從化學(xué)信息素養(yǎng)出發(fā)，走向模型認(rèn)知

【摘要】文章通過(guò)分析屠呦呦提取青蒿素的過(guò)程，歸納物質(zhì)制備方案設(shè)計(jì)的一般流程，以近幾年江蘇省高考化學(xué)物質(zhì)制備方案的設(shè)計(jì)題為例，以培育學(xué)生的化學(xué)信息素養(yǎng)為出發(fā)點(diǎn)，建構(gòu)物質(zhì)制備方案模型。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué)；化學(xué)信息素養(yǎng)；模型認(rèn)知；模型建構(gòu)；物質(zhì)制備方案

【基金項(xiàng)目】本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度重點(diǎn)自籌課題“中學(xué)化學(xué)課程實(shí)施中提升學(xué)生信息素養(yǎng)的策略實(shí)踐研究”（批準(zhǔn)號(hào)：B-b/2020/02/157）、興化市教科研“十三五”2020年度省市立項(xiàng)課題“科學(xué)論證視域下的化學(xué)教學(xué)適切性研究”（批準(zhǔn)號(hào)：2019JK13-L369）的研究成果。

作者簡(jiǎn)介：宗漢（1974—），男，江蘇省興化市楚水實(shí)驗(yàn)學(xué)校。

信息素養(yǎng)和模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分，兩者內(nèi)涵豐富、相互關(guān)聯(lián)。高中化學(xué)教師應(yīng)注重培育學(xué)生的化學(xué)信息素養(yǎng)，讓他們建構(gòu)物質(zhì)制備方案設(shè)計(jì)的模型認(rèn)知，并學(xué)會(huì)運(yùn)用模型認(rèn)知解決化學(xué)

問(wèn)題。

一、化學(xué)信息素養(yǎng)與模型建構(gòu)的基本內(nèi)涵

《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》指出，信息素養(yǎng)較強(qiáng)的學(xué)生應(yīng)能夠全面準(zhǔn)確地獲取信息，閱讀和理解學(xué)科文本、基本符號(hào)，并從陌生情境中提取有效信息；能夠準(zhǔn)確分析、概括和描述學(xué)科所涉及的規(guī)律或原理，最終解決真實(shí)陌生情境下的問(wèn)題?？梢?jiàn)，化學(xué)信息素養(yǎng)是指學(xué)生在真實(shí)、復(fù)雜且陌生的問(wèn)題情境中，通過(guò)閱讀、分析、化學(xué)實(shí)驗(yàn)等途徑準(zhǔn)確而又快速地獲取化學(xué)信息，對(duì)化學(xué)信息進(jìn)行多角度、多層面、系統(tǒng)化的加工處理，最終建構(gòu)解決化學(xué)問(wèn)題的認(rèn)知模型的能力。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，“模型認(rèn)知”是高中化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分，其主要內(nèi)涵為借用已有的科學(xué)模型或運(yùn)用模型方法自主建構(gòu)模型，從而分析、解決問(wèn)題。

信息素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分，學(xué)生可以通過(guò)多種途徑獲取化學(xué)信息，對(duì)這些化學(xué)信息進(jìn)行“內(nèi)化”，建構(gòu)具有普遍意義的認(rèn)知模型，從而提高自身思維發(fā)展水平的深度和廣度，有效提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、基于化學(xué)信息素養(yǎng)與模型建構(gòu)的“物質(zhì)制備方案”教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

（一）教學(xué)內(nèi)容

《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，學(xué)生應(yīng)能夠設(shè)計(jì)一些較為簡(jiǎn)單的綜合實(shí)驗(yàn)（如物質(zhì)轉(zhuǎn)化、分離提純、性質(zhì)應(yīng)用）；能根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康倪x用適宜的實(shí)驗(yàn)方法（如變量控制），控制反應(yīng)條件，安全完成實(shí)驗(yàn)；能用相關(guān)信息（如符號(hào)、數(shù)據(jù)、圖表）描述實(shí)驗(yàn)證據(jù)并進(jìn)行分析推理，最終形成實(shí)驗(yàn)方案；能基于“綠色化學(xué)”理念設(shè)計(jì)制備物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化?；诖?，教師分析并歸納近六年化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的考試內(nèi)容（如表1所示）。

（二）教學(xué)目標(biāo)

第一，學(xué)生能夠依據(jù)已有知識(shí)和題目信息分析物質(zhì)制備原料中的成分和目標(biāo)產(chǎn)物；第二，學(xué)生能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c物質(zhì)制備過(guò)程中的化學(xué)原理，繪制物質(zhì)制備的流程圖，并建構(gòu)制備實(shí)驗(yàn)方案的認(rèn)知模型；第三，學(xué)生能夠用文字規(guī)范地表達(dá)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論，并能從實(shí)驗(yàn)步驟、反應(yīng)原理等方面對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（三）教學(xué)過(guò)程

【學(xué)習(xí)化學(xué)史，認(rèn)識(shí)模型認(rèn)知】

首先，教師展示相關(guān)資料，介紹青蒿素的化學(xué)結(jié)構(gòu)式（如QW7IZSaRMaguhC1313IuCA==圖1所示）和性質(zhì)：青蒿素，無(wú)色針狀，易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯，可溶于乙醇、乙醚，微溶于冷石油醚，幾乎不溶于水。因其具有特殊的過(guò)氧基團(tuán)，它對(duì)熱不穩(wěn)定，易受濕、熱還原性物質(zhì)的影響而分解。教師提問(wèn)：“屠呦呦為什么會(huì)想‘浸泡、絞汁？為什么不用水煎呢？’”以此引導(dǎo)學(xué)生閱讀材料，提取有用信息解決問(wèn)題（如青蒿素幾乎不溶于水，對(duì)熱不穩(wěn)定，受熱分解）。

其次，教師介紹屠呦呦發(fā)現(xiàn)青蒿素的過(guò)程：1971年，屠呦呦的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)190次實(shí)驗(yàn)失敗后，通過(guò)研究大量醫(yī)學(xué)古籍，尋找新的萃取劑—乙醚，并在低溫（60℃）條件下成功制成標(biāo)號(hào)191#的中性提取物。1972年11月，該團(tuán)隊(duì)從青蒿乙醚提取物中進(jìn)一步分離出無(wú)色結(jié)晶物，并將其命名為青蒿素［1］。教師提問(wèn)：“為什么研究團(tuán)隊(duì)改用低溫提取，利用乙醚回流或冷浸，而后用堿溶液除掉酸性部位的方法制備樣品？”以此引導(dǎo)學(xué)生閱讀材料，理解條件控制對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的重要性。而后，教師提問(wèn)：“屠呦呦研究團(tuán)隊(duì)重新設(shè)計(jì)了提取方法，其整體方案主要有哪些方面？”以此，教師帶領(lǐng)學(xué)生繪制“模擬提取青蒿素的實(shí)驗(yàn)流程圖”（如圖2所示）。

最后，教師介紹道：“2015年12月10日，中國(guó)科學(xué)家屠呦呦獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，她開(kāi)創(chuàng)性地從中草藥中分離出青蒿素應(yīng)用于瘧疾治療，挽救了許多人的生命?！币源耍龑?dǎo)學(xué)生深刻理解屠呦呦研究團(tuán)隊(duì)提取和研究青蒿素的價(jià)值。

【剖析高考題，初步建構(gòu)模型】

例1（2019年江蘇高考化學(xué)題節(jié)選）：實(shí)驗(yàn)室以工業(yè)廢渣（主要含CaSO4·2H2O，還含少量SiO2、Al2O3、

Fe2O3）為原料制取輕質(zhì)CaCO3和（NH4）2SO4晶體，其實(shí)驗(yàn)流程如下。

濾渣水洗后，經(jīng)多步處理得到制備輕質(zhì)CaCO3所需的CaCl2溶液。設(shè)計(jì)以水洗后的濾渣為原料，制取CaCl2溶液的實(shí)驗(yàn)方案： ▲ 。［已知：pH=5時(shí)Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀完全；pH=8.5時(shí)Al（OH）3開(kāi)始溶解。實(shí)驗(yàn)中必須使用的試劑為鹽酸和Ca（OH）2固體］

第一環(huán)節(jié)，確定目標(biāo)。教師引導(dǎo)學(xué)生提取題干信息：目標(biāo)產(chǎn)品為輕質(zhì)CaCO3所需的CaCl2溶液。

第二環(huán)節(jié)，確定原料。教師引導(dǎo)學(xué)生分析題目信息：工業(yè)廢渣主要含有CaSO4·2H2O，還含有少量雜質(zhì)；加入（NH4）2CO3溶液浸取，CaSO4與（NH4）2CO3反應(yīng)生成CaCO3和（NH4）2SO4，而SiO2、Al2O3和Fe2O3與（NH4）2CO3不反應(yīng)。故本實(shí)驗(yàn)方案中原料為水洗后的濾渣。

第三環(huán)節(jié)，厘清流程。學(xué)生依據(jù)題目中的條件信息和已學(xué)的化學(xué)原理，明確了實(shí)驗(yàn)方案的流程（如

圖3所示）。

第四環(huán)節(jié)，規(guī)范步驟。本實(shí)驗(yàn)有兩處細(xì)節(jié)需要規(guī)范：一是酸溶時(shí)，為了防止反應(yīng)速率過(guò)快，使得CO2大量放出，從而導(dǎo)致反應(yīng)物沖出反應(yīng)容器，應(yīng)在攪拌的情況下向足量的鹽酸中分批加入少量濾渣，其反應(yīng)終點(diǎn)為“觀察不到氣泡產(chǎn)生”；二是中和除雜時(shí)，應(yīng)確保Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀完全，但Al（OH）3不能溶解轉(zhuǎn)化為［Al（OH）4］ -。

第五環(huán)節(jié)，建構(gòu)模型。教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟學(xué)生繪制“從礦石或廢渣中獲得A溶液的認(rèn)知模型圖”（如圖4所示）。

最后，根據(jù)以上教學(xué)環(huán)節(jié)，師生共同歸納總結(jié)，建構(gòu)物質(zhì)制備方案模型（如圖5所示）。

【研究高考題，應(yīng)用模型認(rèn)知】

例2（2023年江蘇高考化學(xué)題節(jié)選）：補(bǔ)充完整制取MgSO4·H2O晶體的實(shí)驗(yàn)方案：向含有少量Fe3+、Al3+的MgSO4溶液中， ▲ 。（已知：Fe3+、Al3+在pH時(shí)完全轉(zhuǎn)化為氫氧化物沉淀；室溫下從MgSO4飽和溶液中結(jié)晶MgSO4·7H2O，150～170℃下MgSO4·7H2O干燥得到MgSO4·H2O，實(shí)驗(yàn)中需要使用MgO粉末）

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖侵迫gSO4·H2O，主要考查學(xué)生對(duì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的控制和化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生借鑒此前建構(gòu)的物質(zhì)制備方案模型進(jìn)行思考、分析和解決問(wèn)題。

學(xué)生結(jié)合題目條件（信息）和物質(zhì)制備方案模型在導(dǎo)學(xué)案上繪制物質(zhì)制備方案設(shè)計(jì)的流程圖。教師對(duì)學(xué)生的活動(dòng)進(jìn)行指導(dǎo)和評(píng)價(jià)，并利用投影展示部分學(xué)生作品，讓學(xué)生分享自己設(shè)計(jì)的思路和實(shí)驗(yàn)步驟，讓其他同學(xué)提出修改意見(jiàn)，從而不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，形成實(shí)驗(yàn)方案流程圖（如圖6所示）。

教師展示參考答案，解釋關(guān)鍵步驟和化學(xué)用語(yǔ)及其表達(dá)方式的規(guī)范化、邏輯化、科學(xué)化，指導(dǎo)學(xué)生用規(guī)范的化學(xué)語(yǔ)言表達(dá)實(shí)驗(yàn)流程。

參考答案：在攪拌下，分批加入少量MgO粉末，至用pH試紙測(cè)得pH≥5時(shí)停止加入，并進(jìn)行過(guò)濾，將濾液蒸發(fā)濃縮至溶液表面出現(xiàn)晶膜，降溫至室溫結(jié)晶，過(guò)濾、洗滌，所得晶體在150～170℃干燥。

三、教學(xué)反思

（一）提取與加工信息，培養(yǎng)信息素養(yǎng)

“物質(zhì)制備方案的設(shè)計(jì)”這一題型考頻高、區(qū)分度高，能有效考查學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。部分學(xué)生遇到此類題經(jīng)常失分，這主要是因?yàn)樗麄兾茨苋妗?zhǔn)確地獲取題目中的重要信息，未能從陌生情境中提取有效信息，難以將所學(xué)知識(shí)和新情境中的信息進(jìn)行加工、整合。因此，教師應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對(duì)化學(xué)文本閱讀的指導(dǎo)，讓學(xué)生采用“圈”“勾”“劃”等方法快速、準(zhǔn)確地獲取化學(xué)信息；同時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)化學(xué)信息進(jìn)行系統(tǒng)化的加工處理，讓學(xué)生學(xué)會(huì)準(zhǔn)確而規(guī)范地表達(dá)化學(xué)信息，從而逐步提升學(xué)生的化學(xué)信息素養(yǎng)。

（二）建構(gòu)認(rèn)知模型，培養(yǎng)核心素養(yǎng)

建構(gòu)認(rèn)知模型是高中化學(xué)的核心素養(yǎng)之一，也是學(xué)生重要的能力素養(yǎng)。部分學(xué)生不會(huì)“建?！保灿胁糠謱W(xué)生建構(gòu)了一些模型，但遇到新的情境時(shí)不會(huì)借助已經(jīng)建構(gòu)好的模型進(jìn)行分析和解決問(wèn)題，其原因可能是部分學(xué)生未能親自建構(gòu)和應(yīng)用模型。例如，在本課教學(xué)中，師生共同建構(gòu)“模擬提取青蒿素的實(shí)驗(yàn)流程圖”“從礦石或廢渣中獲得A溶液的認(rèn)知模型圖”等模型，但部分學(xué)生僅是機(jī)械模仿和生搬硬套，未能充分理解和有效運(yùn)用。由此，教師應(yīng)堅(jiān)持“為問(wèn)題建模”的理念，引導(dǎo)學(xué)生親自“建模”和“用?！?，讓他們?cè)隗w驗(yàn)、領(lǐng)悟中學(xué)會(huì)建構(gòu)科學(xué)、合理的認(rèn)知模型，并逐漸完善認(rèn)知模型，使其從“簡(jiǎn)略”走向“完整”［2］。

（三）重視原理方法，提升解決問(wèn)題的能力

化學(xué)原理與方法是學(xué)習(xí)化學(xué)的基石。在化學(xué)學(xué)習(xí)過(guò)程中，部分學(xué)生對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的條件、實(shí)驗(yàn)條件的控制、物質(zhì)的分離和提純，以及結(jié)合信息進(jìn)行推理判斷等原理和方法掌握得不夠扎實(shí)。例如，在“例1”的解答過(guò)程中，有的學(xué)生并未理解流程中的原理和目的，不明確濾渣中的成分，從而無(wú)法正確回答問(wèn)題。教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)化學(xué)原理和方法的重要性，讓學(xué)生理解并掌握化學(xué)原理與方法，提升他們解決化學(xué)問(wèn)題的能力。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，教師應(yīng)為學(xué)生提供動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)，通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)基本原理和操作的理解，讓學(xué)生從化學(xué)信息素養(yǎng)出發(fā)，走向模型認(rèn)知，從而有效提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)［3］。

【參考文獻(xiàn)】

［1］盧義欽.青蒿素的發(fā)現(xiàn)與研究進(jìn)展［J］.生命科學(xué)研究，2012，16（3）.

［2］朱志江，鄧善銀.例談思維建模的教學(xué)操作及應(yīng)用價(jià)值：以“制備實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)”復(fù)習(xí)教學(xué)為例［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（19）：52-55.

［3］周萍.例談思維建模在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.化學(xué)教學(xué)，2019（6）：83-87.