基于建模的教學探究

李嵐媛　白潔　閆春更　周寶石　周青

摘要：以化學鍵為例，基于建模教學的一般模式（情景分析、模型建立、模型分析、模型拓展、模型應用）設計教學，試圖讓學生完成對化學鍵概念的主動建構(gòu)。作者對此建模教學進行了實證研究，結(jié)果表明實驗班和控制班成績有顯著性差異，說明此建模教學顯著提高了教學效果。

關鍵詞：建模教學；化學鍵；教學設計

文章編號：1008-0546（2017）03-0007-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.002

一、引言

模型與建模是科學發(fā)展中的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力[1]。所謂模型是指對問題進行抽象、簡化、類比、概括，抓住主要特征，忽略次要特征，以不同的表征形式，例如圖像、文字、符號來呈現(xiàn)現(xiàn)象、概念、過程或是事件等，以達到不同的功能與目的。建模顧名思義即是建構(gòu)模型的過程，它是一種有效參與式的，重要的學習方式[2]。建模教學對促進學生知識的學習和思維的發(fā)展具有重要意義：其一，學生可以通過建構(gòu)歷程了解科學知識的本質(zhì)和來源，進而獲得對知識深刻而全面的理解[3]；其二，建模教學有利于落實以學生為主體的新課程理念，實現(xiàn)學生對知識的主動建構(gòu)；其三，建模教學可以培養(yǎng)學生抽象、概括、類比、模擬、歸納、演繹等思維能力。建模教學相比傳統(tǒng)教學的優(yōu)越性已經(jīng)得到很多研究的證實。

建模教學是美國物理學家David Hestenes[4]針對學生學習物理時普遍存在效率低、記憶時間短等問題首次提出來的一種有效教學方式，他認為只有當把物理理論的結(jié)構(gòu)和物理學家的思維、心理歷程清晰地展現(xiàn)出來，學生對客觀世界的相關認識才能實現(xiàn)由生活經(jīng)驗向科學概念的轉(zhuǎn)變。Hestenes認為建模教學主要包含四步：第一步，分析情境，確定建模目的；第二步，通過假設、類比等方法建立模型；第三步，分析模型的有效性、局限性；第四步，得出結(jié)論，并將模型應用于其它新問題中。1996年Halloun[5]在此基礎上提出了基于問題解決的建模過程，主要包含五個部分：（1）模型選擇，根據(jù)建模目的，從已有知識和經(jīng)驗中選擇一些基本的、簡單的模型；（2）模型建立，對所選模型的成分和結(jié)構(gòu)進行再次建造，并建立解決問題的數(shù)學模型；（3）模型效正，發(fā)揮批判性思維，根據(jù)具體的問題情境對模型作出適度的變型；（4）模型分析，加工數(shù)學模型，得到問題答案，并對答案作出解釋；（5）模型拓展，用已有模型去描述、解釋、預測新問題或者在此模型的基礎上進一步建立新模型。

本文在此基礎上提出化學建模教學的步驟：

（1）情景分析，通過感受實驗現(xiàn)象或?qū)嶋H生活問題，明確建模的目的；（2）模型建立，根據(jù)已有知識和經(jīng)驗通過類比、假設等方法建立模型，并借助概念、數(shù)字、圖形等對所建構(gòu)的模型進行表征；（3）模型分析，進一步確定模型的核心部分，分析該模型的局限性；（4）模型拓展，將此模型和其它情景相結(jié)合，建立新模型；（5）模型應用，將建立的模型應用到其它情境中。

化學鍵是高中化學的核心概念之一，它解釋了原子形成分子或物質(zhì)的過程，揭示了化學反應的實質(zhì)，有利于學生從微觀角度認識宏觀物質(zhì)和化學反應，對學生養(yǎng)成宏微結(jié)合、變化守恒的學科思想有著十分重要的作用。在化學鍵教學中，教師一般第一課時講授離子鍵，第二課時講授共價鍵，要求學生在學習離子鍵的基礎上進行知識遷移學習共價鍵。然而，考慮到實際課程安排情況，將離子鍵、共價鍵分課時講授導致學生類比遷移效果比較差，不利于學生類比遷移能力的發(fā)展和對化學鍵概念的整體建構(gòu)。此外，教師往往忽視概念的建立過程，課堂教學僅限于介紹概念、訓練鞏固概念，而不能引導學生厘清概念的來龍去脈，讓學生深入理解概念。本研究采用建模教學的方法，突出化學鍵概念發(fā)展的歷程，學生通過對比離子鍵和共價鍵形成過程的異同，完成對化學鍵概念的主動建構(gòu)。

二、教學過程

1. 情景分析

[教師活動]播放小視頻（豐富的物質(zhì)世界），引導學生回憶元素周期表中的元素數(shù)目，拋出問題——元素的原子如何形成物質(zhì)，引發(fā)學生思考討論。

[學生活動]觀看視頻，積極思考，小組討論2分鐘，小組代表闡述意見。

（得出原子之間存在一種相互作用力）

設計意圖：讓學生明白建構(gòu)化學鍵概念的原因，即讓學生明確現(xiàn)在要解決的問題是原子是怎樣形成分子或物質(zhì)的？

2. 模型建立

[教師活動]通過PPT展示人類對原子結(jié)合為分子的認識過程。

（古希臘哲學家根據(jù)他們當時已有的知識和經(jīng)驗認為原子都是帶鉤子的球體，原子和原子相遇時，發(fā)生鉤連；19世紀中期，隨著物理學的發(fā)展，人們把原子間的結(jié)合力類比于磁鐵的吸引或太陽系中各行星間的萬有引力；近代以來，隨著對原子結(jié)構(gòu)認識的不斷深化，人們發(fā)現(xiàn)當原子最外層電子是2（僅限于H和He）或8時，原子比較穩(wěn)定，并且每個原子都有達到外層電子充滿的趨勢。）

[學生活動]認真觀看PPT，聆聽老師的講解。

設計意圖：讓學生了解人們認識原子結(jié)合為分子的過程和化學鍵理論的發(fā)展歷程，借助此發(fā)展史促進學生對化學鍵概念的建立。

[教師活動]引導學生獨自畫出H、Na、Cl的原子結(jié)構(gòu)圖，按照2或8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模型分小組討論NaCl、HCl、H2、Cl2的形成過程。

[學生活動]先獨自畫出H、Na、Cl的原子結(jié)構(gòu)圖，再根據(jù)2或8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模型小組討論（6分鐘，可作適當調(diào)整）NaCl、HCl、H2、Cl2的形成過程，請小組代表發(fā)言。

設計意圖：體現(xiàn)新課標將學習的主動權(quán)真正地交給學生的理念，讓學生去積極思考，主動完成概念的建構(gòu)。

[教師活動]通過PPT動畫展示NaCl、HCl、H2、Cl2的形成過程。

[學生活動]觀看PPT，對比自己的建構(gòu)，體會離子鍵和共價鍵的形成過程。

設計意圖：動畫一方面直觀、清晰地向?qū)W生展示原子結(jié)合成為分子的過程，另一方面也可以彌補部分同學想象力和理解力不足的問題。

[教師活動]根據(jù)微粒間相互作用方式的不同，幫助學生建立離子鍵、共價鍵和化學鍵的概念。

[學生活動]在老師的引導下，建構(gòu)離子鍵和共價鍵的概念。

設計意圖：通過NaCl、HCl、H2、Cl2四種物質(zhì)所含化學鍵的異同，讓學生在比較和對比中建構(gòu)離子鍵和共價鍵的概念。

[教師活動]講述用原子結(jié)構(gòu)圖表示化學鍵形成過程的不足之處，即表示方法復雜，不適合廣泛應用，引出用電子式表示原子最外層的電子（板書舉例Na原子、Cl原子、Na離子、Cl離子的電子式）。

[學生活動]認真聆聽老師的講解，學習用電子式表示相應的原子或離子。

[教師活動]將學生分組，要求學生小組討論寫出K原子、S原子以及K+、S2-的電子式。

[學生活動]小組討論3分鐘后，每個小組抽取1個人上黑板分別寫K原子、S原子以及K+、S2-的電子式。

設計意圖：電子式的書寫對高一學生來說是一個全新的概念，需要教師通過具體實例板書說明，并通過學生練習進行強化。

[教師活動]投影加板書展示用電子式表示NaCl和HCl的形成過程，引導學生自己練習用電子式表示KCl、MgCl2和H2S的形成過程。

[學生活動]認真觀看投影和老師板書所展示的用電子式表示NaCl和HCl的形成過程。在老師的幫助下嘗試自己用電子式表示相應物質(zhì)的形成過程。

設計意圖：讓學生進一步理解離子鍵和化學鍵的形成過程，學會用電子式表示原子、離子以及相應物質(zhì)的形成過程。

3. 模型分析

[教師活動]借助PPT幫助學生回顧離子鍵和共價鍵的概念建構(gòu)過程，引導學生借助表1，通過小組討論總結(jié)共價鍵和離子鍵的異同并根據(jù)學生的情況進行補充、完善。

[學生活動]小組討論，完成表格；小組代表發(fā)言，小組之內(nèi)，小組之間互相補充；在老師的幫助下，完善離子鍵和共價鍵的相關知識。

設計意圖：讓學生通過小組內(nèi)、小組間合作的方式逐步學會自己總結(jié)知識。在教學中深入貫徹學生是主體，教師是主導的理念。

（4）模型拓展

[教師活動]根據(jù)化合物所含化學鍵的不同，科學家對化合物又進行了分類，具體是怎么分類的呢？

[學生活動]通過閱讀課本，獲得離子化合物和共價化合物的定義。

[教師活動]設置兩組化合物讓學生辨別其是離子化合物還是共價化合物？第一組：NaCl、Na2O、HCl、H2S；第二組：MgSO4、Ca（NO3）2、NaOH。

[學生活動]根據(jù)離子化合物和共價化合物的定義進行判斷。（第一組化合物皆只含一種化學鍵，學生都能正確判斷，但是第二組化合物既含離子鍵又含共價鍵，根據(jù)課本上的定義，學生認為它們既是共價化合物又是離子化合物。）

[教師活動]指出課本上共價化合物的定義不嚴謹，應當是“只含共價鍵的化合物叫做共價化合物”。

[學生活動]明確共價化合物的定義，重新判斷第二組化合物的種類。

設計意圖：在學習離子鍵和共價鍵的基礎上，豐富學生的物質(zhì)分類觀。教師首先引導學生閱讀課本，使其初步獲得離子化合物和共價化合物的分類標準，其次借助MgSO4、Ca（NO3）2等既含離子鍵又含共價鍵的化合物，引發(fā)學生認知沖突，隨后通過對課本共價化合物的完善改進，促使學生完成對離子化合物和共價化合物概念的建構(gòu)。

5. 模型應用

[教師活動]PPT展示化學反應的實質(zhì)就是化學鍵的斷裂和形成，并簡要說明化學反應的吸熱和放熱現(xiàn)象就是由化學鍵斷裂所吸收或化學鍵形成所釋放能量的不同引起的。為下節(jié)課的學習埋下伏筆。

[學生活動]通過PPT與老師的講解，從化學鍵的角度認識化學反應的實質(zhì)。

設計意圖：讓學生初步理解化學反應的實質(zhì)。

三、教學評價

筆者采用建模的教學方式進行“化學鍵”的教學，教學過程關注學生的既有知識和經(jīng)驗，既體現(xiàn)了建構(gòu)主義的教學觀和學習觀，還體現(xiàn)了以學生為主體的新課程理念。該建模教學主要包括：（1）情景分析，讓學生明確了學習化學鍵的原因和意義，激發(fā)了學生強烈的求知欲；（2）模型建立，借助化學史讓學生感受和了解化學鍵的發(fā)展歷程，選取合適的節(jié)點讓學生在科學家的基礎上自我發(fā)現(xiàn)、自我主動建構(gòu)化學鍵的涵義；（3）模型分析，學生通過思考、交流進一步明確離子鍵和共價鍵的異同；（4）模型拓展，在學習了離子鍵和共價鍵的基礎上，能從化合物所含化學鍵的種類入手建構(gòu)離子化合物和共價化合物的概念，以一種全新的分類方式對化合物進行分類；（5）模型分析，了解化學鍵在化學反應中的作用。當化學鍵的課堂教學進行這樣的調(diào)整之后，不管是課堂上學生的表現(xiàn)還是后期的紙筆測驗成績，都取得了令人滿意的結(jié)果。值得一提的是平常化學學習困難的同學在課后主動找我欣喜地說，他竟然能聽懂化學課，會做化學題了，平常化學學習一般的同學也說這節(jié)課邏輯清晰，聽得特別明白。學生的真實反饋足以說明該建模教學的有效性。

四、研究結(jié)果

1. 建模教學顯著提高學生學業(yè)成績。

筆者選取陜西省渭南市某中學同一化學老師教授的兩個高一平行班為研究對象，對此建模教學進行了實證研究。控制班也將化學鍵分為兩個課時，第一課時講授離子鍵，其流程為：先以氯化鈉為例，講解離子鍵的形成過程，再分別介紹離子鍵的定義、成鍵粒子、相互作用、形成條件，然后介紹離子化合物的概念，緊接著引入電子式概念，并分別學習用電子式表示原子、離子以及離子化合物，最后用電子式表示離子化合物的形成過程。第二課時講授共價鍵，其流程為：先以氯化氫為例，講解共價鍵的形成過程，再分別介紹共價鍵的定義、成鍵粒子、相互作用，然后用電子式表示共價化合物的形成過程，并區(qū)別出極性共價鍵與非極性共價鍵，給出了共價化合物的定義，最后講解了復雜共價化合物電子式的書寫。研究的主要內(nèi)容是編制化學鍵問卷，測定建模教學的實施是否對兩個班的教學效果產(chǎn)生顯著性差異。診斷試題共7道選擇題，每道題正確賦值1分，錯誤賦值0分，結(jié)果顯示：實驗班平均分為5.75；控制班平均分為3.80。用SPSS19.0對兩個班答題情況進行獨立樣本檢驗，結(jié)果顯示兩個班成績有顯著性差異，分析數(shù)據(jù)見表2。這表明基于建模的化學鍵教學，能有效提高學生學業(yè)成績。

2. 建模教學有利于學生理解和接受新知識。

本建模教學設計首先通過問題情境讓學生明白為什么要建構(gòu)化學鍵這一概念，激發(fā)學生的求知欲，接著利用人類對原子結(jié)合為分子的認識過程，讓學生在近代科學家研究的基礎上初步體會化學鍵的形成過程，最后學生通過對比微粒間的不同相互作用，完成對離子鍵和共價鍵概念的建構(gòu)。這樣的教學組織使學生深入知識發(fā)展的過程，不但學習了科學知識內(nèi)容，還了解了科學知識的本質(zhì)和來源，有利于學生理解和接受新知識，并且避免了學生學習知識時只知其然不知其所以然的狀況。

3. 建模教學鍛煉了學生抽象、概括、類比、模仿、歸納等各種思維能力。

建模教學除了有利于學生理解和接受化學概念之外，更重要的是促進了學生抽象、概括、類比、模擬、歸納等科學思維能力的發(fā)展。本教學設計在模型建立時讓學生通過對比微粒間作用方式的不同自主建構(gòu)離子鍵、共價鍵的概念，鍛煉了學生的類比、抽象概括能力；模型表征時讓學生模仿老師用電子式表示離子化合物和共價分子的形成過程，鍛煉了學生的模仿能力；模型分析時讓學生借助表格自主總結(jié)離子鍵和共價鍵的異同，鍛煉了學生的歸納總結(jié)能力。各種思維能力蘊涵著很高的認識價值，學生一旦將它們內(nèi)化為自己的認知圖式，就能更加透徹地理解科學知識，獲得認知水平的躍進。

4. 降低學生認知難度，活躍課堂氣氛。

建模教學以建構(gòu)主義為指導原則，關注學生原有經(jīng)驗并以此作為新知識的固著點和成長點，課堂教學以學生為主體，強調(diào)學生對知識的主動建構(gòu)。本教學設計正是以學生已初步掌握原子結(jié)構(gòu)、知道原子最外層電子數(shù)達到2或8時能夠穩(wěn)定存在這一原有認知為教學的切入點，引導學生自主建構(gòu)化學鍵的概念，降低學生的認知難度。建模教學強調(diào)小組討論，并營造良好的討論氛圍，構(gòu)建學生之間互相幫助、互相合作的活躍課堂。

五、啟發(fā)與思考

建模教學有利于落實新課程理念，將教學的重心從如何教轉(zhuǎn)向如何學，從關注結(jié)果轉(zhuǎn)向過程與結(jié)果并重[2]。教師成為學生學習的促進者與引導者，學生成為課堂的主體，是知識的建構(gòu)者和生成者。將建模思想引入實際教學，有利于學生構(gòu)建完整的知識體系，發(fā)展抽象、概括等各種思維能力，形成主動、積極的學習態(tài)度。建模教學作為一種高效的教學方式已廣泛應用于數(shù)學、物理學科，但在化學教學中的研究還很少，化學建模教學策略以及學生對化學進行建模學習的認知機制還有待進一步研究。

參考文獻

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