可以讓學生準備一些由橡皮泥捏成的小球和一些小棍，然后利用這些材料構建球棍模型，把化合物表現(xiàn)出來，由此讓學生更加直觀地了解元素化合物的結構特點。例如，在教學“甲烷”時，教師讓學生試著拼出甲烷的球棍模型并進行觀察，通過觀察學生可以更好地掌握甲烷的結構特點，同時得出甲烷是正四面體結構，其中四個氫原子是等效的，它的二氯取代物只有一種。這樣，通過構建物理模型，學生加深了對概念的理解，同時提高了動手操作能力。

（二）建立概念模型

概念模型主要是用概念圖來表示。概念圖最早是在20世紀60年代由美國康奈爾大學諾瓦克教授等人提出的。概念圖是把基礎的知識概念結構化，并用結構圖的方法表現(xiàn)出來的一種模型認知方式，目的是更好地幫助學生理解和掌握概念。學生通過建立概念模型，可以清楚每個概念之間的關系，把相對瑣碎的概念系統(tǒng)化。需要注意的是在概念圖中每個概念只出現(xiàn)一次[3]。

從元素化合物和中心元素的特性來分析出每個元素化合物的特點，并且根據(jù)元素化合物的特點來分析元素化合物的性質(zhì)及其與其他化合物反應的性質(zhì)。例如，對于鈉及其化合物，可以將鈉作為中心元素構建鈉及其化合物的結構網(wǎng)絡圖，同時把鈉和其他能夠與其反應的物質(zhì)（如氧氣、氯氣、鹽酸等）相聯(lián)系，再把反應得到的化合物對應填上，以便歸類記憶。

（三）建立抽象模型

化學教學的終極目標是讓學生習得化學知識，掌握化學思維方法，并能靈活運用化學知識解決生活問題，從而形成化學專業(yè)素養(yǎng)。在解答化學題目的過程中，教師要教會學生依據(jù)題目提煉出關鍵點，建立好模型，或者直接運用自身比較熟悉的模型去解題，實現(xiàn)高效教學。

教師在講授元素化合物知識時，可以與氧化還原的知識相結合，幫助學生建立學習物質(zhì)的性質(zhì)認知模型，厘清元素化合物性質(zhì)的學習規(guī)律，并把此認知模型遷移運用到碳、氮、硫等元素知識的學習中。例如，教師在講授“二氧化硫”這節(jié)課時，可以把物質(zhì)類別作為橫坐標，把核心元素硫的化合價作為縱坐標建立二維平面圖像，它直觀、形象地體現(xiàn)了以二氧化硫為中心的“分類觀”“轉化觀”“元素觀”。將硫及其化合物知識系統(tǒng)化、結構化，有助于學生形成學習二氧化硫的基本思路。學生可以通過“價類二維圖”，根據(jù)“二氧化硫的類別是酸性氧化物”得出酸性氧化物的性質(zhì)：可以與水反應，可以與堿性氧化物反應，可以與堿反應。再根據(jù)硫元素的價態(tài)有-2、0、+4、+6，而二氧化硫的價態(tài)是+4，既可升高又可降低，從而可以預測、分析二氧化硫具有氧化性和還原性。最后學習二氧化硫的特性“漂白性”，并嘗試運用所學知識解決實際問題。

（四）建立數(shù)學模型

教師在元素化合物知識的教學中要重點幫助學生建立起知識框架，注重培養(yǎng)學生的化學專業(yè)素養(yǎng)。圍繞知識本身的特點和內(nèi)在特質(zhì)而建立的數(shù)學模型，可以幫助學生更好地學習知識。數(shù)學模型能夠促進學生利用數(shù)學知識分析化學問題，讓學生可以理順和計算出題目中的關鍵量，提高學生對圖形的辨別能力以及圖文轉換能力。

教師教學元素化合物知識時，可用曲線圖呈現(xiàn)某一化學過程中的變量關系，并找出其變化規(guī)律，這樣有助于提高學生的解題效率。例如，向氫氧化鈉溶液中通入二氧化碳，其溶質(zhì)的成分是什么？對于此問題，可通過圖像來加以判斷。根據(jù)方程式2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O，NaOH+CO2=NaHCO3，設CO2與NaOH的比值為a，若a=0.5，則溶質(zhì)為Na2CO3;若a=1，則溶質(zhì)為NaHCO3;若a在0.5與1之間，則溶質(zhì)既有Na2CO3又有NaHCO3;若a小于0.5，則溶質(zhì)為NaOH和Na2CO3。如果就這樣直白地講解，學生可能無法理解透徹，而借助數(shù)學地坐標軸則可以直觀地看出不同比例的反應物相對應的溶質(zhì)，有助于學生對相關題目的理解和計算。

（五）建立思維模型

元素化合物這部分知識還可以通過建立思維模型來進行學習。思維建模的過程主要包括分析、建模和解模三個過程，即對研究對象進行分析，抓住它的主要信息及相關對象的共性問題，舍棄一些次要信息，對主要信息做一些必要的簡化、假設和一般化處理，并用適當?shù)奈淖帧⒐?、實物等去再現(xiàn)原型的各種復雜結構、特征、功能和聯(lián)系，建立相對固定的思維模型，從而去研究未知對象和解決實際問題[4]。

例如，在書寫陌生情境下的氧化還原反應離子方程式時，可引導學生建立思維模型（一審四看快速書寫法），讓學生能夠快速書寫方程式。以2018年全國Ⅰ卷第27題第（4）小題為例：Na2S2O5可用作食品的抗氧化劑。在測定某葡萄酒中Na2S2O5的殘留量時，取50.00 mL葡萄酒樣品，用0.01000 mol·L?1的碘標準液滴定至終點，消耗10.00 mL。寫出滴定反應的離子方程式。這道題考查的是一個滴定實驗，要求寫出滴定反應的離子方程式。因為這類題目往往與社會生產(chǎn)生活以及高科技相結合，所以對于學生來說陌生度較大，學生看到題目不知道從何下手。因此，幫助學生建立思維模型就非常重要，思維模型可以助力學生快速解題。首先認真讀題，根據(jù)題給信息知Na2S2O5是一種抗氧化劑，可作還原劑，寫在反應物中，根據(jù)價態(tài)的變化，S從+4價升高到+6價，所以對應的氧化產(chǎn)物為硫酸根。因為碘作為標準液進行滴定，所以氧化劑為碘單質(zhì)，根據(jù)價態(tài)的變化，碘從0價降到-1價，對應的還原產(chǎn)物為碘離子，這樣就找出了氧化劑和還原產(chǎn)物以及還原劑和氧化產(chǎn)物，從而確定方程式中的反應物和生成物：S2O[2-5] + I2 — SO[2-4] + I-。接著根據(jù)氧化還原反應原理，通過化合價的升降進行配平：S2O[2-5] + 2I2—2SO[2-4] + 4I-，發(fā)現(xiàn)電荷不守恒，可根據(jù)溶液環(huán)境補充氫離子或氫氧根離子使方程式守恒。因為本題中I2參與反應，所以不能選擇氫氧根，只能選擇氫離子，由此得出：S2O[2-5] + 2I2 — 2SO[2-4] + 4I- + 6H+。最后根據(jù)原子守恒補上H2O進行配平：S2O[2-5] + 2I2 + 3H2O=2SO[2-4] + 4I-+6H+。這種思維模型可歸納為“一審四看快速書寫法”。“一審”：審清題干找兩對;“四看”：一看化合價升降配系數(shù)，二看反應前后電荷數(shù)，三看溶液環(huán)境找平衡，四看原子守恒再配平。這種思維模型還可用于解答類似的題目。

四、模型認知在元素化合物教學中運用的重要性

（一）能提高教學效率

模型認知可以幫助學生明確學習內(nèi)容和學習目標，幫助教師了解每個學生的學習情況，從而進行針對性教學。在教學元素化合物知識時，教師可引導學生建立化學模型直觀呈現(xiàn)化合物的結構，使學生更加清楚地了解元素化合物知識，從而提高教學效率。例如，利用球棍模型讓抽象的元素化合物具象化，讓學生直觀感受化學物質(zhì)的結構，使教師的教和學生的學變得更加輕松。

（二）能調(diào)動學生學習的主動性

教學既要有高效的教，也要有高效的學。傳統(tǒng)教學中，教師往往只注重教，而忽略調(diào)動學生的學習主動性。教師在講臺上滔滔不絕地講理論知識，學生只能被動地接受。這種枯燥的教學方式，使學生容易走神，不能真正地參與學習的過程，教學效果較差。而運用模型認知可以讓學生真正地參與化學學習，調(diào)動學生的學習主動性，增強學生的自主學習能力。在元素化合物知識教學中，教師可以引導學生小組合作進行模型構建，從而得出相關數(shù)據(jù)和結論，這樣更能充分調(diào)動學生的學習主動性。模型認知還可以讓師生進行更多的互動交流，拉近師生之間的距離，同時可提升教師的教學效率和學生的學習效果，實現(xiàn)教學相長。

（三）能提高學生的解決問題能力

模型認知可以讓學生發(fā)現(xiàn)元素化合物的核心內(nèi)容，并通過構建模型在復雜的問題中找出關鍵信息進而順利解決問題。構建模型可以把比較籠統(tǒng)的元素化合物的概念清楚地表現(xiàn)出來，讓學生對元素化合物的學習產(chǎn)生興趣。如分子結構模型可以形象地展示物質(zhì)分子中各原子的空間排列情況，幫助學生記憶和理解物質(zhì)分子的空間結構，使學生可以更清楚地看到分子的空間結構，從而牢固掌握分子空間結構知識。一些概念、原理、數(shù)據(jù)是學生通過構建模型進行驗證推理最終得到的，因此印象深刻。模型認知，不僅可提高學生的建模能力，還能提高學生的解決問題能力。

綜上所述，在元素化合物知識的教學中，應用模型認知可以提高教師的教學效率，調(diào)動學生的學習主動性，提高學生的解決問題能力。學生通過構建知識模型可以厘清思路，便于學習和記憶，同時了解知識的內(nèi)在聯(lián)系，形成知識結構圖，從而達到高效學習的目的[5]。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 劉宗榮.科學論證視野下的高中化學教學模式建構[J].中學化學教學參考，2019（10）：18-19.

[2]? 王換榮，陳德坤，陳進前.化學核心素養(yǎng)之構建模型認知在教學中的應用[J].現(xiàn)代中小學教育，2019（1）：45-49.

[3]? 李愛華.談談初中生物重要概念教學的有效策略[J].中學教學參考，2015（11）：110-111.

[4]? 趙晶茹.改進化學建模教學? ? 優(yōu)化學生思維品質(zhì)[J].基礎教育論壇，2016（23）：22-23.

[5]? 管臻英.基于思維導圖促進高中生“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)的研究[J].高考，2020（31）：27，29.

（責任編輯 羅 艷）

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