基于模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)

賈義晶　張程浩　劉存芳　史娟　張強(qiáng)

［摘 要］科學(xué)建模是理解知識(shí)本質(zhì)和發(fā)展邏輯思維的重要途徑。在化學(xué)教學(xué)中引用生活實(shí)例可促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)宏觀物質(zhì)模型，而開(kāi)展化學(xué)實(shí)驗(yàn)探究有助于建構(gòu)微觀物質(zhì)模型。文章以生活實(shí)例和化學(xué)實(shí)驗(yàn)為載體，基于模型認(rèn)知對(duì)“氣體摩爾體積”一課進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)建模呈現(xiàn)化學(xué)知識(shí)的基本框架，突出知識(shí)本質(zhì)，助力學(xué)生理解和學(xué)習(xí)化學(xué)基本知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］模型認(rèn)知；科學(xué)建模；教學(xué)設(shè)計(jì)；氣體摩爾體積

［中圖分類(lèi)號(hào)］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）14-0072-04

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，是學(xué)習(xí)化學(xué)學(xué)科的重要科學(xué)思維方法之一。模型認(rèn)知是指在已有認(rèn)知模型的基礎(chǔ)上，在新的情境中提出新的假設(shè)并建構(gòu)、檢驗(yàn)、評(píng)價(jià)、完善新的模型，再應(yīng)用所建構(gòu)的新模型進(jìn)行新認(rèn)知的螺旋式上升的過(guò)程。建構(gòu)模型的過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)“建模”。建模是基于原有的認(rèn)知對(duì)新知識(shí)提出合理假設(shè)，通過(guò)自主探究、分析和推理等科學(xué)方法逐漸認(rèn)識(shí)新知識(shí)的本質(zhì)，建立科學(xué)模型的過(guò)程。通過(guò)模型的運(yùn)用，可以幫助學(xué)生構(gòu)建化學(xué)知識(shí)的基本框架，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力、分析推理能力和實(shí)驗(yàn)探究能力［1］。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求：具有證據(jù)意識(shí)，能基于證據(jù)對(duì)物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)及其變化提出可能的假設(shè)，通過(guò)分析推理加以證實(shí)或證偽；建立觀點(diǎn)、結(jié)論和證據(jù)之間的邏輯關(guān)系。知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律［2］。

本文以“氣體摩爾體積”一課為例，探討基于模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)，通過(guò)建模呈現(xiàn)化學(xué)知識(shí)的基本框架，突出知識(shí)本質(zhì)，助力學(xué)生理解和學(xué)習(xí)化學(xué)基本知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、基于模型認(rèn)知的教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“氣體摩爾體積”是蘇教版高中化學(xué)必修第一冊(cè)專(zhuān)題1第二單元第二課時(shí)的內(nèi)容。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課內(nèi)容之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)了有關(guān)物質(zhì)的量的化學(xué)知識(shí)，具備基本化學(xué)計(jì)量計(jì)算的能力和從微觀角度解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)思想。教學(xué)中教師依據(jù)初中化學(xué)有關(guān)體積計(jì)算的公式，引導(dǎo)學(xué)生探究1 mol固體、液體、氣體體積的不同，預(yù)測(cè)不同狀態(tài)不同種類(lèi)的物質(zhì)的粒子空間分布；通過(guò)設(shè)置基于真實(shí)情境的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究相同狀態(tài)下影響氣態(tài)物質(zhì)體積的主要因素，建構(gòu)外界因素影響氣體體積的認(rèn)知模型；通過(guò)小組合作交流，引導(dǎo)學(xué)生探究電解水的實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)出氣體摩爾體積的概念及其運(yùn)用，發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性，培養(yǎng)學(xué)生熱愛(ài)化學(xué)的情感，提升學(xué)生的合作探究能力和運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

二、教學(xué)過(guò)程

（一）聯(lián)系生活實(shí)際引出課程內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

【多媒體】播放超市里巧克力、牛奶、殺蟲(chóng)劑等不同狀態(tài)不同種類(lèi)商品的包裝的視頻。

【引入新課】大家有沒(méi)有注意到不同商品的包裝袋上的計(jì)量方式有什么不同？分別有哪些計(jì)量方式？

【學(xué)生回答】餅干等固態(tài)物品的包裝袋上一般用質(zhì)量來(lái)計(jì)量，果汁、洗衣液、防曬霜、噴霧等液態(tài)或氣態(tài)包裝袋上一般用體積來(lái)計(jì)量。

【教師總結(jié)】固態(tài)物質(zhì)有固定形狀不易壓縮，用質(zhì)量來(lái)計(jì)量；液態(tài)物質(zhì)無(wú)固定形狀不易壓縮，用體積來(lái)計(jì)量；氣態(tài)物質(zhì)無(wú)固定形狀能壓縮，用體積來(lái)計(jì)量。

【教師提問(wèn)】根據(jù)之前的學(xué)習(xí)，我們知道固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)不同種類(lèi)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量一般不同，那么1 mol不同狀態(tài)、不同種類(lèi)的物質(zhì)的體積是否相同？

【學(xué)生回答】不同。（學(xué)生會(huì)從質(zhì)量、密度與體積的關(guān)系數(shù)學(xué)模型進(jìn)行宏觀思考，但是不會(huì)從微觀的角度來(lái)解釋問(wèn)題）

設(shè)計(jì)意圖：將新知識(shí)的引入與日常生活相聯(lián)系，能極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，引發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考問(wèn)題、解決問(wèn)題，初步建立固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)不同種類(lèi)物質(zhì)的宏觀模型；通過(guò)宏觀物品引出從粒子的角度去解釋“固態(tài)物質(zhì)有固定形狀不易壓縮”“液態(tài)物質(zhì)無(wú)固定形狀不易壓縮”“氣態(tài)物質(zhì)無(wú)固定形狀易壓縮”的原因，增強(qiáng)知識(shí)的直觀性，使學(xué)生的邏輯思維有連貫性，便于學(xué)生理解新知識(shí)。

（二）實(shí)驗(yàn)探究不同物質(zhì)體積的影響因素，初步建立微觀物質(zhì)模型

【多媒體】播放1 mol多種固體和液體的體積數(shù)據(jù)以及在不同溫度和不同壓強(qiáng)下固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)的體積數(shù)據(jù)，其中在標(biāo)準(zhǔn)狀況下部分1 mol物質(zhì)的體積數(shù)據(jù)如表1所示，引導(dǎo)學(xué)生找出其中蘊(yùn)含的規(guī)律。

【學(xué)生回答】相同條件下，1 mol固態(tài)物質(zhì)Fe、Al和1 mol液態(tài)物質(zhì)H2O、H2SO4的體積不同；1 mol氣態(tài)物質(zhì)N2、CO的體積近似，約為22.4 L。

【教師提問(wèn)】在微粒數(shù)目相同的條件下，為什么會(huì)出現(xiàn)固態(tài)物質(zhì)和液態(tài)物質(zhì)的體積不相同，而氣態(tài)物質(zhì)體積近似的情況？影響1 mol固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)體積的因素有哪些？

【提示】物質(zhì)由分子、原子等微觀粒子組成。

【學(xué)生回答】可能與構(gòu)成物質(zhì)的微粒的空間分布狀態(tài)有關(guān)。

【多媒體】展示固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)的微粒的空間分布示意圖（如圖1）。

【學(xué)生小結(jié)】影響物質(zhì)體積的因素有微粒的數(shù)目、微粒的大小和微粒的間距。影響物質(zhì)體積因素的初始模型如圖2所示。

設(shè)計(jì)意圖：從微觀角度分析固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)微粒的空間分布，引導(dǎo)學(xué)生自主總結(jié)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)體積的影響因素，初步建立起影響物質(zhì)體積因素的初始模型，培養(yǎng)學(xué)生的微觀探析意識(shí)和觀察能力。

【教師提問(wèn)】假設(shè)微粒數(shù)目和大小都相同，觀察固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)微粒的空間分布示意圖，可以觀察到它們的空間分布有哪些不同？

【學(xué)生回答】固態(tài)、液態(tài)物質(zhì)微粒堆積比較緊密，而氣態(tài)物質(zhì)微粒堆積比較松散。

【教師分析】把微粒想象成同一種大米，擺放在兩塊空地上，第一塊空地上擺放的大米間距大，第二塊空地上擺放的大米間距?。ㄐ∮诖竺妆旧淼拇笮。?。第一塊空地上擺放的大米所占面積會(huì)受大米數(shù)量的影響，第二塊空地上擺放的大米所占面積受大米間距的影響可忽略不計(jì)。再在第三塊面積相同的空地上按照第二塊空地的顆粒間距擺放花生仁，這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)密集擺放的顆粒所占面積與顆粒本身的大小也有關(guān)。

【學(xué)生小結(jié)】對(duì)于氣態(tài)物質(zhì)（微粒間距大的物質(zhì)）來(lái)說(shuō)，體積主要由微粒的數(shù)目和微粒的間距決定，微粒間距較大時(shí)可以忽略微粒自身大小的影響；固態(tài)、液態(tài)物質(zhì)的體積主要由微粒的數(shù)目和微粒的大小決定，固態(tài)和液態(tài)微粒間距較小，可以忽略不計(jì)。影響物質(zhì)體積因素的修正模型如圖3所示。

設(shè)計(jì)意圖：引入生活實(shí)例，確立影響固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)體積的本質(zhì)因素，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類(lèi)比推理自主思考，對(duì)影響物質(zhì)體積因素的初始模型進(jìn)行修正，得到影響物質(zhì)體積因素的修正模型。

（三）通過(guò)日常生活實(shí)例探究影響氣體體積的外界因素

【教師提問(wèn)】1 mol氣態(tài)物質(zhì)的體積大小主要由微粒間距決定，那微粒間距又受哪些因素影響呢？

【多媒體】播放夏季輪胎由于加氣過(guò)滿(mǎn)炸裂而造成危險(xiǎn)事故的視頻。教師引導(dǎo)學(xué)生把輪胎的炸裂與氣態(tài)微粒的間距相互聯(lián)系，小組討論分析微粒間距會(huì)受哪些因素影響，得出結(jié)論并提出建議。

【學(xué)生小結(jié)】影響微粒間距的因素有溫度和壓強(qiáng)。夏天溫度較高，氣體受熱膨脹（微粒間距增大，體積增大），而輪胎和地面接觸會(huì)增大氣體的壓強(qiáng)，導(dǎo)致車(chē)胎容易炸裂。影響物質(zhì)體積因素的擴(kuò)展模型如圖4所示。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)夏天輪胎容易炸裂這一現(xiàn)象的研究，回顧初中學(xué)習(xí)的氣體熱脹冷縮原理，促進(jìn)有關(guān)氣體體積與溫度、壓強(qiáng)關(guān)系知識(shí)的遷移學(xué)習(xí)，明確影響氣體體積的外界因素，使得所建構(gòu)的模型更加具體化、精確化，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的本質(zhì)有更清晰的認(rèn)識(shí)，得到影響物質(zhì)體積因素的擴(kuò)展模型。

（四）回顧舊知識(shí)，遷移學(xué)習(xí)氣體摩爾體積

【實(shí)驗(yàn)探究】根據(jù)如圖5所示的電解水實(shí)驗(yàn)裝置圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察不同時(shí)間試管內(nèi)的氣體體積的變化［3］，探究生成的O2和H2的體積比。

【學(xué)生回答】通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察可得，生成的O2和H2的體積比約為1∶2。

【化學(xué)計(jì)算】根據(jù)電解水的化學(xué)方程式計(jì)算電解18 g H2O生成的O2和H2的質(zhì)量；根據(jù)O2和H2的摩爾質(zhì)量，計(jì)算O2和H2的物質(zhì)的量；根據(jù)0 ℃、101 kPa（標(biāo)準(zhǔn)狀況）時(shí)O2和H2的密度，計(jì)算1 mol O2和H2的體積（如表2）。

【教師提問(wèn)】從上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，你得到什么結(jié)論？

【學(xué)生回答】在標(biāo)準(zhǔn)狀況下1 mol O2和H2的體積相同，大約為22.4 L。

【教師講解】根據(jù)氣體體積的影響因素可知，相同溫度、壓強(qiáng)下分子間距離一定，此時(shí)影響氣體體積的因素是微粒數(shù)，因此1mol不同氣體的體積近似相等。

【教師總結(jié)】氣體摩爾體積，顧名思義指的是單位物質(zhì)的量的氣體所占的體積，單位為L(zhǎng)/mol，符號(hào)為Vm。在0 ℃和101 kPa下，氣體摩爾體積約為22.4 L/mol。

【教師提問(wèn)】學(xué)習(xí)氣體摩爾體積這個(gè)概念時(shí)，應(yīng)注意哪些要點(diǎn)？

【學(xué)生小結(jié)】氣體摩爾體積是針對(duì)氣體而言的；氣體在不同溫度和壓強(qiáng)條件下的氣體摩爾體積是不同的，只有標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體摩爾體積約為22.4 L/mol。影響物質(zhì)體積因素的完善模型如圖6所示。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，引出氣體摩爾體積的基本概念，加深學(xué)生的學(xué)習(xí)印象，發(fā)展學(xué)生的邏輯思維，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力、推理能力和自主探究能力，得到影響物質(zhì)體積因素的完善模型。

三、教學(xué)反思

氣體摩爾體積的內(nèi)容比較抽象和概念化，是教學(xué)的重難點(diǎn)。本節(jié)課的教學(xué)基于宏觀情境從微觀角度分析影響氣體體積的因素，培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，為以后的化學(xué)學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)；多次創(chuàng)設(shè)生活情境引入知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力以及“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體地，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生的遷移運(yùn)用能力；運(yùn)用生活實(shí)例激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生初步形成假設(shè)，建構(gòu)初始模型；通過(guò)教學(xué)活動(dòng)、學(xué)生討論和教師講解，逐漸完善模型，形成科學(xué)模型。在此過(guò)程中，學(xué)生不僅掌握了基本的化學(xué)知識(shí)，提升了類(lèi)比推理能力及邏輯思維能力，還培養(yǎng)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。從教學(xué)效果來(lái)看，不僅能夠促使學(xué)生回顧物質(zhì)的量的學(xué)習(xí)思想，掌握氣體摩爾體積的概念及應(yīng)用方法，還為阿伏加德羅定律的學(xué)習(xí)做了鋪墊，具有承上啟下的作用，同時(shí)，涵養(yǎng)了學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)和“宏觀辨識(shí)與微觀探析”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 王鵬飛，劉存芳. 新舊高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)比較分析［J］.教學(xué)與管理， 2019 （4）： 44-47.

［2］? 中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版［M］.北京：人民教育出版社， 2018：4.

［3］? 董軍，呂志會(huì).以發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨的化學(xué)課堂教學(xué)研究：以“氣體摩爾體積”的教學(xué)為例［J］.中學(xué)教學(xué)參考， 2021 （5）：78-80，91.

（責(zé)任編輯 羅 艷）

［基金項(xiàng)目］陜西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題（課題編號(hào)：SGH20Y1196）；陜西理工大學(xué)研究生教改項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：SLGYJG2012）。

［通信作者］劉存芳（1971— ），女，漢族，陜西人，教授，研究方向?yàn)榛瘜W(xué)學(xué)科教學(xué)及基礎(chǔ)教育研究。E-mail：liucf@snut.edu.cn。