基于模型認(rèn)知的深度教學(xué)實(shí)踐

摘要： 基于深度學(xué)習(xí)理論，以書寫和調(diào)控陌生化學(xué)反應(yīng)為學(xué)習(xí)主題，通過建構(gòu)各種平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型，使書寫陌生反應(yīng)變得“有理可循”；通過應(yīng)用模型解決實(shí)際問題，使調(diào)控反應(yīng)變得“有理可控”；通過作業(yè)反饋，檢驗(yàn)深度學(xué)習(xí)的效果。培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，促進(jìn)變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 平衡思想; 模型認(rèn)知; 深度教學(xué); 書寫和調(diào)控陌生化學(xué)反應(yīng); 高三復(fù)習(xí)

文章編號(hào)： 1005-6629（2024）06-0051-07 中圖分類號(hào)： G633．8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

化學(xué)的特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，以符號(hào)形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)［1］?；瘜W(xué)符號(hào)作為宏觀物質(zhì)和微觀世界的抽象表達(dá)方式，是化學(xué)家進(jìn)行化學(xué)思維的工具［2］，也是學(xué)生進(jìn)行化學(xué)學(xué)習(xí)的工具。陌生化學(xué)反應(yīng)的方程式的書寫、分析與調(diào)控等是高考的重點(diǎn)內(nèi)容，突出考查學(xué)生的宏觀辨識(shí)與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知等素養(yǎng)水平。

查閱有關(guān)陌生化學(xué)反應(yīng)的方程式的文獻(xiàn)，多數(shù)是從配平策略進(jìn)行研究，較少挖掘“平衡與化學(xué)反應(yīng)”之間的聯(lián)系，忽視了平衡對(duì)化學(xué)反應(yīng)的指導(dǎo)作用，使學(xué)生的學(xué)習(xí)停留在淺層學(xué)習(xí)、機(jī)械學(xué)習(xí)，阻礙了學(xué)生高階思維的發(fā)展；較少創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，忽視了陌生反應(yīng)的方程式的調(diào)控價(jià)值，無法激發(fā)學(xué)生的思維、情感、價(jià)值觀的全面參與。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》建議教師在組織教學(xué)時(shí)應(yīng)有目的、有計(jì)劃地進(jìn)行“認(rèn)識(shí)思路”和“核心觀念”的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，逐步提升學(xué)生的化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)化水平，發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［3］。已有研究表明，深度學(xué)習(xí)是促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的有效途徑。深度教學(xué)強(qiáng)調(diào)在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，從宏微結(jié)合、變化守恒的視角，運(yùn)用證據(jù)推理與模型認(rèn)知等深度學(xué)習(xí)的思維方式，解決綜合復(fù)雜的問題，獲得結(jié)構(gòu)化的化學(xué)核心知識(shí)，建立運(yùn)用化學(xué)學(xué)科思想解決問題的思路方法，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力［4］。

1 教學(xué)主題的確定

基于以上分析，筆者在高三一輪復(fù)習(xí)“氮及其化合物”專題時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型，使書寫陌生化學(xué)反應(yīng)的方程式變得“有理可循”；選定去除廢水中的氨態(tài)氮為挑戰(zhàn)性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)去除方案，表征并調(diào)控陌生反應(yīng)，使調(diào)控反應(yīng)變得“有理可控”。積極開展建構(gòu)學(xué)習(xí)與問題解決學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

2 教學(xué)目標(biāo)

（1） 通過課前書寫陌生化學(xué)反應(yīng)的方程式，診斷書寫角度與書寫水平；通過評(píng)價(jià)與討論，診斷預(yù)測(cè)及分析陌生反應(yīng)的角度與思路，建構(gòu)平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型。

（2） 通過課堂設(shè)計(jì)去除廢水中氨態(tài)氮的方案，激發(fā)學(xué)生主動(dòng)應(yīng)用平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型，對(duì)陌生反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析、調(diào)控，建構(gòu)真實(shí)情境中調(diào)控復(fù)雜變化的思路。

（3） 通過課后分析“鎂基儲(chǔ)氫材料MgH2制H2”的原理和效果，診斷學(xué)生應(yīng)用模型表征陌生化學(xué)反應(yīng)的水平以及分析、解決實(shí)際問題的能力。

（4） 通過表征陌生化學(xué)反應(yīng)，體會(huì)“宏觀與微觀”“定性與定量”“量變與質(zhì)變”“物質(zhì)的變化是有條件的”等化學(xué)學(xué)科思想方法，感悟反應(yīng)原理對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的指導(dǎo)作用與重要價(jià)值。

3 教學(xué)過程

3.1 課前診斷

選取2019年北京高考試題中的一問，要求學(xué)生寫出Ag2SO3溶于氨水的離子方程式，滿分為2分。將學(xué)生作答情況分類后，由學(xué)生作為課堂評(píng)價(jià)的主體，展現(xiàn)出對(duì)平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知水平，見表1。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型

通過分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)分解、化合、配位平衡的關(guān)注不足，還沒有形成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知，在陌生情境中利用平衡思想預(yù)測(cè)、書寫陌生化學(xué)反應(yīng)的方程式的能力較弱。教師引導(dǎo)學(xué)生通過討論、交流，建構(gòu)各類平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型（見圖1）。

通過建構(gòu)模型，引導(dǎo)學(xué)生拋棄死記硬背、胡編亂造、題海戰(zhàn)術(shù)等書寫方程式的錯(cuò)誤想法，體會(huì)到化學(xué)方程式的書寫是“有理可循”的。

3.3 應(yīng)用認(rèn)知模型解決實(shí)際問題

應(yīng)用模型才能彰顯建構(gòu)模型的價(jià)值?；瘜W(xué)的魅力不僅可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，而且可利用化學(xué)知識(shí)調(diào)控轉(zhuǎn)化。調(diào)控反應(yīng)可激發(fā)學(xué)生從“解題”到“解決實(shí)際問題”，有利于學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上，把握知識(shí)之間的有機(jī)聯(lián)系，做出決策［5］；學(xué)生的思維、情感、價(jià)值觀等全面參與，有助于深度學(xué)習(xí)的發(fā)生和高階思維的培養(yǎng)?；诖?，筆者以去除廢水中的氨態(tài)氮為真實(shí)情境，讓學(xué)生在活動(dòng)中主動(dòng)應(yīng)用認(rèn)知模型解決實(shí)際問題。教學(xué)流程見表2。

教學(xué)主要片段闡釋如下。

環(huán)節(jié)1：設(shè)計(jì)方案、拓寬思路

［任務(wù)1］廢水中氨態(tài)氮多以NH+4、 NH3·H2O和NH3的形式存在，廢水脫氮是主要污染物減排和水體富營養(yǎng)化防治的研究熱點(diǎn)。請(qǐng)?zhí)岢雒摰乃悸贰?/p>

［生1］將-3價(jià)的氮氧化為0價(jià)的對(duì)環(huán)境無污染的氮?dú)狻?/p>

［生2］利用NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-的平衡，改變條件，使平衡逆

向移動(dòng)，使氮元素脫離水體。

［任務(wù)2］如果利用平衡的角度脫氮，請(qǐng)?zhí)岢鼍唧w的方法。

［生1］加堿法或加熱法，均可使平衡逆向移動(dòng)，使水體中的氮元素減少。

［生2］廢水量大，直接加熱會(huì)消耗大量的熱能。可將加熱法和加堿法聯(lián)合使用。

［提供資料］對(duì)某氨氮廢水進(jìn)行微波加熱，pH對(duì)氨態(tài)氮脫除的影響如表3所示。

［生］通過對(duì)比、分析，加熱法和加堿法聯(lián)合使用效果較好。該方法雖然可使氨態(tài)氮濃度降低，但廢水中仍有氨態(tài)氮剩余，應(yīng)進(jìn)一步去除。

［提供資料］展示必修2教材中的海水提溴工藝流程圖。

［任務(wù)3］分析提溴的工藝，設(shè)計(jì)廢水脫氮的方案。

［生］流程中利用廉價(jià)的空氣將生成的溴從大量海水中“吹出”，可使溴得到很

大程度的富集。脫氮的方案可設(shè)計(jì)為：加堿-微熱-吹出-吸收。

［師］能用沉淀法降低水中的氨氮量嗎？

［生］不能，因?yàn)槌Ｒ姷匿@鹽均為可溶或易溶于水。

［任務(wù)4］向氨氮廢水中投入MgCl2和Na2HPO4，可生成MgNH4PO4·6H2O沉

淀，可將氨態(tài)氮含量降至10mg·L-1以下。寫出該反應(yīng)的離子方程式。

［生］Mg2++NH3·H2O+HPO2-4+5H2OMgNH4PO4·6H2O↓

環(huán)節(jié)2：分析原理、改進(jìn)方案

［任務(wù)5］若16℃時(shí)，向廢水中加入MgCl2和Na2HPO4，使鎂、氮、磷物質(zhì)的

量之比為1∶1∶1。預(yù)測(cè)沉淀過程中pH對(duì)剩余的氨態(tài)氮濃度有何影響？說明理由。

［生1］體系中存在NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-的動(dòng)態(tài)平衡，增大pH，c（OH-）

增大，平衡逆向移動(dòng)，c（NH+4）減少，生成沉淀的量也減小。

［生2］體系中還存在①水解平衡：HPO2-4+H2OH2PO-4+OH-，②電離平衡：HPO2-4H++PO3-4，增大pH，c（OH-）增大，水解平衡逆向移動(dòng)，電離平衡正向移動(dòng)，c（PO3-4）增大，生成沉淀的量也增大。

［生3］Mg2++2OH-Mg（OH）2，增大pH，c（OH-）增大，可能促進(jìn)沉淀反應(yīng)的發(fā)生，與生成MgNH4PO4·6H2O沉淀的反應(yīng)形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

［任務(wù)6］結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)探尋調(diào)控方案，并結(jié)合反應(yīng)原理解釋方案。

［提供資料］展示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，見圖2。

［生1］由圖2可知，欲使剩余氨態(tài)氮濃度低于10mg·L-1，pH的適宜范圍是8～10。

［生2］若pH偏大，c（OH-）大，抑制NH3·H2O的電離，促進(jìn)Mg（OH）2沉淀的形成，使NH+4和Mg2+濃度均偏低；若pH偏小，c（H+）大，抑制HPO2-4電離（同時(shí)促進(jìn)HPO2-4水解），使PO3-4濃度偏低。因此pH偏大或偏小均不利于MgNH4PO4·6H2O的生成。

［總結(jié)］經(jīng)過學(xué)生的討論、展示、交流，教師引導(dǎo)學(xué)生在理解的基礎(chǔ)上，將知識(shí)結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識(shí)思路結(jié)構(gòu)化，見圖3。

［任務(wù)7］總結(jié)在真實(shí)情境中調(diào)控變化的思維路徑。

［師生］建構(gòu)思維路徑，見圖4。

4 設(shè)計(jì)課后作業(yè)，檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果

筆者以“鎂基儲(chǔ)氫材料MgH2制H2”為素材，在課后作業(yè)中開展深度學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)，題目和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4，評(píng)價(jià)結(jié)果及學(xué)生優(yōu)秀分析樣例見表5。

5 教學(xué)效果與反思

5.1 教學(xué)效果

本課例引導(dǎo)學(xué)生通過深度參與，讓學(xué)生積極、主動(dòng)地學(xué)習(xí)；通過深度理解，開展遷移學(xué)習(xí)。課前作業(yè)和課堂評(píng)價(jià)為不同認(rèn)識(shí)水平的學(xué)生提供了展示的平臺(tái)，教師鼓勵(lì)學(xué)生自評(píng)、互評(píng)，激發(fā)了學(xué)生積極的內(nèi)在動(dòng)機(jī)。學(xué)生在評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)個(gè)體知識(shí)結(jié)構(gòu)化的差異，主動(dòng)建構(gòu)平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的認(rèn)知模型，領(lǐng)悟到陌生反應(yīng)的書寫不是“胡猜瞎蒙”的，而是“有理可循”的。在應(yīng)用模型解決廢水脫氮的挑戰(zhàn)性任務(wù)中，學(xué)生的知識(shí)遷移從被動(dòng)、無序、滯留狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變成主動(dòng)、有序和順暢；學(xué)生的認(rèn)知從不能用沉淀反應(yīng)脫氮，發(fā)展到建構(gòu)形成MgNH4PO4·6H2O沉淀的結(jié)構(gòu)化模型，學(xué)生驚喜地發(fā)現(xiàn)變化之間的“互促關(guān)系”與“競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系”，感悟到利用方程式的表征變化具有直觀形象的作用，而建構(gòu)多個(gè)方程式的結(jié)構(gòu)化模型對(duì)解釋、分析和調(diào)控復(fù)雜變化具有清晰的導(dǎo)引價(jià)值，使調(diào)控復(fù)雜變化“有理可控”。從而發(fā)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的價(jià)值，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。許多學(xué)生在作業(yè)中分析“鎂基儲(chǔ)氫材料MgH2制H2”的原理和效果時(shí)，利用模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化的分析，部分學(xué)生還利用了分類法、圖示法等方法輔助分析，展示出對(duì)物質(zhì)組成與性質(zhì)、平衡與變化、速率與限度、促進(jìn)與競(jìng)爭(zhēng)等關(guān)鍵問題的思維角度與認(rèn)識(shí)深度。

5.2 教學(xué)反思

5.2.1 學(xué)以致用，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，激發(fā)學(xué)生的十項(xiàng)思維要素

知識(shí)的功能價(jià)值只有在基于真實(shí)學(xué)習(xí)情境的豐富多樣的學(xué)科能力活動(dòng)中才可能轉(zhuǎn)化為學(xué)生自覺主動(dòng)的、合理的認(rèn)識(shí)方式，形成核心素養(yǎng)［6］，這就需要教師先要深度選材［7］，再開展深度教學(xué)。本課例選擇了生產(chǎn)環(huán)保情境，引導(dǎo)學(xué)生開展去除廢水中氨態(tài)氮的研究，激發(fā)學(xué)生的分類與比較、預(yù)測(cè)與設(shè)計(jì)、分析與推理、解釋與歸納、反思與批判等十項(xiàng)思維要素。學(xué)生從單純的做題者變?yōu)榻鉀Q實(shí)際問題的深度參與者，學(xué)習(xí)的過程從淺層學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)向了深度學(xué)習(xí)。

5.2.2 分層設(shè)計(jì)，讓不同思維水平的學(xué)生都能找到適合自己的“最近發(fā)展區(qū)”

以本節(jié)課為例，對(duì)于思維水平較弱的學(xué)生，重點(diǎn)引導(dǎo)他們分析陌生方程式的書寫是“有理可循”的，讓學(xué)生在理解平衡與化學(xué)反應(yīng)關(guān)系的過程中，領(lǐng)悟到平衡對(duì)研究化學(xué)反應(yīng)的指導(dǎo)作用；對(duì)于思維水平較強(qiáng)的學(xué)生，重點(diǎn)引導(dǎo)他們?cè)诨顒?dòng)中主動(dòng)有序地尋找反應(yīng)原理，調(diào)控反應(yīng)，使陌生反應(yīng)“有理可控”，使學(xué)生感受到知識(shí)間豐富的邏輯關(guān)系，建立對(duì)程序性知識(shí)的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)［8］。

5.2.3 循序漸進(jìn)，搭建深度學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)平臺(tái)，助推學(xué)生高階思維的發(fā)展

學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展和提升是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，與課堂上教師的助力不同，完成作業(yè)是學(xué)生獨(dú)立解決問題的過程［9］，作業(yè)可成為檢驗(yàn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)效果的平臺(tái)。以本文中的作業(yè)為例，第（5）問難度最大，如果按第（4）問建構(gòu)起來的思維模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相反的。這對(duì)學(xué)生的比較、分析、反思與批判思維要素是一項(xiàng)重要的檢測(cè)。在課堂交流中發(fā)現(xiàn)：有70%的學(xué)生能明確指出需要對(duì)比Ni2+和Cu2+的性質(zhì)，也能羅列出粒子可能涉及的主要性質(zhì)，體現(xiàn)了“比較”的思維要素；有40%的學(xué)生能畫出體系模型，結(jié)合題意大膽進(jìn)行正向預(yù)測(cè)與逆向推理，指明了復(fù)雜變化中的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，體現(xiàn)了“分析、推理、反思、批判”等思維要素。通過學(xué)生對(duì)作業(yè)的深度思考以及教師對(duì)作業(yè)中思維要素的深度點(diǎn)評(píng)，助推了學(xué)生高階思維的發(fā)展。

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*北京市教育學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)科學(xué)專業(yè)委員會(huì)課題“基于深度學(xué)習(xí)的高中化學(xué)單元整體教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：xxkxkt2023dc011）階段性研究成果。