基于建模，促進(jìn)化學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)

孫嵐 盧偉

摘要：本文對建模教學(xué)和深度學(xué)習(xí)路線進(jìn)行闡釋，設(shè)計(jì)了科學(xué)建模的教學(xué)過程，對化學(xué)概念進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。以“氣體摩爾體積”一課的教學(xué)為例，按照建模教學(xué)的環(huán)節(jié)，設(shè)置一系列活動，并引入PhET仿真互動軟件作為輔助工具，有利于化學(xué)概念的深度學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：建模教學(xué);深度學(xué)習(xí);氣體摩爾體積;PhET仿真軟件

文章編號：1008-0546（2022）04x-0041-04

中圖分類號：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.012

一、建模教學(xué)

建模教學(xué)是20世紀(jì)90年代在美國發(fā)展起來的一種新的教學(xué)方法，它可以解決傳統(tǒng)的“講授-示范”教學(xué)模式中存在的很多問題[1]?？茖W(xué)模型和建模能夠提升學(xué)生對復(fù)雜現(xiàn)象和問題的理解和解決能力。科學(xué)模型指的是對一個復(fù)雜系統(tǒng)的簡化和抽象表示，目的是用來解釋或者預(yù)測某些科學(xué)現(xiàn)象。建模即產(chǎn)生科學(xué)模型的過程，是一個動態(tài)的歷程[2]。美國的科學(xué)建模已經(jīng)走過了三十年的歷程?？茖W(xué)建模從理論產(chǎn)生、發(fā)展到成熟經(jīng)歷了四個階段，包括科學(xué)理論、教學(xué)理論、實(shí)踐檢驗(yàn)、實(shí)踐發(fā)展[3]。從實(shí)踐中最終得到的產(chǎn)物，對我國的教學(xué)改革也有很大的借鑒作用。美國的Samia等人提出了GEM循環(huán)教學(xué)法[4]，將建模教學(xué)分為生成模型、評估模型、修改模型三個環(huán)節(jié)。本文依據(jù)建模教學(xué)的理念，融入深度教學(xué)的思想，對“氣體摩爾體積”一課進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

二、關(guān)于“氣體摩爾體積”的研究

1“.氣體摩爾體積”教材分析

“氣體摩爾體積”位于人教版必修一第二章第三節(jié)“物質(zhì)的量”一節(jié)中的第二課時，“物質(zhì)的量”貫穿整個高中知識的學(xué)習(xí)當(dāng)中，對于高中化學(xué)知識來說是銜接和橋梁的作用?！皻怏w摩爾體積”是中學(xué)化學(xué)中的基本概念，是“物質(zhì)的量”概念群中的一個重要工具。這一概念的教學(xué)價值絕不僅僅只是讓學(xué)生知道“在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol任何氣體的體積約為22.4L”?；瘜W(xué)概念是理解、掌握其他化學(xué)知識的基礎(chǔ)。根據(jù)建構(gòu)主義，學(xué)習(xí)是主動建構(gòu)知識的過程。因此在概念的學(xué)習(xí)中，要讓學(xué)生主動去建構(gòu)，通過自己的分析、探究、感悟，從而得到正確的概念模型。

“氣體摩爾體積”一節(jié)中可通過讓學(xué)生自主構(gòu)建微觀粒子模型，從微觀角度去探究固、液、氣三態(tài)物質(zhì)的體積差異;運(yùn)用控制變量法來構(gòu)建影響氣體體積因素的定量模型，最終對“氣體摩爾體積”這一概念有深入認(rèn)識。

2“.氣體摩爾體積”教學(xué)的相關(guān)研究

“氣體摩爾體積”一課的相關(guān)研究并不多，近些年主要集中于氣體摩爾體積測定實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)。例如：榮鳳娜利用手持技術(shù)來測定氣體摩爾體積，利用現(xiàn)代科技拓展學(xué)生視野，計(jì)算得到了氣體摩爾體積的具體數(shù)值，從而促進(jìn)學(xué)生對概念的深刻理解[5]。而對于課堂教學(xué)設(shè)計(jì)的研究，近十年中，不足十篇。江敏引導(dǎo)學(xué)生從微觀角度了解分子和原子的相對大小，原子排列方式，以及氣體分子周圍的巨大空間，從而生成氣體摩爾體積的概念[6]。歷晶等設(shè)計(jì)了“CPCP課堂模式”，將課堂解構(gòu)為多個版塊，將版塊解構(gòu)為多個教學(xué)行為，將教學(xué)行為解構(gòu)為多個教學(xué)行為對，討論了“氣體摩爾體積”教學(xué)中的教學(xué)邏輯[7]。徐宇峰等融入化學(xué)史，讓學(xué)生感受氣體摩爾體積這一概念的發(fā)展歷程[8]。喻俊等基于大概念教學(xué)，梳理概念體系，提出任務(wù)主題“探究氣體體積規(guī)律”，整堂課的活動均是圍繞主題來進(jìn)行[9]。而利用建構(gòu)概念模型來對氣體摩爾體積這一概念進(jìn)行從淺至深的研究較少。陸余平曾在“氣體摩爾體積”一課提出過“宏觀—微觀—宏觀”的思維模型，對宏觀現(xiàn)象在微觀層面上提煉本質(zhì)要素來構(gòu)建模型，并通過模型來解釋宏觀現(xiàn)象[10]。但其研究年份較早，教學(xué)設(shè)計(jì)較為簡單。綜上，本研究基于模型建構(gòu)，并利用仿真互動軟件PhET進(jìn)行輔助教學(xué)，具有一定的價值。

三、教學(xué)思路

依據(jù)“氣體摩爾體積”的教學(xué)要求，教學(xué)主要分為兩個大環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)一為探究影響不同狀態(tài)物質(zhì)體積的因素，為探究氣體體積的影響因素作鋪墊。環(huán)節(jié)二為探究氣體體積的影響因素，生成氣體摩爾體積的概念。依據(jù)建模教學(xué)的理念，本文的教學(xué)流程會將建模教學(xué)分為四個環(huán)節(jié)，分別為生成模型、評估模型、修改模型、再評估修改模型。

Eric Jensen和LeAnn Nickelsen兩位學(xué)者在其著作《深度學(xué)習(xí)的7種有力策略》中提出了DELC深度學(xué)習(xí)路線。DELC深度學(xué)習(xí)路線包括7個環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與課程、預(yù)評估、營造積極的學(xué)習(xí)文化、預(yù)備與激活先期知識、獲取新知識、深度加工知識、評價學(xué)生的學(xué)習(xí)[11]。本文選用DELC深度學(xué)習(xí)路線的第四到第六環(huán)節(jié)作為課堂中學(xué)生深度學(xué)習(xí)的流程。模型建構(gòu)的過程與深度學(xué)習(xí)路線相對應(yīng)。其中“生成模型”的過程，即學(xué)生根據(jù)先驗(yàn)知識，提出自己的模型，與深度學(xué)習(xí)路線中的“激活先期知識”相對應(yīng);“評估模型”即依據(jù)各種書籍、課本、視頻、實(shí)物等對自己和他人的模型進(jìn)行評估，與同伴交流分享，與深度學(xué)習(xí)路線中的“學(xué)習(xí)新知識”相對應(yīng);“修改模型”即學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究、運(yùn)用綜合思維來對模型進(jìn)行修改;“再評估修改模型”，是對以上過程的循環(huán)重復(fù)，達(dá)到對新知識的精細(xì)加工和有效加工，最終得到正確的概念模型。

對兩個環(huán)節(jié)分別建立模型，并且第一個環(huán)節(jié)的模型能夠進(jìn)一步幫助建立第二個環(huán)節(jié)的模型。具體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

四、教學(xué)流程

1.探究不同狀態(tài)下物質(zhì)體積的影響因素

（1）生成模型

[教師]實(shí)物呈現(xiàn)0.1mol氧氣、0.1mol水、0.1mol鐵的體積。

[學(xué)生]發(fā)現(xiàn)其體積大小差異較大，猜測影響氣、液、固三種狀態(tài)物質(zhì)體積的因素，并在紙上畫出每一種狀態(tài)下粒子分布的微觀狀態(tài)。

設(shè)計(jì)意圖：在物質(zhì)的量相同時，不同狀態(tài)的物質(zhì)體積大小比較才有意義。學(xué)生根據(jù)實(shí)物發(fā)現(xiàn)，同樣是0.1mol，氧氣、水、鐵的體積依次減小。該設(shè)計(jì)讓學(xué)生依據(jù)已有知識，建立起初步的一個模型。gzslib202204021613

（2）評估模型

[教師]提供小組間交流引導(dǎo)。

[學(xué)生]展示自己所畫的氣、液、固三種不同狀態(tài)的微觀模型。與同伴交流自己的模型，評估他人的模型與自己模型的優(yōu)劣之處。

[評價]學(xué)生設(shè)計(jì)的模型出現(xiàn)的問題：第一，學(xué)生的微粒數(shù)目錯誤，并沒有意識到0.1mol物質(zhì)的微粒數(shù)是固定（不用畫出0.1mol的粒子，但要體現(xiàn)出微粒數(shù)固定）;第二，學(xué)生只考慮到粒子的大小或者粒子之間的距離這兩種情況中的任一一種。

設(shè)計(jì)意圖：通過繪畫，展示學(xué)生已有的認(rèn)知思維。通過組間交流互質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生合作、質(zhì)疑的能力。

（3）修改模型

[學(xué)生]交流后，對自己紙上所畫模型進(jìn)行修改。用球棍搭建出修改后的模型。

[教師]為了使學(xué)生的思考更為方便，先要讓學(xué)生意識到0.1mol物質(zhì)的微粒數(shù)目是相等的。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生以小組合作的方式，通過“模型搭建”活動來幫助學(xué)生找出影響物質(zhì)體積的因素，并理解這些因素是如何影響物質(zhì)體積的。

（4）再次評估后，修改生成正確模型

[教師]引導(dǎo)學(xué)生用對比的方法得出每種因素對3種狀態(tài)的物質(zhì)體積影響程度的相對大小。

[學(xué)生]總結(jié)：固體、液體難以被壓縮，粒子之間的距離小;氣體容易被壓縮，粒子之間的距離大。因此固體、液體的體積大小主要取決于粒子的大小，而氣體的體積主要取決于粒子之間的距離。最終建立起正確的結(jié)構(gòu)模型。

設(shè)計(jì)意圖：再次評估使模型更加完善。最終得出的模型能幫助學(xué)生第二環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。

2.探究影響氣體體積的因素，建立氣體摩爾體積的概念

（1）生成模型

[教師]氣體的體積主要取決于粒子之間的距離，那么哪些因素會影響粒子之間的距離？

[學(xué)生]猜測影響因素可能有溫度、壓強(qiáng)，以及它們之間的關(guān)系，建立初步的模型。

設(shè)計(jì)意圖：檢測學(xué)生的先驗(yàn)知識，讓學(xué)生發(fā)散思維，提出正確的猜想，從而建立一個初步的模型。

（2）評估模型

[教師]引入化學(xué)史：1662年，波義耳提出波義耳定律，密閉容器中的定量氣體，在恒溫下氣體的壓力和體積成反比關(guān)系;1808年法國化學(xué)家蓋·呂薩克提出氣體化合體積的實(shí)驗(yàn)定律，在同溫同壓下相同體積的不同氣體含有相同數(shù)目的原子;阿伏伽德羅修正了蓋·呂薩克的假說，提出“在同溫同壓下，相同體積的不同氣體具有相同數(shù)目的分子”。

[學(xué)生]了解化學(xué)史后，對于自己的模型進(jìn)行評估。

設(shè)計(jì)意圖：回顧歷史，讓學(xué)生感受化學(xué)史的豐富內(nèi)涵，可以有效激發(fā)學(xué)生興趣?？茖W(xué)家提出的理論可以作為學(xué)生評估模型的依據(jù)。

（3）修改模型

[教師]以壓強(qiáng)為例，演示PhET仿真模擬軟件設(shè)置，如圖2所示。

PhET仿真模擬軟件包括有化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、生物、地球科學(xué)等一百多種實(shí)驗(yàn)。打開軟件中的“氣體性質(zhì)”化學(xué)實(shí)驗(yàn)，在軟件中設(shè)置溫度相同，投入微粒數(shù)目相同的同種粒子。此時壓強(qiáng)增大，容器的體積減小。PhET仿真模擬軟件還會顯示出具體的數(shù)值關(guān)系。

[學(xué)生]學(xué)生通過控制變量法來進(jìn)行仿真操作，控制變量的過程見表1，分別探究溫度、壓強(qiáng)、微粒數(shù)目對于氣體體積的影響。

[評價]學(xué)生實(shí)驗(yàn)后得到模型：PV=knT（其中，P為壓強(qiáng)，V為氣體體積，n為氣體的物質(zhì)的量，T為溫度，k為未知常數(shù)），即為理想氣體狀態(tài)方程的雛形。

設(shè)計(jì)意圖：通過電腦軟件，可以利用數(shù)據(jù)和圖像直觀地展現(xiàn)氣體體積的變化情況，從定性到定量，有利于模型的建構(gòu)。

（4）再次評估修改后，生成正確模型

[教師]展示克拉貝龍方程（理想氣體狀態(tài)方程）的化學(xué)史：一定量氣體，體積和壓強(qiáng)的乘積與熱力學(xué)溫度成正比，即PV=nRT，其中R為一個常數(shù)，為8.3145J·mol-1·K-1。修正學(xué)生的概念模型。理想氣體狀態(tài)方程解釋了氣體體積的規(guī)律。從而得出當(dāng)微粒的數(shù)目、溫度、壓強(qiáng)一定時，氣體的體積也是一定的。那么在0°C，101kPa的條件下，1mol氣體的體積為多少呢？

[學(xué)生]通過理想氣體狀態(tài)方程，計(jì)算在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol氣體的體積，得到數(shù)值為22.4L。

[評價]引出氣體摩爾體積這一概念，即單位物質(zhì)的量的氣體所占的體積。

設(shè)計(jì)意圖：完善學(xué)生對理想氣體狀態(tài)方程的理解。自然引出氣體摩爾體積這一概念。經(jīng)過兩個環(huán)節(jié)循序漸進(jìn)的探究，學(xué)生對氣體摩爾體積這一概念理解更為深刻。

五、教學(xué)反思

1.PhET仿真軟件將抽象問題具體化

PhET互動仿真軟件是一種模擬概念、關(guān)系、系統(tǒng)或現(xiàn)象的動態(tài)環(huán)境。該環(huán)境允許用戶在其中與模型進(jìn)行互動[12]。氣體體積的影響因素涉及溫度、壓強(qiáng)、微粒數(shù)目等，這個探究實(shí)驗(yàn)在實(shí)際課堂中很難實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)課堂在這一課時的教學(xué)上，往往會放棄該探究，而該仿真軟件則可以將抽象的過程直觀地呈現(xiàn)在屏幕上。本課中引入PhET仿真軟件，學(xué)生能夠直觀地看到溫度、壓強(qiáng)、微粒數(shù)等與氣體體積的關(guān)系。從而幫助學(xué)生理解概念，促進(jìn)學(xué)生的思考與交流。PhET互動仿真軟件中還包括原子模型、pH值、分子極性、盧瑟福散射等多個化學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)。因此在學(xué)習(xí)以上內(nèi)容時，也可以引入PhET互動仿真軟件，來幫助學(xué)生更好地理解。

2.建模與深度學(xué)習(xí)的融合

“氣體摩爾體積”這一內(nèi)容屬于化學(xué)概念。如果只是單純地讓學(xué)生記住“標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol任何氣體的體積約為22.4L”，那么學(xué)生的學(xué)習(xí)只停留在淺層的階段。本課先讓學(xué)生自行構(gòu)建概念模型，發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。再通過一系列學(xué)生動手活動，實(shí)驗(yàn)探究等在實(shí)踐中評估、修正自己所構(gòu)建的模型。在這個過程當(dāng)中，有小組合作的形式，也有個人分享的環(huán)節(jié)，盡量讓每個學(xué)生都能參與到課堂當(dāng)中，不再游離于課堂之外。將建模與深度學(xué)習(xí)融合之后，對概念進(jìn)行理解、深化、遷移和應(yīng)用，從而使學(xué)生對于化學(xué)概念的學(xué)習(xí)從淺層走向深層。gzslib202204021613

3.建模對于概念學(xué)習(xí)具有重要意義

概念模型的建構(gòu)不僅讓學(xué)生掌握了化學(xué)知識，更讓學(xué)生建立起科學(xué)的思維方法。學(xué)生在概念構(gòu)建的過程中，首先被激發(fā)先驗(yàn)知識，根據(jù)先驗(yàn)知識，教師才知道，要想學(xué)習(xí)新知識，需要為學(xué)生構(gòu)造多少條件，從而把學(xué)生的水平提高到更高的層次。學(xué)生在評估和修改概念的過程中，發(fā)現(xiàn)原先概念中的錯誤之處，對概念的內(nèi)涵進(jìn)行延伸和拓展，進(jìn)一步掌握概念的本質(zhì)。因此，建構(gòu)模型對于其他概念的學(xué)習(xí)也有一定的價值。

參考文獻(xiàn)

[1]張晉，畢華林.模型建構(gòu)與建模教學(xué)的理論分析[J].化學(xué)教育（中英文），2017，38（13）：27-32.

[2]史凡，王磊.論國際化學(xué)教育研究熱點(diǎn)：模型與建模[J].全球教育展望，2019，48（5）：105-116.

[3]翟小銘，郭玉英.美國科學(xué)建模教育研究三十年概述及啟示[J].全球教育展望，2015，44（12）：81-95.

[4]Samia，Khan.Model-based inquiries in chemistry[J].Sci?ence Education，2007，91（6）：877-905.

[5]榮鳳娜.利用手持技術(shù)探究“氣體摩爾體積實(shí)驗(yàn)”[J].化學(xué)教學(xué)，2015（9）：48-51.

[6]江敏.架起宏觀與微觀之間的橋梁——從“氣體摩爾體積”到“火箭推進(jìn)劑”（下）[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2013（07）：1-5，8.

[7]歷晶，鄭長龍，婁延果“.氣體摩爾體積”教學(xué)邏輯評析[J].化學(xué)教育（中英文），2011，32（10）：37-40.

[8]徐宇峰，彭小平.融入科學(xué)史和實(shí)驗(yàn)探究的“氣體摩爾體積”教學(xué)[J].化學(xué)教學(xué)，2016（6）：52-56.

[9]喻俊，葉佩佩.關(guān)注大概念的教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐——以“氣體摩爾體積”為例[J].化學(xué)教育（中英文），2020，41（9）：41-45.

[10]陸余平.以化學(xué)建模方法設(shè)計(jì)《氣體摩爾體積》教學(xué)過程[J].化學(xué)教學(xué)，2007（7）：43-44.

[11]Eric Jensen，LeAnn Nickelsen.深度學(xué)習(xí)的7種有力策略[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2010.