利用模型建構促進學生化學學習

張發(fā)新

摘要：化學科學模型是認識物質、改造物質和應用物質過程中所體現(xiàn)出的具有化學學科特征的具體或抽象的表征，主要包括形象模型、符號模型、數(shù)學模型，利用模型建構促進學生化學學習，能夠有效促進學生的認識發(fā)展，繼而促進學生化學核心素養(yǎng)提高。

關鍵詞：模型；化學模型；建構；化學教學

文章編號：1005–6629（2017）5–0024–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

“研究發(fā)現(xiàn)，化學學習的困難之一在于學生無法為巨觀的實驗現(xiàn)象與符號搭起聯(lián)系的橋梁。學生時常只記憶特定表征形式所建構的化學理論、實驗的結果以及特定的化學反應，殊不知割裂的、片段式的學習無法統(tǒng)整與理解化學符號與巨觀現(xiàn)象的關聯(lián)”[1]。化學教學中學生在掌握分子、原子、離子等概念時，從宏觀深入到微觀有一定困難，實驗教學常常是宏觀的再現(xiàn)，沒有起到引發(fā)微觀理解的作用，教學中若不致力基于化學模型的建構，就會既割斷了宏觀現(xiàn)象與微觀結構之間的聯(lián)系，也割斷了認識發(fā)展與學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、形成知識結構之間的聯(lián)系。其結果是既帶來學生化學基本觀念的匱乏，也造成了化學教學科學素養(yǎng)教育價值的貧乏。解決這一矛盾的有效方式之一，就是“利用模型建構促進學生化學學習”，在化學教學中形成物質性質及其變化的規(guī)律知識與化學模型的相互融合，促進學生化學核心素養(yǎng)的提高。

化學學科中許多概念都會以模型作為傳輸?shù)妮d體，模型能幫助學生理解并掌握從化學的視角認識、解釋物質結構、性質及其變化的思想方法，獲得“處理與化學相關的事物的能力”，“成為具有科學思想的反思性公民”。因為“科學教育的目標不是去獲得一堆由具體事實和學科理論雜亂無章地堆砌起來的知識，而應該是實現(xiàn)一個向核心概念逐步逼近的發(fā)展過程，這樣做有助于學生理解與他們生活相聯(lián)系的事件和現(xiàn)象”[2]。

2 模型的含義及化學模型的特征

模型是指人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象所作的一種簡化的描述。這種描述可以是定性的（如對原子結構的描述），也可以是定量的（如PV=nRT）。有的借助于具體的實物來描述（如分子結構的球棍模型），有的則通過抽象的形式（如符號、文字、公式等）來描述[3]。卡蒂爾等人總結了科學模型的五個特征：（1）模型可以表明和預測自然現(xiàn)象；（2）模型一向以實證的、概念化的標準來評價；（3）一種模型觀念反映的是某一自然過程；（4）模型由經驗的或理論的以及這些事物所參與的過程構成；（5）模型可以引導未來的學習、研究[4]。我國有學者把科學模型的表征歸納為直觀性、相似性、詮釋性三個特征[5]。

一種現(xiàn)象既包含偶然性要素，同時也包含一定規(guī)律性要素，化學家的主要目的正是從被研究的現(xiàn)象中區(qū)分出哪些是偶然性因素，哪些是確定性因素。根據某種化學現(xiàn)象觀察得到的東西，會產生“導致發(fā)生這樣現(xiàn)象的本質是什么”的疑問。如，我們察看Cu-Zn原電池小燈泡發(fā)亮有關現(xiàn)象，可能產生這樣的追問：原電池能量轉換的本質是什么？金屬中的電子和溶液中的離子是如何移動的？這就意味著我們并沒有把Cu-Zn原電池有關現(xiàn)象當作是完全隨機發(fā)生的，而是把所觀察到的東西作為一種現(xiàn)象來“理解”，而這種“理解”的過程實際上就是排除其中的偶然性突出其規(guī)律性。

化學模型是認識物質、改造物質和應用物質過程中所體現(xiàn)出的具有化學學科特征的具體或抽象的表征。作為一種認識方法和思維方式，化學模型具有三方面的含義：第一，在從客體到模型，以及由假說描述模型的過程中，經過發(fā)生、檢驗和修正模型等研究過程，獲取關于物質組成、結構、性質以及變化中內在微觀本質等信息，為形成化學理論奠定基礎；第二，建構一個能反映物質性質和變化過程中宏觀、微觀、符號本質聯(lián)系的化學模型，可被用來表明、理解、猜測物質的性質和變化；第三，通過化學模型的建構與應用，可以促進學生的科學思維以及心智模型的改進，有利于提高學生的化學核心素養(yǎng)。

基于以上對模型的探討，筆者認為，化學教學中呈現(xiàn)的模型主要包括形象模型、符號模型、數(shù)學模型。形象模型就是用圖像、圖表、模型等直觀工具使微粒結構及其運動規(guī)律具體化。如分子、原子結構，核外電子運動狀態(tài)、晶體結構等，化工流程圖等形象模型直觀地表明了化工生產的過程；用代表性的符號、用語來表示原型的元素及其各部分相互關系的化學符號模型，反映了物質的組成和結構，如化學式，化學方程式，結構式，結構簡式，實驗式等；數(shù)學模型通過數(shù)學表達式把微粒運動的內在屬性及各微粒之間的內在聯(lián)系用數(shù)學的方式表示出來。如反應速率方程、化學平衡常數(shù)方程、溶度積方程、理想氣體狀態(tài)方程等。

3 化學模型的教學功能價值

3.1 形象模型的建構增強了學生對物質微觀結構和物質多樣性的認識

形象模型能夠將化學物質的結構通過最簡單的方式呈現(xiàn)（如圖1），給學生感性上的認識，這有助于學生對此知識點的體會與識記，也對學生在今后更深入地探究物質性質及其變化的微觀本質有著很重要的啟發(fā)意義。

從圖1模型視角可將物質結構的基礎知識歸納為：一個理論（物質結構理論），兩個層面（原子、分子），三個視角（微粒、作用力、空間布局）。

按照皮亞杰的認知發(fā)展理論，思維發(fā)展水平“憑借演繹推理等形式解決抽象問題”階段的學生，物質結構模型的建構過程中主要憑借對事物的具體形象和表象的聯(lián)想來進行，認知活動處于具體經驗支持的邏輯思維水平，因而，建構的物質結構模型是不完整的。學生常常忽略一些其認為不重要的或沒有意義的部分。比如，我們在教學中發(fā)現(xiàn)學生描述原子時會說明其構成、大小及核外電子的運動狀態(tài)等，卻很少主動提及原子的形狀。在我們提示之后，大部分學生會說是球形，但他們不能具體描述是怎樣的球形。好多學生覺得我們的問題是“奇怪的”或“沒有意義的”。

物質結構的三個核心概念的主要內容則按原子結構、分子結構、晶體結構三個部分先后呈現(xiàn)（表1），每一個部分都是后一個部分的認知基礎，最終呈現(xiàn)為從原子結構到分子結構再到晶體結構這一“從里到外”、“逐漸長大”的從微觀回到宏觀的認識過程。

我們可將“物質結構”中的基礎知識、基本概念、核心概念之間的關系用認識模型表示（見圖2），從模型中可以清楚地看出，物質結構知識可拆解成由三個部分構成的知識框架，這一知識框架包含著眾多的基本概念，而從這些基本概念凝煉成的三個核心概念又正是物質結構模型的主要內容。因此，物質結構概念的教學既是建立知識框架的方法，也是建構物質結構模型的途徑。

運用上述模型，引導學生的認識從原子內（核與電子、核與核、電子與電子）到原子間（分子內——化學鍵），再到分子間（范德華力、氫鍵）的遞進，既逐步構建起“構成物質的微粒之間存在相互作用力”這一核心認識，也逐步建立起“物質由微粒構成，微粒又由更小的微粒構成”的基本觀念，以及逐步建立起認識“微粒”間的相互作用和相對位置的認識模型。

元素周期表也是化學形象模型之一，它表明了化學元素及其相關知識一個完整的自然序列規(guī)律，以深入認識原子內部結構為基礎，理解物質性質及其變化，形成“位、構、性”相互依從的基本認識，也建構了學習、研究物質性質及其變化規(guī)律的基本模型。

化工流程圖是化學形象模型的另一種形式，能有效解決材料、能源、環(huán)境、資源利用等問題的學習與研究，實現(xiàn)了化學知識由靜態(tài)向動態(tài)的轉化，使“死知識”與“活應用”相映生輝，強化了對化學模型的動態(tài)性、結構性和發(fā)展性的認知，也強化了學生可持續(xù)發(fā)展、科學處理人與自然等態(tài)度。

3.2 化學符號模型引導學生建立了“宏觀-微觀-符號”三重表征整體思維方式。

“宏觀-微觀-符號”三重表征形式在學生心理上的內化越豐富，越有利于學生對紛繁復雜的物質世界形成整體有序的認識，越有利于對物質性質及其變化全面和透徹地認識和理解，越有利于引導學生找到化學變化中宏觀與微觀之間的聯(lián)系與解釋模型，并將零散的物質性質及其變化的事實形成相互關聯(lián)的整體，形成以符號模型統(tǒng)攝的有意義的知識體系。

3.3 圖表、等式等數(shù)學模型促進學生學習化學知識從經驗層面發(fā)展到理論模型層面。

隨著人類對微粒結構和相互作用方式研究的深入，創(chuàng)立了化學動力學、化學熱力學等數(shù)學模型，形成了解釋復雜化學問題的數(shù)學表達式，逐漸建立了化學現(xiàn)象與模型之間的數(shù)量聯(lián)系，使得描述和解釋化學現(xiàn)象、預測物質性質及其變化的可能結果變得更為精確。在化學學習過程中引導學生逐漸學會運用數(shù)學模型，促進學生學習化學知識從經驗層面發(fā)展到理論模型層面，將邏輯的思維縝密化。

4 促進學生建構化學模型的教學策略

4.1 通過“對話”促進化學模型的建構

“教學對話就是通過老師的發(fā)問、鼓勵與引導，學生自由思考、自由表達而獲得知識技能、發(fā)展能力的教學方法”[6]，對話的重點是教師能有效地設定化學模型的問題認識與解決序列，不斷探詢學生對物質性質及其變化微觀本質的理解程度，引導學生迅速地尋找問題解決的策略。遞進式的“對話”重視的不是知識而是思考過程或思考體驗，它既促進了學生建構具有邏輯內聚力的化學模型結構，也促進了學生對模型的認識向深處發(fā)展。

例如，“從鋁土礦中提取鋁”的教學，在真實的情境“對話”中，應用鋁及其化合物之間的關聯(lián)和本質特征建構模型（見圖3），引導學生理解鋁的制備和應用的價值和方法，呈現(xiàn)出利用化學模型提升學生解決問題能力的作用。

情境1：鋁在地殼中含量7.73%，19世紀中期，拿破侖三世使用鋁制酒杯，而大臣們用的則是金杯和銀杯；1889年倫敦化學會把鋁制的花瓶和杯子作為貴重的禮物送給門捷列夫，表彰他發(fā)現(xiàn)了元素周期律為人類做出的巨大貢獻。

問題2：電解氧化鋁最需要解決的問題是什么？你還知道哪些提取金屬鋁的方法？為什么要從鋁土礦中提取鋁？如何從鋁土礦中提取鋁？

情境3：[實驗]探究氧化鋁的性質。實驗試劑與用品：氧化鋁、6.0mol/L NaOH、鹽酸、試管、膠頭滴管、藥匙、廢液缸等。實驗要求：寫出實驗方案、實驗現(xiàn)象和實驗結論。

問題3：如何找到一種能夠使氧化鋁熔融溫度降低的材料？

情境4：鋁的再生：“新世紀材料的亮點”再生鋁又稱二次鋁，是目前廢物界最有價值的材料。現(xiàn)在世界上每年從廢鋁回收的鋁量約為400萬噸，相當于每年鋁產量的25%左右，與以鋁土礦為起點相比，生產1噸再生鋁合金能量消耗僅為新鋁的2.6%，并節(jié)約10.5噸水，少用消耗固體材料11噸，比電解法制鋁時少排放CO2 91%，減少1.9噸廢液和廢渣。

問題4：未來可以從哪些方面減小鋁生產過程中的能耗和成本？調查收集金屬鋁在日常生活、生產、科研方面的應用，并說明這些應用體現(xiàn)了鋁的什么性質？并將調查報告和同學交流。

基于真實情境中的對話，引發(fā)了理論假設與實證檢驗不斷交互，引導學生將“圖3鋁土礦中提取鋁”模型結構各種關系的理解逐級向深處發(fā)展，準確把握鋁及其化合物轉化中微觀粒子運動的邏輯脈絡，化繁為簡，強化了對“認識事物要善于追根求源”觀點的理解，引導學生從對具體知識的理解上升到對化學基本問題的理解。

4.2 創(chuàng)設情境促進化學模型的建構

科學模型是科學性和假定性的辯證統(tǒng)一。它不僅要接受實踐的檢驗，而且要在實踐中不斷擴充、改進和修正。因此，在對化學模型的認識、建構和應用過程中：教師既要將注意力放在仔細觀察學生獲得觀念的發(fā)展上；也要關注學生的已有知識經驗，考察已有的心智模型類型及特點，同時還要關注其化學模型的發(fā)展歷程。

化學平衡是中學所涉及的四大平衡理論知識的核心，其思想貫穿于整個高中化學知識體系。它不僅是基礎知識，也是一種方法和觀察物質變化的一種視角，這種方法與視角既影響著學生的化學和其他學科學習，也影響著學生的生活。

影響學生建構化學平衡模型“ν正=ν逆≠0”因素有許多。一是學生需在這“宏觀-微觀-符號”表征方式之間進行有效的轉換，任何一種表征方式的缺失，都將不會產生學習的意義。如在飽和硫酸銅溶液中加入硫酸銅晶體，學生看到的只是晶體不溶解的宏觀現(xiàn)象，不能理解現(xiàn)象的微觀本質。二是“平衡”的思想在其他學科中也有所顯示，形成負遷移。如，物理中的受力平衡以及數(shù)學中等式雙邊的平衡，突出了“相等”的思想，學生會將這種想法遷移在化學平衡的學習中，認為向平衡體系中添加物質，會使反應的化學方程式兩邊不平衡，因而平衡發(fā)生移動。三是日常生活經驗以及語言的影響，產生認識誤差。

僅僅通過講授，一些學生難以體會或領悟平衡的動態(tài)性質。要想以科學概念替代學生認知結構中的錯誤概念，必須創(chuàng)造情境，使學生對自己已有的觀念產生懷疑，進而反思、澄清其錯誤概念，形成正確的認識。

4.3 從思維的起點出發(fā)逐步構建化學模型

化學模型的大部分內容都是思維的產物，這就要求我們在化學模型的建構中要從最簡單的問題開始，即從思維的起點開始，經歷學習具體知識、掌握化學思想和方法、探尋答案等過程，循序漸進構建化學模型。

在構建水溶液中微粒濃度相對大小的比較，化學（離子）方程式認識模型時，學生總是先將單一的具體實物“映射”到頭腦中，比較難形成電子守恒、電荷守恒、物料守恒等模型，學生看到這些知識時沒有在頭腦中對它形成一個具體的“形狀”或“結構”，他們找不到這樣一個可以想象的實體來表征化學反應微粒之間的本質聯(lián)系，那么要求他們形成相應的守恒模型是很難的。

在簡單問題提出和解決的基礎上，再通過有層次、階梯性的問題呈現(xiàn)，啟發(fā)學生主動參與、互相合作、積極探索，深入理解物質變化運動的守恒模型，并運用守恒模型知識有效解決實際問題。

如，比較溶液中離子濃度大小，首先，分析強電解質的電離，弱電解質的電離平衡（包括水的電離平衡）、鹽類的水解平衡等；其次，確定溶液中的微粒種類、微粒數(shù)目及微粒間的相互作用；再次，分析溶液中各種微粒的等量關系和不等量關系；最后，運用電荷守恒、電子守恒、物料守恒等模型闡明溶液中各離子濃度大小。從簡單問題出發(fā)，循序漸進地建構“比較溶液中離子濃度大小”認識模型，通過以上4個教學環(huán)節(jié)來完成教學過程，在各個教學過程中讓學生自主探究、互動交流，有利于促進學生獲得相應的守恒模型。

參考文獻：

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