基于模型與建模的教學過程設計

薛琳 周青 張暉英

摘要：臺灣學者基于對建模能力的研究提出，個體建模能力的高低會極大影響個體的學業成就。本研究在對模型、化學模型的分類，化學建模內涵以及弱電解質的電離在教學中的地位闡釋的基礎上，提出了適合該教學內容的化學建模教學步驟，以期促進學生的模型識別與建模能力，整體提升學生的問題解決能力。

關鍵詞：模型;建模;弱電解質的電離;教學過程設計

文章編號：1008-0546（2019）12-0073-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.022

一、問題的提出

學生的模型建構是當前科學教育研究和實踐的重點，Franco等人在對文獻進行分析后指出，模型在科學教育中扮演著重要角色，其主要價值在于為我們提供了認識世界的方式。對于科學教育而言，模型與建模是科學發展的元素，也是在科學學習中不可缺少的認知與能力。新課標中也明確提出了應培養學生模型認知的化學學科核心素養，但在對2017年陜西省學業水平考試試題分析過程中，我們發現學生對化學模型的識別和建構化學模型解決問題的能力仍有待提高，相當一部分學生仍沒有成功建構正確的化學模型。以下面兩題為例進行分析：

【題1】8¹⁸O的原子核內中子數是（ ）

A.8 B.26 C.18 D.10

該題主要考查核素、原子的結構以及構成原子的各微粒之間關系的化學模型，該題的滿分值為2，平均分為1.41，難度為0.71，區分度為0.67。通過對學生作答的分析，發現學生沒有成功構建核素、原子結構及其各微粒間關系的化學模型。在教學過程中，應多利用圖片、動畫或實物模型，讓學生對化學模型有更為直觀的感受，培養學生的化學建模能力。

【題2】下列物質中，只含有離子鍵的是（ ）

A.NaCl B.CH4 C.NaOH D.C12

該題主要考查學生對離子鍵、化學鍵的化學模型的建構水平，該題滿分值為2分，平均分為1.25，難度為0.63，區分度為0.73。能正確理解離子鍵的概念模型以及離子鍵與共價鍵的類比區分模型是正確解答該題的關鍵。數據表明，學生對基本概念模型的掌握仍存在問題。在教學過程中應有意識地培養學生對模型的認知以及學生主動建構化學模型的能力。因此，本研究基于模型與建模對化學教學過程進行設計，以期幫助學生掌握建模的學習方法和思維方式，建構科學的模型。

二、模型與建模

1.模型及其分類

關于模型的定義，許多的研究者均有不同的解釋，但在諸多定義之中，有一個共同的核心觀點，即模型通常被視為是對一個物體、事件、想法或現象的表征。通常學生所認識的模型與科學家所認知的模型存在很大差異，學生通常將模型視為將具體物質等比例放大或縮小所獲得的實體模型，如地球儀。而科學家建構的模型通常是復雜抽象的，包括數學模型、理論模型等。因此，如何培養學生建構科學的模型是教師在教學過程中需要思考的問題。

Buckley和Boulter依據對模型的表征方式來區分模型，將模型分類為具體的模型，即三維空間的實體模型，如一個塑料的心臟;言語的模型，指用語言描述的、解釋的、陳述的、辯論的、類比和隱喻的模型，如心臟像一個泵;視覺的模型，指被看到的模型，例如圖表、動畫、影像;數學的模型，通常指數學方程式;動作的模型，指物體或部分的移動，例如以學生相互圍繞的運動來表示太陽系;混合模型，包含語言和數學的視覺模型，例如附有詮釋的心臟結構圖。

石鵬從化學學科知識體系建構的視角，對化學中的模型進行了分類，分別為化學微觀模型，如分子、原子、中子等粒子模型及其運動狀態;根據量化研究的需要開發的質量、體積、物質的量、反應速率、平衡常數、標準摩爾焓變等一系列的化學計量模型;化學分類模型，例如物質的分類，以便于我們認識復雜的物質世界;化學理論模型，如勒夏特列原理、理想氣體定律、阿伏加德羅定律等;化學認識模型，如王磊、張穎在對化學平衡教學研究中提出的化學平衡認識發展模型。

2.建模歷程

Halloun和Hestenes從問題解決的角度認為建模歷程是一個相當復雜的過程，包括許多的活動與技能，如確認問題、模型選擇、模型建構、模型效化、模型調度以及模型應用與模型再發展或再建構。臺灣學者邱美虹在此基礎上發展了建模歷程的六個序列向度，即模型選擇、模型建構、模型效化、模型應用、模型調度、模型重建，各建模歷程內涵及所處階段見下表：

本文依據建模的歷程及其特點，提出化學建模教學的步驟：

（1）創設情境，通過聯系學生已有的生活經驗，激發學生的學習興趣和探究欲，從而引入本節課的建模目標;（2）確立建模目標，通過教師引導，學生小組合作探究，使學生自主確立建模目標;（3）模型選擇，選擇恰當的模型解決化學問題;（4）模型建構，通過假設、推斷、驗證等一系列邏輯思維方式，以及對宏觀一微觀一符號三重表征方式的運用，構建問題解決的模型;（5）模型分析，分析已建構的模型，檢驗模型的內部一致性;（6）模型應用，將建構的模型應用到相似的情境中，證實模型的適切性;（7）模型重構，修正、完善模型，使模型具有更強的解釋力。

三、弱電解質的電離在教學中的地位

“弱電解質的電離”在人教版教材中是高中化學選修模塊4《化學反應原理》的教學內容之一。根據現行的《普通高中化學課程標準》，在學習這個內容之前，學生應該已經通過必修模塊的學習“知道酸、堿、鹽在溶液中能發生電離”，在選修模塊4《化學反應原理》中已經先期學習了“化學反應速率和化學平衡”。弱電解質的電離是對“化學平衡”教學的繼續與深化。弱電解質的電離平衡是高中化學的教學重點之一。通過該部分內容的教學，不僅可以加深對強弱電解質、離子反應和離子方程式等知識的理解，而且還可以進一步指導高三有關電解和物質的檢驗等知識的學習。同時，該部分內容的學習有助于發展學生的微觀辨析能力，也有利于學生發展變化觀念與平衡思想的化學學科核心素養，同時，在教學過程中與生產生活實際的緊密聯系，有利于培養學生解決實際問題的能力。

在先前對弱電解質電離部分學生心智模型的測查中發現，學生對該部分內容仍存在較多迷思概念，主要表現在（1）學生在處理問題時不能抓住問題的本質特征，對概念的理解局限在問題的表現層面;（2）學生對化合物溶于水后，微粒間的相互作用缺乏全面、系統的認知;（3）學生較為孤立的理解電解質、電離等概念，沒有建構其全面系統的知識網絡。鑒于以上問題，我們可以發現，學生在學習過程中，缺乏對化學模型的認知能力以及建構化學模型的能力，因此，設計基于模型與建模的教學過程就顯得尤為重要了。

四、化學建模教學過程設計

【學習主題】弱電解質的電離。

【學習方式】基于模型和建模學習。

【設計思路】通過生活情景創設，組織學生小組合作學習，設計探究實驗，并結合微觀動畫模擬等課堂教學活動，促進學生對化學模型的理解以及促進學生主動建構模型，幫助學生建構科學的心智模型。

【學習過程】

活動1：創設情境

在日常生活中，我們知道利用食醋可以除去水壺上的水垢，向學生提出利用食醋能否除去馬桶上的污漬？生活中我們一般選用潔廁靈來清潔馬桶污漬。引導學生指出潔廁靈的主要成分是鹽酸，從而引出問題，為什么鹽酸可以去除馬桶上的污漬而醋酸不行呢？

教師干預：聯系學生的生活經驗，激發學生的學習興趣和探究欲，學生依據已有的學習經驗指出鹽酸酸性強于醋酸，教師提問：“是什么原因導致鹽酸酸性強于醋酸？”引發學生對導致兩種酸的酸性不同的原因進行思考。同時，教師向學生展示活動2中呈現的問題，組織學生以小組為單位交流討論，并設計實驗驗證鹽酸酸性強于醋酸。

活動2：確立建模目標

用化學符號表示鹽酸和醋酸溶液中存在哪些微粒？用化學用語來描述、解釋這些微粒是如何產生的？微粒的種類決定溶液具有何種性質？

教師指導：學生以小組為單位進行討論，教師對巡視學生討論情況，對存在問題的個別小組進行指導，引導學生用化學用語表示溶液中微粒的來源，討論結束后請一位代表回答上述問題。

設計意圖：首先檢驗學生對水溶液中存在的微觀粒子以及各種離子間存在怎樣的相互作用等一系列化學微觀模型的識別情況，同時也培養了學生的微觀表征能力，幫助學生明確溶液的酸性不同是由電離出的H⁺濃度決定的，進而使學生確立建模目標，即建構弱電解質的概念模型。

活動3：模型選擇和模型建構

學生設計以下實驗方案驗證假設，并填寫表2。

依據實驗現象，回答下列問題：（1）鹽酸與醋酸與鎂條反應的劇烈程度？（2）鹽酸與醋酸pH是否相等？

（3）導致二者pH不等說明了什么問題？

設計意圖：導致兩種溶液與鎂條反應速率不同以及pH不同的本質因素是溶液中的H⁺濃度不同，鹽酸溶液中電離出的H⁺濃度大于醋酸電離出的H⁺濃度。因此構建弱電解質的概念模型的主要模型變量即為H⁺濃度，相同濃度的鹽酸和醋酸溶液，醋酸電離出的H⁺濃度小于鹽酸，說明醋酸未完全電離，從而引導學生逐步構建出弱電解質的概念模型，即在水溶液中只能部分電離的電解質。也就是說，弱電解質在水溶液中不能完全電離。通過設計實驗驗證假設，是學生選擇已有模型解決問題的建模歷程，通過選擇正確的模型變量建立新的模型。

活動4：模型分析

用PVT呈現鹽酸和醋酸在水溶液中存在的微觀粒子，發現醋酸分子的確沒有完全電離，溶液中既存在醋酸根離子、氫離子又存在醋酸分子。那么，如何從微觀的角度解釋這種“不完全電離”的現象呢？通過課堂教學實踐發現學生回答存在兩種情況：（1）不完全電離就是只有一部分醋酸分子發生電離，另一部分醋酸分子不發生電離;（2）不完全電離是指醋酸分子電離生成醋酸根離子和氫離子，而生成的醋酸根離子又與氫離子結合生成醋酸分子。針對以上兩種回答，組織學生以小組為單位進行探討論證哪種說法正確，是否存在不同的見解。

教師干預：（1）提供邏輯分析模型，如指導學生類比化學平衡這個可逆過程;（2）組織學生對邏輯分析結果進行口頭表征;（3）對于資優生，不給予提示，讓他們直接建構心智模型和表達模型;對于中等生和學困生引導他們建構可逆過程的心智模型，并組織他們對模型進行解釋和論證。最后，利用PPT動畫模擬弱電解質在水溶液中的電離過程，從而使各水平學生均能從宏微符三個角度成功建構弱電解質的電離平衡過程。

活動5：模型應用

向0.1mol/L的HCl溶液中加入CH3COONa固體，溶液pH如何變化？并說明原因。

教師指導：鼓勵學生交流合作學習，對個別問題進行個別指導。關注學生討論過程中遇到的問題，及時給予學生反饋。

活動6：模型重構

依據解題過程中遇到的問題，是否需要對本節課中所建構的模型進行修訂、完善和補充？為什么？

教師指導：鼓勵學生在解題過程中不斷應用模型，檢驗模型內部一致性，從而不斷地完善修訂模型。通過對模型建構歷程的不斷循環往復，不僅可以幫助學生鞏固知識，同時有利于學生掌握建模的學習方法，為以后的學習奠定基礎。

五、結論與展望

運用模型思想，能使學生突破感官和時空的局限，充分發揮他們的想象、抽象和推理能力。應用這種思維方法，可以拓寬學生的思維領域，從而提高學生發現問題、分析問題、解決問題的能力。因此，教師應基于模型與建模的思想精心設計好每一堂課，通過建模教學，使學生自主地建構完備的知識體系，將建模思想內化到學生的認知結構當中。

建模教學作為一種高效的教學方式已廣泛應用于數學、物理學科，但在化學教學中的研究還很少。此外，臺灣學者還對學生的建模能力進行了研究，以期通過測查發現診斷學生的建模能力水平，從而有針對性的培養學生的化學建模能力。我國大陸地區雖有少部分學者對此方向進行研究，但仍存在研究方法不科學，研究手段不成熟等諸多弊端，我們期待未來可以對該方向進行更為深入和系統的研究。