素養為本的四階段八環節模型建構教學設計

趙瑩瑩 林美鳳

關鍵詞：核心素養;平衡體系;勒夏特列原理;建模思維

1建模歷程的“四階段八環節”

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中明確提出要把“核心素養”培養落實到課堂教學過程中，倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，幫助學生形成化學學科核心觀念，培養其創新精神和實踐能力，引導學生關注與化學相關的社會問題，提升參與意識與決策能力。其中，建立認知模型是化學核心素養的重要組成部分。關于“模型”的定義研究學者眾說紛紜，其核心要素為：它是人們為達到對目標對象進行解釋、認識或研究等特定目的而對其所作的一種簡化的、直觀的、定性或定量的文字或圖形的描述。而建構模型則是指基于對研究樣本進行實踐分析和證據推理后，利用簡化、類比和抽象的方法，將研究樣本的本質特征和內在關聯形成概括性描述或認識思路，反映出原型的功能、結構、屬性、關系以及過程等本質特征的物質或思維形式。認知模型是解決復雜問題的思維框架，建模是化學教學中構建認知模型必不可少的重要手段。

建模歷程是一個相當復雜的過程，臺灣學者邱美虹教授基于Hestenes和Halloun等人在建模研究的基礎上提出將建模歷程分為四階段八環節，如表1所示。環節之間并不是獨立發揮作用，而是交互運作進行的。

本文以滬教版高三拓展型課程中“勒夏特列原理的應用”復習課教學為例，應用四階段八環節的建模歷程進行教學實踐，旨在提升學生核心素養，重點突出建模思維的培養。

2教學要求與學情分析

化學平衡移動是高中化學教材體系中重要的基礎理論之一。滬教版高三拓展型課程將四大平衡體系融合在一起，要求學生能應用勒夏特列原理分析和解決生活生產中的相關問題，具體的教學要求如表2所示。

高三學生經過高一高二的學習，已經積累了電解質、離子反應和四大平衡等知識，在生活中對平衡現象也有所認識與思考，思維上具有主動性以及觀察、比較等能力。通過這部分內容的教學，有助于進一步發展和建立學生的變化觀念與平衡思想。但學生對于現象的分析、問題的解決、比較條件的控制，歸納的思維嚴密性等方面都存在不足，需要教師加以引導形成全面完整的認知，提升建構模型解決實際問題的能力。

3教學設計與基本思路

教學設計圍繞建模歷程的四階段八環節，實現情境線、素養線、結構線和知識線并聯，將與生活、生產、生物、自然等密切相關的CO2水溶液作為載體切入，創設一系列情境，深入探析“CO2-H2CO3-HCO3”在平衡體系中的行為。教學內容將各平衡體系進行比較與歸納，深刻認識其規律與內在聯系，著重強化運用勒夏特列原理分析平衡移動的變化規律，解決具體問題。通過情境創設，引導學生進行思考、討論、實驗、歸納、總結、評價等教學活動，使學生對平衡的認識逐漸由化學學科內的“小”平衡走向自然環境中的“大”平衡，認識到勒夏特列原理的普適性并了解其適用范圍與條件，從而構建自己個性化的知識體系與認知模型，提升學生的建模能力，促進學科核心素養落地生根。教學設計基本思路如圖1所示。

第一階段：模型發展。創設生活中熟悉的情境引入建模對象，引導學生探究思考，幫助學生確立建模目標，初步架構模型。

第二階段：模型精致化。引導學生完成小組合作實驗探究的任務，通過假設、驗證、分析等思維方式，構建解決平衡類問題的模型，并基于實驗證據預測分析與結果的一致性。

第三階段：模型遷移。依次創設相似的與不同的新問題情境，引導學生交流思考，驗證模型的適切性并突破局限性。

第四階段：模型修正。通過交流、評價等環節鼓勵學生應用模型辯證地分析思考問題，認識勒夏特列原理的適用范圍與條件，從而修正模型并達到延伸模型作用的目的。

4教學實錄與活動評價

4.1模型發展

[創境引入]展示一瓶未拆封的冰可樂，晃動瓶子，打開瓶蓋。描述現象，闡明原因，并說出如何檢驗瓶中氣體的具體操作。

[生]（1）描述現象，解釋原因。（2）簡述檢驗操作——將可樂倒入盛有澄清石灰水的燒杯中;用導管將逸出的氣體通入澄清石灰水里等。

[師]鼓勵學生評價他人的方案，同時展示一支裝有澄清石灰水（濃度為0.01mol/L）的針筒。

[生]修正方案：將針頭扎入可樂瓶上方無液體的部位向外抽氣，發現澄清石灰水變渾濁。

[師]將冰可樂倒入杯中，引導學生結合化學平衡的知識觀察并思考為何要在飲料中添加C02。

[生]交流、討論、回答、補充。

作用1：調節口感

CO2溶于水后能生成碳酸：CO2+H20=H2C03，對人體略有刺激，產生爽快的口感。

作用2：消暑清涼

學生A：可樂中還存在溶解平衡：C02（g）=CO2（aq），打開瓶蓋飲用過程中，壓強變小導致溶解平衡向左移動，大量CO2逸出，帶走熱量，給人涼爽感。

學生B：人體口腔和胃溫度高，使化學平衡CO2+H20=2C0，+Q向左移動，CO：逸出帶走熱量。

作用3：抑菌防腐

[師]通常情況下CO：在水中的溶解度不大，溶解的體積比僅為1：0.8（25℃，101.3 kPa）。根據平衡移動原理，思考如何增大CO2的溶解量。

[生]溫度降低、增大壓強均能使上述平衡右移，增加溶解量。

[師]評價：沒錯，工業上正是在4℃低溫加壓條件下，增大CO2的溶解度，增強碳酸化作用。這會導致除耐酸菌以外其他的微生物均難以繁殖和生存，二氧化碳為容器內創造缺氧和壓力環境，使微生物生長條件被破壞，因此有抑菌防腐作用。

活動評價：以“可樂中的CO2”創設熟悉的生活情境，迅速調動起學生的好奇心和求知欲，在聯系可樂噴出、品嘗冰可樂獲得激爽快感的宏觀現象和探討CO2水溶液體系的微觀平衡中，提升宏微辨識能力。進一步設置問題引導學生思考飲料中添加CO2的原因并即時評價他人方案，充分調動學生的思維活動。回顧解決平衡問題的一般思路，進而幫助學生確立建模的對象（C02水溶液平衡體系）和模型成分（影響平衡的因素），初步構架基于勒夏特列原理解決平衡問題的認知模型。

4.2模型精致化

[師]問題1：CO2能使石灰水（0.01 mol/L）變渾濁，那能否使CaCl2（0.01 mol/L）溶液變渾濁呢？

[生]提出猜測——不能，若反應生成CaC03，則溶于產物HCI，故不產生渾濁。

實驗驗證——向盛有CaCl2溶液的試管中吹氣，沒出現預期“先產生沉淀，后沉淀消失”的現象。

[師]問題2：用勒夏特列原理解釋：如何通過改變條件，使之產生沉淀？

[生]提出猜測——石灰水（ca（OH）2）和CaCl2的區別在于溶液中陰離子不同，考慮可通過加入堿液提供OH一來產生沉淀。

實驗驗證——向剛才吹過氣的CaCl2溶液中滴加稀氨水或Na0H溶液，發現均有白色沉淀產生。

分析原因——原先c（CO）太小，無法產生CaCO3，而通過加入堿液可使電離平衡右移，不斷產生CO2，c（CO3）增大，產生CaCO3沉淀。

[師]評價：分析得很到位，歸納上述回答我們就獲得了解決平衡問題的一般方法：

第一步，找出相應平衡。解決問題的關鍵是要找出與問題有關的平衡，只有找準了平衡，才能運用勒夏特列原理解決有關的化學問題。在多重平衡體系中，這一步更為重要。

第二步，分析條件改變。分析條件改變將導致哪些影響平衡的因素，是溫度、濃度還是壓強？

第三步，辨別移動方向。根據影響平衡的因素，基于勒夏特列原理，判斷平衡移動的方向。

第四步，解釋相關問題。根據平衡移動的結果，解釋化學問題及現象，獲得合理的結論。

引導學生構建模型（見圖2）。

問題3：若要讓沉淀再次溶解，可滴加什么試劑？

[生]提出猜測——酸液。

實驗驗證——向渾濁的試管中滴加稀HCI，發現溶液再次變回澄清，驗證猜測。

活動評價：以化學課堂中的經典難題設置層層遞進的三個問題（能不能？如何能？再次能？），引導學生合作探究。通過假設、驗證、推論等邏輯思維方式驗證CO2溶液中的平衡體系，提升其證據推理能力以及實驗探究意識。過程中及時對學生的回答作出歸納反饋，引導學生構建并效化解決平衡問題的模型，即“找平衡、析改變、辨移動、得結論”（見圖2），結合實驗證據驗證與模型推論結果的一致性。

4.3模型遷移

[師]創設新情境，組織學生交流討論，引導其基于勒夏特列原理，應用模型來解釋新問題。

應用1：候氏制堿法中為什么把CO2通入氨化的食鹽水里制取純堿。

應用2：向針筒中變渾濁的石灰水（0.01 mol/L）里繼續通入CO2，又變回澄清。

[生]思考、討論（見圖3）。

[師]評價：應用2的原理其實在生活中普遍存在：如碳酸飲料飲用過度將導致骨質疏松、自然界的鬼斧神工——地下溶洞的形成……

應用3：已知人體血液能穩定在7.35～7.45之間也是依靠上述C02在溶液中的平衡：CO2+H20=H2C03=H4+HC03。請結合勒夏特列原理解釋：

（1）當少量酸性或堿性物質進入血液時，血液pH變化不大的原因。

（2）如果有大量酸性或堿性物質進入血液時，人體會產生什么結果？

（3）呼吸不正常可能會導致血液中的酸堿不平衡，請分析太快太深的呼吸或太慢太淺的呼吸會導致怎樣的后果。

[生]解釋原因：

（1）當少量酸性物質進入血液，c（H）增加，平衡逆向移動，由肺部加深呼吸排除多余C02;當少量堿性物質進入血液，c（H）減少，平衡正向移動，肺部呼吸變淺減少CO2的排出。同時血液中c（HC03）改變可由腎臟調節補充或吸收，以控制血液中HC03和H2C03維持正常比例，所以血液pH維持穩定。

（2）破壞血液中的酸堿平衡，引發人體酸堿性中毒。

（3）運用模型加以解釋，見圖4。

[師]評價：當人情緒過度緊張、生氣或肺部功能不全患者都容易呼吸不暢導致人體內酸堿平衡失調，引發酸堿性中毒造成危害。可見，平衡除了在化學中廣泛存在，與人體健康也密不可分。

應用4：請用勒夏特列理論加以解釋：蚊蟲叮咬感覺疼癢是因為其向人體中注入了甲酸破壞了人體內局部的血液酸堿平衡所致，一段時問后即會自行痊愈。若要盡快緩解疼癢，可涂抹什么試劑呢？

[生]運用模型加以解釋，見圖5。

可涂抹堿性試劑，如小蘇打、肥皂水、稀氨水、堿性牙膏等。

活動評價：依次創設近遷移（應用1、應用2）以及遠遷移（應用3、應用4），將模型應用于解決化學生產以及生物領域的具體問題，驗證模型的適切性并突破學科的局限性，同時提升學生的學習興趣。基于學情設置循序漸進的問題，引導學生開展積極的交流討論，在應用鞏固認知模型解決平衡問題的同時，進一步強化變化觀念與平衡思想。

4.4模型修正

[師]提供資料：植物通過光合作用吸收大自然中的C02，而C02的含量又隨著生物呼吸和物質燃燒等環節增加，周而復始地進行循環，從而使大氣中的CO2保持穩定，整個過程即“碳循環”平衡。可隨著大量森林被肆意砍伐，工廠無節制地排放C02，大氣中碳循環平衡被破壞，人類也遭到了大自然的抵抗：全球變暖，冰川融化，洪水泛濫，氣候惡劣，水土流失，疾病流行……請結合資料信息談談感受。

[生]討論：勒夏特列原理具有普適性，不僅適用于化學平衡，同樣也適用于其他平衡系統，包括人體內環境酸堿度、生物學上的生態平衡、自然界的碳循環平衡等。

[師]評價：沒錯，勒夏特列原理是自然辯證法在自然科學領域的具體化，它是化學、生物、大氣乃至整個經濟、社會等一切領域的自然法則。

追問：見表3。

[師]補充：通過今天的學習，我們發現勒夏特列原理只適用于平衡被濃度、溫度或壓強中一個條件改變后的移動方向判斷，若多種外界條件同時發生改變則就無法使用。可見任何真理都有自己適用的范圍與限制條件，若超出了這個范圍和條件，真理就變成謬誤！

[總結]基于勒夏特列原理的適用范圍與條件，完善修正模型：

找平衡——由化學平衡普適至非化學平衡

析改變——只適用于單一條件的改變

辨移動——僅辨別移動方向

得結論——以辯證的視角分析解釋問題

活動評價：引導學生聚焦自然環境問題：碳循環失衡。提供資料拓寬勒夏特列原理的適用范圍，通過不斷追問讓學生認識其使用條件，鼓勵學生親自參與環境問題的討論并形成正確的價值判斷，學會辯證地看待問題，樹立可持續發展的思想，從而提升社會責任意識。過程中采用生生評價以及師生評價，鼓勵學生不斷修正、強化原先的認識模型，達到延伸模型作用的目的。

5教學效果與實踐反思

5.1依托真實情境，激發學習興趣

以CO2水溶液平衡體系作為載體，創設眾多真實問題情境，將相似、分散的知識板塊重新整合，精心設置循序漸進的問題，引導學生通過實驗探究、討論交流等環節驅動其不斷解決問題、鞏固知識，拓展思維深度。這種理論聯系實際，打破傳統復習課的模式不僅激發了學生學習化學的興趣，也引發了他們對生活生產、自然環境等問題的關注。從課堂效果來看，學生反饋積極，參與度很高，獲得感明顯增強。

5.2教、學、評一體化，提升復習效果

復習課的課程設計，教師通過布置具體的教學任務和設置循序漸進的問題，不斷用提問一點評的形式讓學生的思維始終處于積極活躍的狀態。如飲料中的CO2如何驗證、為什么CO2通入CaCl2溶液中沒有沉淀產生、如何使之產生沉淀、如何維持碳循環平衡等等，這些具體的問題對學生而言不僅具有挑戰性，答案也并非一蹴而就，此時將即時性點評嵌入“教”與“學”的過程中，即教即評，即學即評，充分發揮即時性評價交流診斷、反饋矯正的功能，有效提升復習效果。

5.3樹立建模思想，發展核心素養

平衡知識的復習課教學要基于學生已掌握的知識，厘清思維障礙，重點關注勒夏特列原理與生活生產實際問題相結合，發展變化觀念與平衡思想;遷移至自然環境問題的解決過程，強化學生的社會責任意識;教學過程中建模思想的運用，提升學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，強化證據推理與模型認知的思維方式，發展學生的化學學科核心素養。

如今建模教學作為一種高效的教學方式已經越來越多地應用到化學課堂中，如何診斷不同學習能力學生的建模水平，實現差異化、有針對性的培養仍是值得我們深入思考和研究的方向。