利用模型建構(gòu)，提升化學(xué)核心素養(yǎng)

陳柳芳　許美蓮

【摘要】化學(xué)模型是以理想化的思維方法，對化學(xué)事實進行近似、形象和整體的描述。通過化學(xué)模型的建構(gòu)與應(yīng)用，可以促進學(xué)生的科學(xué)思維以及心智模型的改進，有利于學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提高。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)模型；建構(gòu)；化學(xué)教學(xué)

【基金項目】注：本文是2017年湛江市中小學(xué)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點課題“基于核心素養(yǎng)的高中化學(xué)‘教、學(xué)、評三維研究”研究成果，課題編號2017ZJZD017。

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）34-0101-02

一、問題的提出

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)性質(zhì)及其變化的科學(xué)，原子、分子不可見，化學(xué)客觀規(guī)律、物質(zhì)性質(zhì)及其變化的解釋亦十分抽象，學(xué)生通常無法為宏觀的實驗現(xiàn)象與符號搭起聯(lián)系的橋梁，或者只是記憶特定表征形式所建構(gòu)的化學(xué)理論、實驗的結(jié)果以及特定的化學(xué)反應(yīng)，這種割裂的、片段式的學(xué)習(xí)無法統(tǒng)整與理解化學(xué)符號與宏觀現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)”[1]。其結(jié)果是既帶來學(xué)生化學(xué)基本觀念的匱乏，也造成了化學(xué)教學(xué)科學(xué)素養(yǎng)教育價值的貧乏。解決這一矛盾的有效方式之一，就是在化學(xué)教學(xué)中利用模型建構(gòu)，化抽象為具體、化復(fù)雜為簡單、化深奧為淺顯，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

二、化學(xué)模型的含義及意義

化學(xué)模型是在已獲得大量感性認識的基礎(chǔ)上，以理想化的思維方法，對化學(xué)事實進行近似、形象和整體的描述。這種描述可以是定性的（如對原子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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[2]，或者借助虛擬的過程來描述。模型（model）與建模（modeling）是科學(xué)發(fā)展的重要元素，也是科學(xué)學(xué)習(xí)中不可或缺的認知與能力[3]?；瘜W(xué)學(xué)習(xí)中的模型認知活動能促使學(xué)生全面深刻地理解化學(xué)模型的性質(zhì)、作用、使用范圍及其局限性等，并學(xué)會建構(gòu)、檢驗?zāi)Ｐ?，使用多種模型來表達、解釋同一現(xiàn)象等[4]。美國《下一代科學(xué)教育標準》將“建構(gòu)和應(yīng)用模型”作為8個重要的科學(xué)與工程實踐活動之一。我國目前進行的高中化學(xué)課程標準修訂中亦將“模型認知”作為化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分[5]。通過化學(xué)模型的建構(gòu)與應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生掌握認識事物的一般方法，促進學(xué)生的科學(xué)思維以及心智模型的改進，有利于學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提高。

三、促進學(xué)生建構(gòu)化學(xué)模型的教學(xué)策略

1.創(chuàng)設(shè)情境促進化學(xué)模型的建構(gòu)

科學(xué)模型是科學(xué)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(xué)模型的認識、建構(gòu)和應(yīng)用過程中：教師既要將注意力放在仔細觀察學(xué)生獲得觀念的發(fā)展上；也要關(guān)注學(xué)生的已有知識經(jīng)驗，考察已有的心智模型類型及特點，同時還要關(guān)注其化學(xué)模型的發(fā)展歷程[6]?！盎瘜W(xué)平衡的移動”在平衡思想的建構(gòu)中處于核心地位，其思想貫穿于整個高中化學(xué)知識體系，蘊藏豐富的發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目標素材。該部分內(nèi)容既有理論的支撐，更與生產(chǎn)生活中的實際應(yīng)用密不可分，教師要充分利用素材，創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生自主構(gòu)建原理，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新意識和尊重實驗事實的科學(xué)探究素養(yǎng)，鍛煉學(xué)生的思維能力，動手能力、概括能力。

在進行化學(xué)平衡內(nèi)容教學(xué)時，要引導(dǎo)學(xué)生從本質(zhì)上認識平衡移動的方向是由濃度商（Q）與平衡常數(shù)（K）的關(guān)系決定的，建立運用平衡常數(shù)和濃度商定量判斷平衡移動方向的模型。在一定條件下，可逆反應(yīng)總是從不平衡走向平衡，當QK，平衡向逆反應(yīng)方向移動。再以實驗事實知道影響平衡狀態(tài)的三個因素———溫度、濃度、壓強，自主建構(gòu)并掌握平衡移動規(guī)律。

學(xué)生通過實驗，可觀察到向水溶液中橙色的重鉻酸根（Cr2O72-）與黃色的鉻酸根（CrO42-）建立的平衡關(guān)系：Cr2O72-（橙色）+H2O2CrO42-（黃色）+2H+分別加入硫酸溶液和氫氧化鈉溶液時，加入硫酸即增加生成物濃度，橙色加深，平衡向逆反應(yīng)方向移動，加入氫氧化鈉即減少生成物濃度，溶液從橙色變?yōu)辄S色，平衡向正反應(yīng)方向移動，理解平衡是動態(tài)可移動的。

對壓強和溫度的影響，均選用二氧化氮建立的平衡體系2NO2（g）N2O4（g）， △H<0為對象，當增大壓強將注射器體積減小至原來一半時，學(xué)生可以看到氣體顏色先變深后變淺，但比壓縮前要深，再減小壓強拉動活塞使體積增大為原來一倍時，可以看到氣體顏色先變淺后變深，但比拉伸前淺。學(xué)生通過分析可以得出，增大壓強平衡向氣體分子數(shù)減少的方向移動，減小壓強，平衡向氣體分子數(shù)增大的方向移動，但最終移動的結(jié)果還是沒有完全抵消掉條件改變造成的影響，加深學(xué)生對減弱而不是抵消的理解。條件具備，也可借助傳感實驗定量驗證理論規(guī)律。對于溫度的影響，采用雙球?qū)嶒?，根?jù)冷水和熱水中，現(xiàn)象差異，得出升高溫度，平衡向吸熱方向移動。通過實驗，學(xué)生可自主建構(gòu)平衡移動原理：當改變影響平衡的條件之一（如參加反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)濃度、壓強、溫度），平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動。再結(jié)合平衡移動的本質(zhì)，利用Q與K的關(guān)系來分析平衡移動方向，通過各因素對正逆反應(yīng)速率的影響，分析具體過程。通過創(chuàng)造情境，學(xué)生實現(xiàn)了由事實到理論的升華，體會到科學(xué)思維的發(fā)展歷程，增強其對知識的理解和應(yīng)用能力。

2.從思維的起點出發(fā)逐步建構(gòu)化學(xué)模型

化學(xué)模型的大部分內(nèi)容都是思維的產(chǎn)物，這就要求我們在化學(xué)模型的建構(gòu)中要從最簡單的問題開始，即從思維的起點開始，經(jīng)歷學(xué)習(xí)具體知識、掌握化學(xué)思想和方法、探尋答案等過程，循序漸進建構(gòu)化學(xué)模型。如在建構(gòu)電解池模型時，教材選用的是電解氯化銅溶液，通過明顯的實驗現(xiàn)象，學(xué)生能得出在多種離子共存的體系中，存在著離子間的競爭，但其思維跨度過大，學(xué)生不能從根本上理解放電順序的由來，也不利于學(xué)生自主建構(gòu)電解池模型，理解本質(zhì)。因此，在教學(xué)中應(yīng)遵循學(xué)生的思維過程，結(jié)合學(xué)生已有知識，并以此為生長點，循序漸進地建構(gòu)模型。根據(jù)學(xué)生在初中，必修中的已有知識，知道電解水產(chǎn)生氫氣和氧氣，電解熔融氯化鈉可用于工業(yè)制備金屬鈉。因此，教學(xué)中，首先給出電解裝置和熔融氯化鈉，根據(jù)氧化還原規(guī)律以及原電池模型，引導(dǎo)學(xué)生分析電路中電子的路徑：陽極Cl-失去的電子，經(jīng)電源正極到負極，再到陰極，被Na+得到。因此，陽極產(chǎn)物為氯氣，陰極產(chǎn)物為金屬鈉。再對電解水分析，由水電離出的H+和OH-，定向移動，分別在陰極和陽極發(fā)生反應(yīng)，生成氫氣和氧氣，此時破壞水的電離平衡，促進水不斷電離。教師著重引導(dǎo)OH-放電時，電極方程式的書寫。在此兩種情況下，均只存在兩種離子，降低學(xué)生思維難度。接下來，先讓學(xué)生分析電解滴有酚酞的飽和食鹽水，預(yù)測兩極會產(chǎn)生的現(xiàn)象，包括產(chǎn)物，溶液酸堿性等。結(jié)合前面對電解熔融氯化鈉和水的分析，學(xué)生預(yù)測陰極產(chǎn)物為氫氧化鈉和氫氣，溶液呈堿性。陽極產(chǎn)物為氯氣或氧氣，溶液呈酸性，也有學(xué)生認為陰極產(chǎn)生的氫氧根會移動到陽極，溶液可能呈中性，甚至堿性，再通過實驗驗證學(xué)生的猜測，學(xué)生能看到陰極附近出現(xiàn)紅色，且有無色氣泡產(chǎn)生，經(jīng)檢驗為氫氣，陽極也看到有氣泡產(chǎn)生，該氣體能使?jié)駶櫟牡矸鄣饣浽嚰堊兯{，為氯氣，該處溶液呈酸性，應(yīng)該是產(chǎn)生的氯氣與水反應(yīng)導(dǎo)致的，陰極產(chǎn)生的氫氧根并沒有一產(chǎn)生就遷移到陽極。通過實驗現(xiàn)象可知，（下轉(zhuǎn)193頁）（上接101頁）在多離子體系中存在著離子間的競爭放電，水溶液中，H+強于Na+，Cl-強于OH-，這是由于它們的還原性和氧化性差異導(dǎo)致的，并完善其他常見離子的放電順序。同時，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)，對于中性的水溶液，電解過程中，若只有H+放電，溶液呈堿性，反之，呈酸性。在電解過程中，離子放電的結(jié)果，優(yōu)于離子定向移動的結(jié)果。建立解決電解池問題的具體模型：先判斷兩極，再分析溶液中離子成分，判斷離子定向移動方向，比較離子放電順序，并在對應(yīng)電極上得失電子，得到產(chǎn)物。

最后，通過對電解原理的應(yīng)用，完善學(xué)生對電解池模型的建構(gòu)。讓學(xué)生思考電解氯化銅溶液，會有什么現(xiàn)象？如果電解時間足夠長，可能會出現(xiàn)不同的現(xiàn)象嗎？為什么？若電解滴加有酚酞的硫酸鈉溶液，兩極有何現(xiàn)象？電解一段時間后，將U型管中溶液倒入燒杯中又會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？問題鏈的設(shè)計，強化學(xué)生深入思考問題，達到建構(gòu)模型、理解模型，應(yīng)用模型的目的。

對此原理的學(xué)習(xí)，通過簡單到復(fù)雜，推理與事實并進，以典型的電解實例為載體，按照“現(xiàn)象—模型—實驗—理論”的程序，關(guān)注學(xué)生分析和解決問題的思維過程，使學(xué)生學(xué)會了對新事物的認識思考方法：基于實驗資料和科學(xué)觀察，培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)觀念，建構(gòu)完整的認知模型，有利于促進學(xué)生對核心內(nèi)容的理解和把握，提高分析問題和解決問題的能力。

3.虛擬過程建構(gòu)化學(xué)模型

化學(xué)平衡移動是初學(xué)者的難點，學(xué)生對單因素的影響掌握得較好，但由于化學(xué)過程通常受多條件因素綜合影響，此時學(xué)生很難理出頭緒，例如對有氣體參與的反應(yīng)，在進行相關(guān)參數(shù)如轉(zhuǎn)化率、壓強的比較時，學(xué)生通常分不清究竟是考慮濃度還是考慮壓強，如果將問題分解并虛擬為幾個變化的體系模型，就能簡化問題。在分解過程中，先虛擬恒溫恒壓，找到對應(yīng)關(guān)系，再虛擬通過壓縮或拉伸體積，變化到恒溫恒容，分析該過程中平衡是否移動或移動的具體方向，分解問題，幫助學(xué)生理解。

溫度不變時，在體積相同的恒容容器A與B中，分別充入1mol N2、3mol H2和2mol N2、6mol H2。在相同條件下達到平衡時，兩容器中N2的轉(zhuǎn)化率A__B，壓強2pA__pB （填>、<或=）。

解：該反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，對容器B虛擬先恒溫恒壓，再恒溫恒容

在上述過程中，利用外界條件不變，達到平衡時，結(jié)果與反應(yīng)途徑無關(guān)的特點，并結(jié)合等效平衡的觀點轉(zhuǎn)換路徑，虛擬的平衡狀態(tài)Ⅱ與平衡態(tài)Ⅰ是等效平衡，此時N2的轉(zhuǎn)化率相等，2pA=pB，從平衡態(tài)Ⅱ到平衡態(tài)Ⅲ的過程中，相當于加壓，平衡向正反應(yīng)方向移動，N2的轉(zhuǎn)化率增大，故ApB。

4.從反應(yīng)本質(zhì)建構(gòu)化學(xué)模型

元素化合物知識紛繁復(fù)雜，學(xué)生如果采用死記硬背，既學(xué)習(xí)效率低下，又不利于理解反應(yīng)本質(zhì)，在面對陌生情境時更是無從下手。因此，在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生概括各類反應(yīng)的反應(yīng)模型，從本質(zhì)上掌握化學(xué)反應(yīng)。

例如，中學(xué)階段有很多與水相關(guān)的反應(yīng)：

鹵素互化物的水解：IBr+ H2OHBr+HIO

金屬碳化物的水解：CaC2+2H2OCa（OH）2+C2H2↑

金屬氫化物的水解：NaH+H2ONaOH+H2↑

金屬氮化物的水解：Mg3N2+6H203Mg（OH）2↓+2NH3↑

非金屬氯化物的水解：SiCl4+4H2OH4SiO4↓+4HCl

鹽類的水解：NH4Cl+H2ONH3·H2O+HCl

鹵代烴的水解：C2H5Cl+H2OC2H5OH+HCl

酯類的水解：CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+C2H5OH

CH3COOC2H5 +NaOHCH3COONa+C2H5OH

對于這些水解反應(yīng)，可用下圖所示的反應(yīng)模型概括。

圖1 水解反應(yīng)模型

從具體的水解反應(yīng)中，可以尋找到水解的一般規(guī)律，即首先把水一解為二：氫原子和羥基，或者氫離子和氫氧根離子，水解主體也一解為二，并按照異電相吸原則，選擇性結(jié)合氫原子（氫離子）或羥基（氫氧根離子）。通過對水解規(guī)律的總結(jié)，學(xué)生真正理解了知識的思想體系，提高了靈活運用知識的能力。

在化學(xué)教學(xué)中，模型的運用范圍非常廣泛，恰當?shù)幕瘜W(xué)模型能夠降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)化學(xué)知識，促進學(xué)生科學(xué)思維和科學(xué)方法的培養(yǎng)。這需要教師不斷加強自身對模型內(nèi)涵的理解與研究，將模型和模型建構(gòu)這一科學(xué)方法融入日常的教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生思考與解決問題時，應(yīng)當整合自己已有的學(xué)科知識、方法甚至是思維方式，建構(gòu)科學(xué)的化學(xué)模型，提高化學(xué)核心素養(yǎng)。

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