基于“模型認(rèn)知”的高三化學(xué)實驗“主題串聯(lián)式”復(fù)習(xí)研究

韋新平

摘要： 針對高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)特點，提出三點思考： 情境創(chuàng)設(shè)、主題銜接，“催化”模型認(rèn)知;問題導(dǎo)向、證據(jù)推理，“點燃”模型認(rèn)知;建模、用模相結(jié)合，“升華”模型認(rèn)知。以“無水氯化鋁的制備實驗”為例對高三化學(xué)實驗的復(fù)習(xí)作具體分析和闡釋。

關(guān)鍵詞： 模型認(rèn)知; 主題串聯(lián)式復(fù)習(xí); 學(xué)科核心素養(yǎng); 無水氯化鋁

文章編號： 10056629（2020）01003706

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 問題的提出

1.1 化學(xué)實驗專題復(fù)習(xí)中存在的問題及思考

化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗對發(fā)展學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)有重要的作用。化學(xué)實驗也是高考化學(xué)重點考查的內(nèi)容，它將元素化合物知識、化學(xué)原理與實驗裝置、實驗操作等相關(guān)知識融合在問題情境中，綜合考察學(xué)生利用所學(xué)知識獲取、加工、運用信息分析問題和解決問題的能力。然而，在化學(xué)實驗專題復(fù)習(xí)中，由于知識容量大，內(nèi)容關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，導(dǎo)致學(xué)生知識框架零散，知識記憶“碎片化”，缺乏系統(tǒng)性、方法性和規(guī)律性。高考試題中情境、裝置、現(xiàn)象的陌生化，物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)原理的多樣化都成為制約學(xué)生問題解決的瓶頸[1]。如何增進(jìn)學(xué)生對化學(xué)實驗專題內(nèi)容更深層次的理解，讓學(xué)生能夠靈活應(yīng)對陌生情境下的綜合實驗問題，是目前亟待解決的。

模型對學(xué)生建構(gòu)知識，提升分析、解決問題的能力有很大的幫助。“模型認(rèn)知”是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出“通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[2]。其更高水平的要求為： 能對復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架，并選擇不同的模型綜合解釋或解決復(fù)雜的化學(xué)問題。因此，在綜合實驗的問題情境當(dāng)中，如何分析關(guān)鍵要素并建立思維框架、如何用認(rèn)知模型解釋或解決化學(xué)問題，在新課程、新高考背景下具有重要的研究意義。

1.2 高考試題研究給化學(xué)實驗復(fù)習(xí)帶來的啟示

高考化學(xué)試題是高三復(fù)習(xí)備考重要的依據(jù)、參照和導(dǎo)向。通過對高考化學(xué)全國卷近年來非選擇題化學(xué)實驗題的分析，可以總結(jié)出以下幾個特點： 實驗素材新穎，問題情境多樣，設(shè)問方式靈活，基礎(chǔ)知識凸顯、學(xué)科思維能力及核心素養(yǎng)的考察顯現(xiàn)。從實驗試題類型看，有物質(zhì)制備型、組成測定型、性質(zhì)探究型等;從考查角度看，可概括為物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)（物質(zhì)及其變化）、實驗裝置、實驗操作三大維度。題目具體的設(shè)問形式如表1所示。

通過教學(xué)實踐，學(xué)生普遍反映： 圍繞裝置連接、操作目的及先后順序的考察難度較大，難以掌握方法和規(guī)律。實際上，對裝置及操作維度的考察往往會與問題情境中的物質(zhì)性質(zhì)與反應(yīng)原理相關(guān)聯(lián)，裝置和操作只是表象和形式，物質(zhì)及其變化才是核心。問題設(shè)置體現(xiàn)了較強(qiáng)的靈活性和綜合性，凸顯試題命制的“能力立意”及“素養(yǎng)為本”原則。因而在高三第二輪實驗專題復(fù)習(xí)中，需要重點關(guān)注實驗裝置與實驗操作維度，在問題解決的過程中強(qiáng)化學(xué)生獲取信息的能力，將性質(zhì)、原理與裝置、操作、現(xiàn)象等聯(lián)系起來，做到宏微結(jié)合、三重表征與證據(jù)推理，促進(jìn)模型認(rèn)知的建構(gòu)。

2 基于模型認(rèn)知的高三化學(xué)實驗主題串聯(lián)式復(fù)習(xí)教學(xué)案例

模型的建立需要學(xué)生根據(jù)已有知識經(jīng)驗，利用題示信息解決新情境中的問題，建構(gòu)自己的理解，并將這種理解以結(jié)構(gòu)化的形式表達(dá)出來[3]。因而建模教學(xué)需要合理組織結(jié)構(gòu)化的教學(xué)內(nèi)容，包括知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化、核心觀念結(jié)構(gòu)化。在高三復(fù)習(xí)中，教師往往將重心聚焦在知識關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)化，忽視對學(xué)生認(rèn)識思路結(jié)構(gòu)化及核心觀念結(jié)構(gòu)化的培養(yǎng)，而這正是發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。因而在復(fù)習(xí)的過程中，需要合理組織結(jié)構(gòu)化的教學(xué)內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)真實生動的問題情境，在不同的主題框架下進(jìn)行知識串聯(lián)。同時要超越具體知識，幫助學(xué)生形成解決問題的一般認(rèn)識思路與核心觀念，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解決具體的問題。

對此，筆者以無水氯化鋁的制備實驗為問題情境，從方案設(shè)計與比較、裝置連接與改進(jìn)、操作流程與監(jiān)控三個方面進(jìn)行主題銜接，串聯(lián)三個維度的相關(guān)考點，促進(jìn)學(xué)生在問題解決過程中建立認(rèn)知模型。

2.1 設(shè)計思路

高三“無水氯化鋁的制備實驗”教學(xué)整體設(shè)計流程如圖1所示。

2.2 教學(xué)過程

[實驗情境]AlCl3是一種白色而微帶淺黃色的粉末，工業(yè)上用途廣泛，常用作有機(jī)合成催化劑，還可用作絮凝劑、媒染劑等。已知AlCl3在178℃以上易升華，遇潮濕空氣易水解產(chǎn)生大量白霧。

[提出問題]如何在實驗室制取無水AlCl3？

2.2.1 環(huán)節(jié)1： 方案設(shè)計與比較

[任務(wù)1： 方案設(shè)計]結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)特點，選擇相關(guān)試劑，設(shè)計合成方案，并寫出反應(yīng)化學(xué)方程式。

[學(xué)生]方案①： 利用鋁粉與鹽酸反應(yīng)，再在HCl氣流中加熱蒸干溶液得產(chǎn)品。方案②： 利用鋁粉與干燥氯氣反應(yīng)，再冷凝收集產(chǎn)品。

[任務(wù)2： 方案比較]結(jié)合物質(zhì)及反應(yīng)特點，從原料利用率、反應(yīng)條件、操作難度、生產(chǎn)效益、環(huán)境保護(hù)等工業(yè)生產(chǎn)角度，比較兩種制備方案的優(yōu)勢及不足。完成表2。

[反思建模]物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)對工業(yè)生產(chǎn)有重要的指導(dǎo)意義，工業(yè)生產(chǎn)所關(guān)注的角度與物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)特點存在怎樣的對應(yīng)關(guān)系？請以框圖的形式建立聯(lián)系（見圖2）。

設(shè)計意圖： 從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)性質(zhì)和反應(yīng)特點出發(fā)，從原料、能耗、操作、效益、環(huán)保等維度展望工業(yè)生產(chǎn)。在設(shè)計、比較和評價方案的過程中，加深對物質(zhì)及其變化的理解，將化學(xué)知識和生產(chǎn)實際相結(jié)合，形成“物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)特點指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)的認(rèn)識路徑”，同時樹立學(xué)生正確的科學(xué)態(tài)度，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

2.2.2 環(huán)節(jié)2： 裝置連接

[任務(wù)3： 裝置連接]參照方案②，請選擇相應(yīng)的儀器和試劑，設(shè)計一套實驗室制備無水氯化鋁的裝置，并畫出裝置連接圖。

[引導(dǎo)性問題]①如何獲得純凈、干燥的氯氣？②如何確定氯氣和鋁粉的反應(yīng)裝置類型？③如何防止生成的氯化鋁變質(zhì)？④過量氯氣該如何處理？⑤如何確定裝置間的連接順序？

[反思建模]以無水氯化鋁的制備實驗為例，對于以氣體流程為載體的物質(zhì)制備型實驗，儀器連接需要包含哪幾個部分，先后順序是什么？請以流程圖的形式呈現(xiàn)出來。

[案例分析]請結(jié)合氯化鋁的特性，運用裝置連接模型（見圖3），對以下同學(xué)設(shè)計的裝置連接案例（見圖4）進(jìn)行評價，該方案存在哪些缺陷，如何改進(jìn)？

[應(yīng)用模型]氯化鋁易升華，在玻璃管后應(yīng)補(bǔ)充一個氯化鋁的冷凝收集裝置;氯化鋁易水解，要在尾氣吸收液NaOH溶液前補(bǔ)充一個盛有濃硫酸的干燥裝置，防止水蒸氣進(jìn)入收集裝置（見圖5）。

設(shè)計意圖： 在儀器選擇與裝置連接過程中，引導(dǎo)學(xué)生基于實驗?zāi)康模Y(jié)合試劑狀態(tài)、性質(zhì)特點和儀器的用途，建構(gòu)物質(zhì)制備型實驗裝置連接的思維模型，培養(yǎng)思維的有序性和嚴(yán)密性，并能用思維模型解決問題，評價裝置的完整性與科學(xué)性。

2.2.3 環(huán)節(jié)3： 裝置改進(jìn)

[任務(wù)4： 裝置改進(jìn)]下表羅列了實驗過程中可能出現(xiàn)的一些問題，這些問題發(fā)生在裝置連接模型中的

哪一部分？如何對裝置進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化？討論并完成表3。

[反思建模]化學(xué)實驗儀器連接過程中，除了要考慮裝置的完整性，還需要考慮哪些保護(hù)性措施？這些保護(hù)性措施分別對應(yīng)于裝置的哪個部分？請在原裝置連接模型上進(jìn)行標(biāo)注（見圖6）。

[應(yīng)用思維模型]結(jié)合對模型的認(rèn)識，解決下列問題： （1）倘若去掉氯氣的除雜及干燥裝置，對實驗會帶來哪些安全隱患？（2）有同學(xué)提出在錐形瓶上方連接一個球形冷凝管以提高冷凝效果，請問是否可行？球形冷凝管適用于收集哪一類物質(zhì)？（3）將吸收尾氣用的NaOH溶液換成盛有堿石灰的球形干燥管，有哪些優(yōu)勢？

設(shè)計意圖： 經(jīng)歷了從問題提出到問題定位，再到問題解決的過程，既提升了學(xué)生對裝置連接模型的認(rèn)識，又超越了裝置連接模型本身，較深入地認(rèn)識了裝置各個部分可能存在的問題及解決策略，建立了更高層次的“裝置連接的保護(hù)性策略思維模型”。這是對原認(rèn)知模型的優(yōu)化，也是對原認(rèn)知模型的拓展，有利于學(xué)生問題解決能力的提升。

2.2.4 環(huán)節(jié)4： 操作流程及監(jiān)控

[任務(wù)5： 實驗操作排序]儀器連接后，有以下實驗操作： a裝入藥品;b點燃硬質(zhì)玻璃管處酒精燈;c檢查氣密性;d點燃圓底燒瓶處酒精燈;e冷卻至室溫;f熄滅圓底燒瓶處酒精燈;g熄滅硬質(zhì)玻璃管處酒精燈。結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)特點，對操作先后順序進(jìn)行排序。

[學(xué)生]c→a→d→b→g→e→f。

[反思建模]在以氣體流程為載體的物質(zhì)制備實驗中，若產(chǎn)品易水解或易氧化，實驗操作中各環(huán)節(jié)的順序應(yīng)怎樣排列？以流程圖的形式表示出來（見圖7）。

[任務(wù)6： 實驗流程監(jiān)控]結(jié)合對實驗操作各環(huán)節(jié)先后順序的認(rèn)識，請分析下列操作環(huán)節(jié)或調(diào)整順序后可能出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，以實現(xiàn)對操作流程的監(jiān)控。完成表4。

設(shè)計意圖： 結(jié)合氯氣和氯化鋁的性質(zhì)特點，梳理實驗操作的先后順序，建立物質(zhì)制備實驗操作順序思維模型，并能靈活運用于各種涉及易氧化、易潮解的物質(zhì)制備型的實驗中。另外，通過對各操作環(huán)節(jié)中實驗現(xiàn)象的描述，強(qiáng)化信息獲取及加工的能力，根據(jù)氯氣和氯化鋁的性質(zhì)特點推斷實驗現(xiàn)象，宏觀辨識與微觀探析相結(jié)合，進(jìn)一步深化對模型的理解。

3 高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)中促進(jìn)學(xué)生“模型認(rèn)知”的教學(xué)思考

相對于高一高二新授課教學(xué)及單元復(fù)習(xí)，高三化學(xué)專題復(fù)習(xí)的知識容量和思維容量更大，內(nèi)容的層次性和關(guān)聯(lián)性更強(qiáng)，有利于學(xué)生在知識整合的過程中通過比較分析、歸納概括和抽象提煉，建立認(rèn)知模型。但認(rèn)知模型的構(gòu)建、核心素養(yǎng)的提升并非一蹴而就，需要在復(fù)習(xí)中反復(fù)強(qiáng)化，逐步內(nèi)化。具體而言，可以從以下幾個方面入手。

3.1 情境創(chuàng)設(shè)、主題銜接，“催化”模型認(rèn)知

常規(guī)復(fù)習(xí)課“知識回顧例題講解方法歸納變式訓(xùn)練”式的教學(xué)模式單調(diào)枯燥、機(jī)械重復(fù)、耗時費力，不利于提高學(xué)生復(fù)習(xí)的效率和學(xué)習(xí)的熱情。在復(fù)習(xí)中教師應(yīng)精選實驗素材，關(guān)注科研、生產(chǎn)熱點，創(chuàng)設(shè)問題情境，以教學(xué)主題整合考點，并設(shè)計驅(qū)動性學(xué)習(xí)任務(wù)，組織學(xué)生開展多樣化的學(xué)習(xí)活動。教學(xué)情境和主題是促進(jìn)“模型認(rèn)知”的“催化劑”。通過實驗室制備無水氯化鋁的問題情境，利用“方案設(shè)計與比較”“裝置連接與改進(jìn)”“操作流程與監(jiān)控”三個教學(xué)主題，整合物質(zhì)性質(zhì)、反應(yīng)、實驗裝置、操作和現(xiàn)象相關(guān)考點，開展路線設(shè)計、方案篩選、裝置連接圖繪制、裝置改進(jìn)獻(xiàn)策等學(xué)習(xí)活動，引導(dǎo)學(xué)生串聯(lián)知識、梳理方法、活化思維，并建構(gòu)模型。多樣化的主題活動“催生”認(rèn)知模型的同時，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力、實踐創(chuàng)新精神和社會責(zé)任感，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實。

3.2 問題導(dǎo)向、證據(jù)推理，“點燃”模型認(rèn)知

模型是對客觀事物或過程的一種表征方式，是利用證據(jù)進(jìn)行科學(xué)解釋的工具，它將已有知識與新的證據(jù)聯(lián)系了起來[4]。模型認(rèn)知離不開證據(jù)推理，證據(jù)推理是建構(gòu)模型認(rèn)知的前提。“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”中的“與”不能簡單理解成兩者的加和，它們是相互聯(lián)系的統(tǒng)一體[5]。對于無水氯化鋁的制備，無論是方案的設(shè)計、裝置的連接、操作的排序還是實驗現(xiàn)象的描述，都要密切聯(lián)系物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)特點，做到“性質(zhì)裝置操作”三位一體。所以，教師在充分研究高考試題，挖掘?qū)嶒炈夭暮徒虒W(xué)主題的同時，要對試題進(jìn)行內(nèi)容調(diào)整和形式變換，設(shè)置有思維梯度的問題鏈，對考點進(jìn)行發(fā)散與整合，設(shè)計一連串的問題線索，引導(dǎo)學(xué)生深入思考，在問題導(dǎo)向和證據(jù)推理的過程中逐步建立認(rèn)知模型。例如，氯化鋁易升華、易水解的特性都是問題情境中的關(guān)鍵信息，是設(shè)計實驗方案、確定裝置連接及操作先后順序的重要依據(jù)。通過對信息的提取、加工、整合以及問題的分解、關(guān)聯(lián)、綜合等證據(jù)推理過程，埋藏在學(xué)生思維深處的認(rèn)知模型自然能被“點燃”。

3.3 建模、用模相結(jié)合，“升華”模型認(rèn)知

在高三復(fù)習(xí)當(dāng)中，需要廣泛且深入地研究不同類型的試題，探尋問題設(shè)置的相似性與問題解決的規(guī)律性，引導(dǎo)學(xué)生在分析比較、歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，對問題解決過程進(jìn)行抽象、提煉、簡化，并進(jìn)行思路的外顯，才能建立認(rèn)知模型。同時，建立的模型需要不斷地應(yīng)用在新情境問題解決中才能得到內(nèi)化，“建模”與“用模”要相互結(jié)合才能促進(jìn)“模型認(rèn)知”能力切實的提升。倘若不加以應(yīng)用，總結(jié)出來的只能是“靜態(tài)”的認(rèn)識思路，局限于特定類型問題的解決。只有應(yīng)用在不同的問題情境中，并“動態(tài)”地修正和完善，知識才能“升華”，思維才能提升，核心觀念、認(rèn)知模型才能有效地建立起來。所以，教師在復(fù)習(xí)中既要引導(dǎo)學(xué)生不斷總結(jié)提煉，形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識思路，也要帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)以致用，應(yīng)用模型解決問題，拓寬認(rèn)識思路，鞏固認(rèn)知模型。因此，促進(jìn)“模型認(rèn)知”的教學(xué)值得貫穿在高三化學(xué)復(fù)習(xí)始終。超越龐雜、零散的知識體系，幫助學(xué)生在更多的復(fù)習(xí)專題中挖掘、梳理、建構(gòu)認(rèn)知模型，優(yōu)化復(fù)習(xí)備考，提升復(fù)習(xí)效率，值得我們做出更多的努力。

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