培養模型認知能力提升化學核心素養研究

摘 要：化學“模型認知”是化學核心素養的重要內容之一，培養學生的模型認知能力對于高中化學學習有重要意義。文章結合具體的教學實踐，從建構模型、研究模型、理解模型、應用模型的角度探討在高中化學中如何整合課程資源，創新教學手段，以培養學生的模型認知能力。

關鍵詞：模型認知;高中化學;核心素養;實驗探究

中圖分類號：G633.8 文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2020）04-0092-02

高中化學新課標明確提出化學學科的核心素養，其可分為“宏微結合、變化平衡、模型認知、實驗探究、科學精神”五大板塊，而模型認知在化學教學中是重點，也是學生容易忽視的難點。模型認知能力的培養是教師在化學教學中不能忽視的方面。化學“模型”具體指晶體結構、化學方程式、電子式等。模型認知能力能夠幫助學生通過分析、推理等方法認識研究對象的本質屬性和特征、構成要素及其相互關系。學生可以借助語言、圖像、符號、數學表達式等來建立模型認知，理解化學現象的本質和規律。

一、 自主歸納，建構模型

化學課程中的模型建構往往是對一系列學生難以理解的抽象事物的歸納和演繹。針對原子結構、立體結構這些抽象概念建立具體模型，可以有效提高學生的學習效率，在幫助學生理解原子結構原理的同時，能夠加深學生對化學基本原理的印象，有助于構建化學模型認知體系。

例如，在教學“人類對原子結構的認識”時，學生通過本章內容對原子的結構有了基本了解，但是對原子核外電子排布的認知仍然薄弱。教師可先從時間線學生了解原子結構模型的演變過程，然后向學生介紹原子核外電子排布的具體方式及原子核外電子排布的三個基本規律（泡利不相容原理、能量最低原理、洪特規則）。其中，泡利不相容原理是指每個軌道最多只能容納兩個電子，且自旋相反配對。能量最低原理是指電子盡可能占據能量最低的軌道。洪特規則是指簡并軌道（能級相同的軌道）只有被電子逐一自旋平行地占據后，才能容納第二個電子。此外學生需要注意，等價軌道在全充滿、半充滿或全空的狀態是比較穩定的。原子的表示符號AX，表示的是質子數是Z、質量數為A的一種X原子。并且，質量數（A）=質子數（Z）+中子數（N）。學生在觀察原子結構圖的同時可以根據原子結構的知識點對原子模型進行分析和計算。

運動中的電子是一個抽象的概念，學生只能根據原子模型及原子核外電子排布規律對某一個原子進行分析和計算。在了解原子模型的過程中，教師需要引導學生對原子結構的知識點進行匯總和歸納。

二、結合計算，研究模型

高中化學模型研究中最常用的方法就是守恒法，守恒法貫穿化學學科學習的始終。在原子結構模型中需要用到質量守恒和電子守恒，還有一些化學反應中的物料守恒、價態守恒、溶質守恒等。所以建立守恒的化學模型在解題過程中十分重要。

例如，在進行“氯、溴、碘及其化合物”的教學過程中，學生對氯、溴、碘這三種物質的化學性質和相關化學方程式的寫法有了基本了解，但是對于實驗過程中出現的一些鑒別反應和轉化反應仍存在一些問題。教師可針對氯、溴、碘及其化合物的內容引導學生進行模型研究，展開專題探討。教師出示題目：“若某氯堿廠日產50%的NaOH溶液3 000 kg。如果把同時生產的Cl2和H2都制成38%的鹽酸，試計算理論上每天可生產鹽酸的質量。”分析可知，該氯堿廠日產50%的NaOH溶液3 000 kg，即生產NaOH的質量是50%×3 000 kg=1 500 kg，物質的量是= 37 500 mol。教師要求學生根據題目先列出方程式，然后從中尋找物質的量的關系：2NaCl+2H2O [通電] 2NaOH+ H2↑+Cl2↑，得到氯氣和氫氣的物質的量分別是18 750 mol，所以得到HCl的物質的量是H2或是Cl2物質的量的2倍，即生產的HCl的物質的量是37 500 mol，即37 500 mol×36.5 g/mol=1 368 750 g≈1.37 t，也就是說理論上每天可生產鹽酸的質量是1.37 t.

根據方程式得到能量守恒的物質比例，然后根據原子守恒、質量守恒的原理進行計算是高中化學的一類基礎計算問題。對化學模型進行初步認知后，研究模型、分析模型就成為學生逐步發展模型認知能力的具體任務。

三、多元對比，理解模型

教師在進行化學教學的過程中，應當鼓勵學生建立不同的模型，從不同的視角看待化學問題。化學模型的多元對比，可以幫助學生掌握化學模型的內涵和用途，不僅有利于學生深入理解模型認知概念，還有助于學生發展化學思維和創新能力。

例如，在進行“鈉、鎂及其化合物”這節課的備課過程中，筆者發現Na和Mg的化學性質活潑，并且原子結構也具備一定的特點，所以筆者決定設置一個模型構建的專題，以便讓學生在多種模型的運用、轉化過程中對這兩種金屬的特性獲得更為深刻的認知。筆者先讓學生繪制鈉與鎂的原子結構模型，從能量角度分析這二者化學性質的原子結構基礎。學生發現金屬鈉的原子結構最外層只有一個電子，容易失去電子，所以導致鈉的化學性質活潑。金屬鎂也是相同的原理。然后，筆者要求學生在“電解氯化鈉”的電解池例題中列出電解氯化鈉時電解池正極負極發生的化學反應和電子轉移過程。該電解池的總反應式為：2NaCl+2H2O =2NaOH+ H2↑+Cl2↑，負極電子轉移式為：2H++2e-=H2↑，正極的電子轉移式為：2Cl--2e-=Cl2↑。分析到電解池這個化學模型，就可以把物質的化學性質與實用化學聯系起來。對原子結構和化學方程式模型進行分析和類比，學生就會對模型構建建立起一定的層次感和邏輯脈絡。

此外，教師可以幫助學生進行概念圖的填充。概念圖能形象直觀地表示集合之間的關系，能將抽象的符號、文字變得具體簡明。這就有利于學生理解和把握概念，有利于構建化學知識網絡，有利于學生分清概念之間隸屬、同一、交叉或者并列等關系。

四、 解決問題，應用模型

物質發生化學反應伴隨著能量變化，能量變化通過氧化還原反應來實現。教師可以按照“現象——模型——實驗（或觀察）——理論”的基本程序，以實驗資料和科學觀察為基礎，圍繞物質的性質和特性，引導學生對金屬的化學性質等進行探討。

例如，在教學“鐵、銅的獲取及應用”時，關于金屬Fe的氧化還原反應很多，學生存在不會配平化學方程式的問題，因此，在課堂上教師可要求學生進行一次將“鐵銹”轉化成“生鐵”的實驗設計。學生首先要了解傳統工藝工業冶鐵的步驟包括3H2+Fe2O3[高溫]? 2Fe+3H2O以及3CO+Fe2O3[高溫]? 2Fe+3CO2兩部分，運用的原理是：高溫條件下利用還原劑CO將Fe2O3還原為Fe。同時，在實驗設計過程中，學生也要注意一些實驗器械的正確用法，如“高溫條件下”的限定，需要的加熱工具為酒精噴燈或者帶罩的酒精燈。

應用模型解決問題的過程中，學生需要對氧化還原反應有一個清楚的認知，這就需要教師在教學過程中與學生進行有效交流，及時發現學生解題過程中存在的問題，以便對學生進行模型認知指導。

總之，高中化學新課程的教學應立足每一位學生的發展，按照課程改革的要求，努力提高學生的核心素養。在模式認知的培養方面，教師要圍繞學生的化學素養和化學思維能力的培養，通過“自主歸納以建構模型，多元對比以理解模型，結合計算以研究模型，解決問題以應用模型”的方式創新教學手段，提升學生認識、分析及解決問題的能力。

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Study on the Cultivation of Model Cognitive Ability and the Improvement of Chemical Core Literacy

Yang Bo

（No.1 Middle School， Jiangdu District， Yangzhou City， Jiangsu Province， Yangzhou 225267， China）

Abstract： Chemistry "model cognition" is one of the important parts of chemistry core literacy. It is of great significance for senior high school chemistry learning to cultivate students' model cognition ability. Based on the specific teaching practice， this paper discusses how to integrate curriculum resources and innovate teaching methods in senior high school chemistry from the perspective of construction model， research model， understanding model and application model， so as to cultivate students' model cognitive ability.

Key words： model cognition; high school chemistry; core literacy; experimental research

作者簡介：楊波（1981-），男，江蘇揚州人，中學一級教師，從事高中化學教學與研究。