模型認知背景下的化學教學研究

陳仕功

江蘇

高中化學課程標準修訂并提出包含“證據推理與模型認知”的核心素養。“2018年江蘇化學高考說明”在“對所獲取的信息進行初步加工和應用”所運用的方法中增加了“建模”思想，凸顯模型認知的建立促進了中學化學教學對學生科學態度和科學方法的培養。基于此，圍繞模型與建模開展課堂教學的研究變得極有意義，其將探索一系列有效的方法與路徑，旨在提高學生課堂學習效率和學科素養。

第一階段：理論認知——模型在教與學中的效能

1.厘清概念

模型認知是指人類用化學方法探索未知世界時，除了對客觀實驗事實進行橫向比較、縱向歸納，還通過抽象和簡化的方法建構認知模型，再利用模型進一步認知未知物質及其變化規律的過程。

2.認識幾種效能

用圖象(靜態圖片或動態視頻)、圖表(二維圖或思維導圖)、模型(球棍模型或比例模型)等使微粒結構及其運動特征具體化。用化學用語(如化學方程式、電子式、元素符號等)模型表述元素及其化合物的相互關系，使物質的組成或結構模型化。用數學表達式(如化學平衡常數、溶度積常數等)揭示微粒運動的自身屬性及微粒間的內在聯系，使模型數字化。

第二階段：實踐提煉——多維建構教學模型

奧蘇貝爾的學習理論認為，采用建模思想，將化學問題中次要的、非本質的信息舍去，可使本質的知識變得更為清晰，更容易納入學習者已有的知識框架中，使教師在教學時，正向遷移變得更容易。

1.真實情境促進化學模型的建構

教師針對性創設相關的問題情境，引導學生自主合作探究，培養學生動手建模的意識和能力。在模型的認知、建構和應用過程中，教師既要關注學生的已有知識體驗，更要關注在真實情境中模型的發展歷程，聚焦演變與升華。

案例1：鋁的氧化物與氫氧化物

[情境1]展示炫目多彩的紅寶石、藍寶石，紅寶石主要成分是Al2O3，還含少量鉻元素顯紅色，藍寶石含少量鐵和鈦元素顯藍色。

[問題]紅寶石為何要用中性的清潔劑清洗？

[實驗]探究氧化鋁的性質。實驗試劑與實驗儀器：氧化鋁、6.0 mol/L NaOH溶液、鹽酸、試管、膠頭滴管、藥匙、廢液缸等。

[結論]紅寶石主要成分Al2O3既能和強酸反應，又能和強堿反應。

[情境2]前幾天，小王同學和爸爸媽媽一起去吃酸菜魚火鍋。一走進火鍋店，看到鋁鍋上燉著的酸菜魚正散發著濃郁的香味……這時，小王突然想起了……他心里打起了退堂鼓，這火鍋是吃還是不吃呢？

[問題]鋁元素能使人老年癡呆，如何減少鋁元素的攝入？首先，要探究氫氧化鋁的化學性質有何特點。

[實驗]請同學們設計實驗并用所給藥品進行實驗探究：①探究鹽酸與氫氧化鋁是否反應；②探究氫氧化鈉與氫氧化鋁是否反應。儀器：同上述實驗。藥品：氫氧化鋁(提前制備)、10%鹽酸、6 mol/L NaOH溶液、氨水。

[結論]Al(OH)3既能和強酸反應，又能和強堿反應。

[情境3]氫氧化鋁能凈化水，可用于吸附渾濁雨水中的懸浮物。

[問題]如何利用上述的轉化模型制備氫氧化鋁？

[實驗(1)]取一支試管加入1 mL AlCl3溶液，逐滴加入NaOH溶液，邊加邊振蕩至過量。取另一支試管加入1 mL AlCl3溶液，滴加氨水至過量(對比實驗)。

[結論(1)]Al(OH)3易溶于強堿，難溶于弱堿(氨水)。

[實驗(2)]取一支試管加入1 mL NaAlO2溶液，逐滴加入稀鹽酸，邊加邊振蕩至過量。取另一支試管加入1 mL NaAlO2溶液，通入二氧化碳至過量(對比實驗)。

[結論(2)]Al(OH)3易溶于強酸，難溶于弱酸(碳酸)。

在真實的情境中應用氧化鋁、氫氧化鋁的兩性特征建構模型，提升學生解決問題的能力。

2.高質互動促進化學模型的建構

高質量的師生互動激發學生主動思維，看重的是思考過程，促進學生自主建構具有邏輯內聚力的化學模型，推動學生的模型認知水平縱向發展。

案例2：物質的量濃度計算

[師生互動1]

師：1 mol NaCl溶于1 L水中和1 mol NaCl配成1 L溶液有何區別？

生：1 L水是溶劑的體積，1 L水溶液是溶液的總體積。

[師生互動2]

師：標準狀況下，448 L NH3溶于水，配成1 L溶液。如何求氨水的物質的量濃度？

【設計意圖】強化物質的量濃度計算公式，重點讓學生學會間接求出氣態溶質的物質的量。

[師生互動3]

師：標準狀況下448 L NH3溶于1 L水中(已知水的ρ=1 g/cm3)。所得溶液的密度ρ=0.85 g/cm3,如何求NH3的物質的量濃度？

【設計意圖】由已知溶液的體積變為溶劑的體積，讓溶液的體積變為未知，激發學生解決問題的興趣，通過討論交流，學生可以得出通過溶液的總質量m和溶液的密度ρ來解決的思維模型。m溶液=m溶質+m水，強化細節，轉化單位ρ=0.85×103g/L，由淺入深，提高學生的思維品質。

【變式練習】10.6 g Na2CO3，溶于1 L水中，所得溶液ρ=1.01 g/cm3，如何求Na2CO3的物質的量濃度?

【設計意圖】由氣態溶質變固態溶質，強化由ρ求溶液體積的基本思路模型。通過變式訓練幫助學生辨明特征，能更精確地理解概念的含義，可以看到概念應用情景的各種變化，進一步促進學生對概念的靈活運用。

3.梯式思維促進化學模型的建構

化學模型的建構是與學生思維密切相關的，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，采用“問題串”的思維方式，圍繞學生最近發展區，拾級而上，循序漸進建構化學模型。

案例3：化學平衡常數計算

(2)25℃時，將0.1 mol/L的CH3COOH溶液進行稀釋，c(OH-)________。(填“增大”或“不變”或“減小”)

(3)把4.0×10-3mol/L HF溶液與4.0×10-4mol/L CaCl2溶液等體積混合，調節混合液pH為4.0(忽略溶液體積的變化)，計算有無沉淀產生：________。此溫度下，Ksp(CaF2)=1.5×10-10，c(HF)、c(F-)與溶液pH的變化關系如下圖：

(2)根據25℃時，0.1 mol/L的CH3COOH溶液稀釋，c(H+)減小，且K不變，c(OH-)增大，即模型應用。

(3)由pH=4可知，c(F-)=1.6×10-3mol/L，而溶液中的c(Ca2+)=2.0×10-4mol/L，則c2(F-)×c(Ca2+)=5.12×10-10，5.12×10-10>Ksp(CaF2)，此時有沉淀產生，即模型拓展。

【設計意圖】利用此題目訓練學生規范表達平衡常數，檢驗平衡常數的應用模型，把化學平衡常數的模型應用到電離平衡和沉淀溶解平衡。

【設計意圖】通過定量計算，學生逐步建立平衡常數模型，并用此模型判斷反應進行的方向和程度,歸類到模型拓展的應用范疇。

通過平衡常數表達式及運用來建模，遷移到電離平衡常數、沉淀溶度積常數等，應用不同平衡之間的內在聯系，豐富建模的內涵。

第三階段：總結提升——建模教學的基本流程

課前：教師多媒體展示預習檢測內容，學生自學落實雙基，為模型創建進行知識儲備；教師實物投影展示預習檢測效果，并進行簡單的評價、點撥。

課中：教師展示探究性任務，師生共同建構模型；學生自主討論，運用模型解決同一類問題，將已解決了的問題通過媒介展示，其他同學給予補充或質疑，教師適時對模型建立及運用進行評價。

課尾：教師依據已有模型，進行思維導圖式的小結，學生反思提高。反饋練習促進模型的再認知與再建構。

課后：教師總結得失，撰寫教學反思與論文。學生書寫收獲與考試得失。