培養(yǎng)高中生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

蔣安誠(chéng) 徐連蕓 張麗茜

摘 要：核心素養(yǎng)作為新課標(biāo)的重點(diǎn)，已成為高中生的必修課，在當(dāng)今的教育改革進(jìn)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。化學(xué)核心素養(yǎng)是一種重要的能力，它能夠幫助學(xué)生在認(rèn)知活動(dòng)中更好地理解和應(yīng)用化學(xué)知識(shí)。模型理解能力對(duì)于構(gòu)建化學(xué)學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)和技能至關(guān)重要，同時(shí)也是促進(jìn)化學(xué)學(xué)科思維發(fā)展的關(guān)鍵因素。提高學(xué)生對(duì)化學(xué)模型的認(rèn)知能力對(duì)于培養(yǎng)他們的核心素養(yǎng)和提高學(xué)習(xí)效率至關(guān)重要，有助于提升化學(xué)教學(xué)的質(zhì)量。文章以“配合物”認(rèn)知模型教學(xué)設(shè)計(jì)為例展開(kāi)研究。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；教學(xué)案例；應(yīng)用研究

通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的設(shè)計(jì)、研究和實(shí)施，可以幫助學(xué)生建立自己的知識(shí)模型，有效地提升他們?cè)诨瘜W(xué)學(xué)科中的核心素養(yǎng)能力[1]。通過(guò)化學(xué)課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更好地理解學(xué)習(xí)中遇到的挑戰(zhàn)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)歸納總結(jié)，建立起自己的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)；通過(guò)將日常生活經(jīng)驗(yàn)與學(xué)科知識(shí)相結(jié)合，學(xué)生可以自主探索解決問(wèn)題的方法，運(yùn)用“認(rèn)知模型”中的知識(shí)體系進(jìn)行抽象概括，不斷提升學(xué)生的分析、推理和解決問(wèn)題的能力，促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)能力的全面發(fā)展。本文以“配合物”認(rèn)知模型教學(xué)設(shè)計(jì)為例展開(kāi)研究如下[2]：

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)的原則與方法

化學(xué)作為一門(mén)實(shí)驗(yàn)學(xué)科，其優(yōu)勢(shì)在于其具有數(shù)字化的特點(diǎn)，而實(shí)驗(yàn)則是其不可或缺的一部分，尤其是在設(shè)計(jì)方面。

在進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該牢記以下幾項(xiàng)基本原則：

（一）可操作性

為了滿足高中階段化學(xué)教學(xué)的需求，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)方案，其中涉及的藥品和儀器可以在實(shí)驗(yàn)室輕松獲取，而且實(shí)驗(yàn)操作的難度也適合高中生，不會(huì)給學(xué)生帶來(lái)太大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也能夠提高實(shí)驗(yàn)的成功率。

（二）科學(xué)性

該實(shí)驗(yàn)方案建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論框架之上，其中包含了精準(zhǔn)的科學(xué)原則，而不是憑空推測(cè)出來(lái)的假設(shè)。在制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保其具備充分的科學(xué)基礎(chǔ)，包括實(shí)驗(yàn)要求、目標(biāo)、思路以及最終結(jié)果。

（三）可重復(fù)性

通過(guò)反復(fù)研究和檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)方案是有效的。在實(shí)驗(yàn)方案初步設(shè)計(jì)完畢之前，應(yīng)該進(jìn)行多次檢查，仔細(xì)分析影響實(shí)驗(yàn)的各種因素，記錄下所有的實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，以便在每次實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生獲得準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，避免出現(xiàn)結(jié)果的偏差。

（四）安全性

在實(shí)驗(yàn)室中，安全問(wèn)題至關(guān)重要，尤其是在進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于使用的化學(xué)玻璃儀器和實(shí)驗(yàn)藥品中含有潛在的危險(xiǎn)物質(zhì)，一旦出現(xiàn)任何疏忽都可能導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，應(yīng)該堅(jiān)持安全、規(guī)范的操作原則，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)的安全措施，以確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。

（五）綠色化學(xué)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)藥品的使用，以確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，同時(shí)盡可能地節(jié)約化學(xué)能源[3]。為了讓學(xué)生更好地了解如何有效地利用藥品，應(yīng)該采取措施來(lái)減少實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水和廢物，建立起節(jié)約資源的意識(shí)和理念。

二、高中生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例設(shè)計(jì)

（一）苯酚基團(tuán)的“編譯”

[生活情境]（展示）當(dāng)看到某位同學(xué)與父母的合影時(shí)，可以通過(guò)化學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這種相似性，即他們的外表是否有所不同。

[學(xué)生]模型表明，不同族元素、晶體和系物在性質(zhì)上都有相似之處，可能會(huì)發(fā)生變化。因此，可以通過(guò)分析新物質(zhì)（如苯酚）的結(jié)構(gòu)組成來(lái)探究其來(lái)源。

[學(xué)生]可以將“乙醇”中的苯和羥基結(jié)合物作為替代物來(lái)研究這種物質(zhì)的構(gòu)成。

[分析]研究苯酚與乙醇在結(jié)構(gòu)上的差異，探討它們之間的相似之處。

[學(xué)生]雖然兩種物質(zhì)都含有羥基，但是在這種新物質(zhì)中，羥基與苯基的結(jié)合方式不同于乙醇。

[點(diǎn)評(píng)]酚是一類(lèi)有機(jī)化合物，它們由羥基和苯環(huán)碳原子直接相連而成。與醇不同，最簡(jiǎn)單的酚是苯酚，它們具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)“思維模型”的深入探討，讓學(xué)生更加深刻地理解“化整為零”的思想，運(yùn)用“多基團(tuán)組合而成有機(jī)物”的認(rèn)知模型，更好地探究苯酚的性質(zhì)，有效地獲取學(xué)習(xí)苯酚的方法。

（二）苯酚基團(tuán)的“遺傳”

[史話情境]“滴血認(rèn)親”被認(rèn)為是古代最常見(jiàn)的親子鑒定方式[4]，但現(xiàn)代科學(xué)家們卻認(rèn)為“滴血認(rèn)親”缺乏科學(xué)依據(jù)，因此，即使沒(méi)有血緣關(guān)系，只要血型相同，也可以通過(guò)“血液互溶”來(lái)確定苯酚的溶解性。

[學(xué)生1]苯酚可以與多種有機(jī)溶劑，如苯和乙醇，形成類(lèi)似血液的相容性，被溶解。

[學(xué)生2]苯的溶解度很低，乙醇和水之間可以相互溶解，但是苯酚在水中的溶解度卻不可知。

[學(xué)生3]發(fā)現(xiàn)苯酚的羥基能夠與水分子之間形成緊密的氫鍵，使得它們能夠被完全溶解于水中。

[點(diǎn)評(píng)]這位同學(xué)的表現(xiàn)令人印象深刻，他不但能夠運(yùn)用“相似相溶”的思想來(lái)解讀日常生活，而且還能夠運(yùn)用“氫鍵對(duì)溶解度影響”的原則來(lái)進(jìn)行細(xì)致的分析。

[引導(dǎo)]請(qǐng)大家就苯酚的物理特性發(fā)表自己的見(jiàn)解，歡迎其他同學(xué)及時(shí)提出寶貴的意見(jiàn)。

[學(xué)生1]苯酚具有獨(dú)特的香氣，它的外觀為無(wú)色晶體。然而，當(dāng)它溶于乙醇和苯時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種白色的混合物，隨著溫度的升高，這種混合物會(huì)變得更加渾濁。

[學(xué)生2]經(jīng)過(guò)我的觀察，可以斷定苯酚在冷水中的溶解性較弱，卻能夠輕松地被熱水所吸收。

[學(xué)生3]經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察，苯酚的顏色逐漸變得淡紅，這可能表明它已經(jīng)受到損害。

設(shè)計(jì)意圖：為了更好地培養(yǎng)“相似相溶”的概念，利用歷史故事來(lái)引導(dǎo)學(xué)生對(duì)“模型認(rèn)知”的概念進(jìn)行理解，利用“自主探究”的概念來(lái)拓展他們的知識(shí)面，更好地實(shí)現(xiàn)深入的學(xué)習(xí)。

（三）苯酚基團(tuán)的“進(jìn)化”

[問(wèn)題情境]“苯酚”是“乙醇”的延續(xù)，因此，有必要探討“苯酚可能具有的化學(xué)性質(zhì)”的深層

含義[5]。

[學(xué)生1]根據(jù)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，分析苯酚擁有苯及其衍生物的全部特征。

[學(xué)生2]苯環(huán)可以通過(guò)鹵代、硝化、加氫等多種反應(yīng)來(lái)改變物質(zhì)的性質(zhì)，例如，乙醇可以與金屬鈉發(fā)生反應(yīng)，也可以與乙酸酯發(fā)生反應(yīng)，甚至可以在分子間脫水成醚，或者被氫鹵酸取代。

[學(xué)生3]指出，“簡(jiǎn)單加和”的結(jié)論有待商榷，因?yàn)樗雎粤嘶鶊F(tuán)之間的復(fù)雜相互作用，導(dǎo)致了許多未知的物理特征。

[學(xué)生4]表明，苯酚的溶解性與乙醇和苯有顯著的不同，這一點(diǎn)我完全認(rèn)可。

設(shè)計(jì)意圖：本次設(shè)計(jì)旨在幫助學(xué)生深入理解苯和乙醇的化學(xué)特性，對(duì)自身的知識(shí)體系進(jìn)行全面評(píng)估；通過(guò)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”模型的引導(dǎo)，學(xué)生可以更好地理解知識(shí)，將其轉(zhuǎn)化為自己熟悉的概念，提升遷移和歸納能力，最終形成“基團(tuán)間相互影響”不確定模型。

[引導(dǎo)]苯酚的特性是否與“乙醇”中描述得完全一致，還是存在著獨(dú)特的特性？

[探究]苯酚羥基的反應(yīng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)水和醇。在宏觀層面上，苯酚的特征是什么？

[學(xué)生]可能會(huì)發(fā)現(xiàn)苯酚具有強(qiáng)烈的酸性?；A(chǔ)理由大概就是“苯環(huán)對(duì)羥基的影響”。

[學(xué)生實(shí)驗(yàn)]發(fā)現(xiàn)苯酚的酸堿度存在顯著差異。

[學(xué)生1]觀察到，當(dāng)苯酚的濁液被加入氫氧化鈉溶劑時(shí)，它的顏色會(huì)顯著改善，說(shuō)明它具有較強(qiáng)的酸性。經(jīng)過(guò)紫色石蕊試液檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)任何異常反應(yīng)，說(shuō)明苯酚的酸性水平相對(duì)較低。

[學(xué)生2]紫色石蕊試液沒(méi)有變成紅色，這很可能是因?yàn)楸椒拥乃嵝赃^(guò)低，導(dǎo)致了它不能發(fā)生變化。

[學(xué)生3]研究結(jié)果表明在苯酚鈉溶液中，鹽酸和CO的濃度顯著降低，這說(shuō)明苯酚的酸性比碳酸更加穩(wěn)定。

[評(píng)論]苯酚的弱酸性是由于它的羥基對(duì)它的影響造成的。酸的特性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳酸，但卻要高于碳酸氫鈉。由于其酸性特征，苯酚很難被完全消除、分子間脫水、被氫鹵酸取代等反應(yīng)所抑制。

通過(guò)“酸的通性和強(qiáng)弱”的基礎(chǔ)知識(shí)，“同中求異、異中求同”的科學(xué)思考模式，以及“基團(tuán)間相互影響”的實(shí)踐技能，希望學(xué)生更加深入地探索和掌握“基團(tuán)間相互影響”的理論框架，以便更加全面、準(zhǔn)確地理解其中的內(nèi)容。

[引導(dǎo)]“羥基”可能會(huì)給苯環(huán)帶來(lái)怎樣的變化？最終的結(jié)果將會(huì)如何？

[學(xué)生1]可以通過(guò)參與實(shí)驗(yàn)來(lái)改善苯環(huán)的性質(zhì)，提高它的加成或替換能力。

[學(xué)生2]可以說(shuō)，苯環(huán)具有相對(duì)穩(wěn)定的特性，因此羥基的存在可以顯著改變它的性質(zhì)。

[學(xué)生3]表明，羥基可能會(huì)使苯環(huán)更加穩(wěn)定，提高其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過(guò)“對(duì)照實(shí)驗(yàn)”的研究，可以更深入地了解羥基的活性。

[引導(dǎo)]因此，應(yīng)該充分利用現(xiàn)有資源，結(jié)合各種可能的因素，進(jìn)行深入的探究，以便制訂出最佳的實(shí)驗(yàn)方案。

[學(xué)生]設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用于研究苯和苯酚與濃溴水的反應(yīng)。

[學(xué)生]在苯酚溶液中添加了濃溴水，結(jié)果出現(xiàn)了一種白色的沉淀，隨著添加量的增加，這種沉淀逐漸減少，最終消失。根據(jù)苯和溴的反應(yīng)，可以得出結(jié)論：苯環(huán)很容易被溴所替換，但很難形成反應(yīng)。因此，猜想苯酚會(huì)被濃溴水所替換。

[引導(dǎo)]苯酚被濃溴水所取代，形成了三種不同的三溴苯酚：2、4和6，這些化合物的存在，是否能得出一個(gè)重要的結(jié)論？

[學(xué)生]通過(guò)比較苯、苯酚、溴的取代條件及其產(chǎn)生的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)羥基對(duì)苯環(huán)的作用是顯著的，它大大提高苯環(huán)的替換性。

[評(píng)論]由于濃溴水具有極高的靈敏度，它已成為日常生活及工業(yè)實(shí)踐中廣泛使用的苯酚的定性及定量分析方法。

通過(guò)從反面的角度探索事實(shí)，希望幫助學(xué)生更好地理解新的思維模型的構(gòu)建，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行深入的分析和探究。通過(guò)深入探究“模型法”，學(xué)生可以更好地理解并掌握“模型認(rèn)知”，提升他們的學(xué)習(xí)能力和素養(yǎng)。

（四）苯酚基團(tuán)的“價(jià)值”

[圖片展示]苯酚的用途

[點(diǎn)評(píng)]苯酚雖然在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療中被廣泛使用，但如果不正確地使用它，就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此，必須以辯證的態(tài)度來(lái)看待它。除了苯酚，其他酚類(lèi)物質(zhì)也在日常生活中扮演著重要的角色。

[任務(wù)情境]丁香酚被認(rèn)為是一種具有重要意義的香料，因此，需要通過(guò)分析它的結(jié)構(gòu)來(lái)探究它的特性；對(duì)“從丁香花中提取丁香酚”進(jìn)行解決。研究丁香精油中酚的含量。

[課堂總結(jié)]利用生物遺傳學(xué)的理論，運(yùn)用比較、預(yù)測(cè)、歸納以及實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)苯酚的知識(shí)進(jìn)行深入探究，有利于構(gòu)建“官能團(tuán)決定物質(zhì)特性”和“基團(tuán)間相互影響”兩大思考模型。通過(guò)不斷探究和實(shí)踐，可以更好地掌握思維模型，提高學(xué)習(xí)的效率。

設(shè)計(jì)意圖：本次設(shè)計(jì)旨在通過(guò)探究問(wèn)題來(lái)評(píng)估學(xué)生對(duì)苯酚特性的理解和模型應(yīng)用的掌握情況。通過(guò)模型預(yù)測(cè)新物質(zhì)，運(yùn)用其特性解決實(shí)際問(wèn)題，幫助學(xué)生深入理解“學(xué)以致用”化學(xué)概念，更好地體會(huì)“模型認(rèn)知”素養(yǎng)在實(shí)際應(yīng)用中的重要性。

結(jié)合上述教學(xué)案例，將“模型認(rèn)知”素養(yǎng)融入化學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是化學(xué)課堂教學(xué)的重要目標(biāo)，自然成為當(dāng)下一線化學(xué)教師教學(xué)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)，其主要用途體現(xiàn)在：

1.化學(xué)核心素養(yǎng)是當(dāng)下一線化學(xué)教師教學(xué)研究的重要目標(biāo)，它的主要用途是：通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入的思考，培養(yǎng)他們的科學(xué)思維，加深對(duì)化學(xué)知識(shí)的理解，通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例的教學(xué)，讓他們更好地掌握新的知識(shí)，同時(shí)也增強(qiáng)他們的科學(xué)探索能力和動(dòng)手能力。通過(guò)實(shí)際操作來(lái)驗(yàn)證和深化理論知識(shí)；通過(guò)科學(xué)探索，應(yīng)該培養(yǎng)出一種冷靜、謙虛、謹(jǐn)慎的心態(tài)，認(rèn)識(shí)到獲得成功并非易事，而是需要多次嘗試、反復(fù)檢驗(yàn)和驗(yàn)證自身的推斷；通過(guò)引導(dǎo)和指導(dǎo)，可以幫助學(xué)生建立多種化學(xué)思維模式，將零碎的知識(shí)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)完整的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)[6]。

2.激發(fā)學(xué)生的求知欲，培養(yǎng)他們的證據(jù)意識(shí)、求證能力、邏輯思維和提出問(wèn)題的能力。通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例教學(xué)，可以培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力，在創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)情境的同時(shí)，幫助他們更好地理解化學(xué)理論，使抽象的概念變得更加直觀，使微觀現(xiàn)象變得更加宏觀。此外，這種方式還激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突和好奇心。采用提出問(wèn)題、構(gòu)建假設(shè)、制訂探索步驟、解決問(wèn)題的方式，不但有助于增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐技能，更有助于他們形成良好的證據(jù)觀念、檢驗(yàn)技巧、思維能力以及解決問(wèn)題的思維模式。當(dāng)面臨生活中的挑戰(zhàn)時(shí)，應(yīng)該積極尋找解決方案，學(xué)習(xí)如何運(yùn)用科學(xué)的方法來(lái)解決問(wèn)題。教師在課堂上應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的特點(diǎn)和需求，靈活地運(yùn)用各種化學(xué)模型，以培養(yǎng)他們的分析能力和模型認(rèn)知能力。

結(jié)束語(yǔ)

將“模型認(rèn)知”的知識(shí)和技能納入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課堂中，無(wú)疑會(huì)帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)遇，盡管在實(shí)踐中會(huì)遇到一些挑戰(zhàn)，但憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一定能夠克服這些障礙。通過(guò)深入研究教材資源，提高自己的實(shí)驗(yàn)操作技能，以便在學(xué)生遇到困難時(shí)能夠及時(shí)幫助他們解決。

參考文獻(xiàn)

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本文系2022年青海省中小學(xué)教育教學(xué)研究課題：“雙減”背景下高中生化學(xué)模型思維培養(yǎng)的實(shí)踐研究。（課題編號(hào)：QJX22YB37）。