基于模型認知與建構的高中化學深度教學策略

王方波

摘要：基于對“模型認知”核心素養內涵的理解，從原電池的本體維度、認識維度和問題維度，構建高中原電池認識模型和教學設計新思路，并以“走進電池的內部世界”的實踐為例加以闡述。在此基礎上進一步分析和概括基于原電池認識模型建構、解構與重構的有效教學策略。

關鍵詞：模型認知;教學設計;原電池;認識發展

文章編號：1005-6629（2021）05-0040-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

化學模型是指將與化學相關的實際問題用化學語言或數理邏輯方法進行抽象、簡化、概括，從化學視角來反映實際問題時所得出的關于實際問題的描述或模擬。而“模型認知”是指依托于物質變化的內在規律做出模型假設與模型構建的能力，可以幫助學生建立解決復雜化學問題的思維框架，有助于更加直觀地理解并解決化學問題，為后續學習提供有力的思維導向和支撐，以實現化學的學科價值。

1.1課堂教學對模型認知的意識欠缺

目前，課堂教學普遍存在的問題是教師比較重視學科知識的傳授，從而忽視引導學生對問題情境進行合理的假設及分析，對學生思維方法的建構更是較少關注。因而學生只是死記硬背一些知識點，不能有效地將具體問題轉化為抽象的經驗，形成模型認知的能力。課堂是模型認知能力落地生根的首要陣地，因此培養學生模型建構的能力，提高教學的有效性就顯得任重而道遠。

1.2學生認知原電池的思維障礙點

據了解，學生在原電池的學習過程中存在許多迷思概念，且根深蒂固。對于原電池的構成條件、內外電路分析、電極反應式書寫和原電池設計等都存在一定的困惑。主要表現在：一是三重表征含義理解模糊。對原電池內外電路缺乏深刻理解，不能正確判斷原電池的正負極、電流流向、陰陽離子移動方向和離子濃度變化。二是概念認識存在偏差，不全面、不系統。對原電池的本質認識不夠清晰，認為氧化劑和還原劑只有接觸才可能發生反應并產生電流，電極材料活潑性一定不同，電極材料和離子導體必須參與反應，離子導體傳遞電子等。三是缺少對各角度相互關聯的認識，特別是原理要素和裝置要素的區分和關聯。在裝置維度上，學生盡管知道原電池的具體要素，但不清楚它們在原電池中所起的作用，因而難以在電池設計任務中做出變式和創新。四是在原理維度上，由于平時過度訓練導致學生只重視概念的掌握，而對實驗的全過程和可能出現的現象置之不理，最終導致不能完成系統分析型任務。因此，真正幫助學生建立一個能系統有效地分析和解決原電池問題的認識模型，促進學生學科能力及素養的發展就顯得十分的重要和必要。

本文以開設的一節選擇性必修課程“走進電池的內部世界”區級公開研究課為例，探討突出發展學生“模型認知”核心素養的教學設計和實踐，追求認識規律與模型建構有機融合的有效教學。

2基于發展“模型認知”素養的原電池教學設計

美國教育學家戴爾所提出的經驗之塔理論，把學習經驗分為具體和抽象，學習應從生動直觀出發向抽象思維發展，符合人類的認識規律。學科教學不能僅滿足于具體經驗，要向抽象化發展，使具體經驗普遍化，最后形成概念。因此教學設計要創設真實且富有價值的問題情境，問題的解決需通過模型建構，從做的經驗開始，將知識逐步轉化為抽象的經驗，促進學生化學學習方式的轉變。

2.1原電池“模型認知”素養分析

根據“模型認知”對高中生發展的具體要求，創建能夠解釋原電池真實現象的模型，從多角度聯系解決實際問題，揭示化學現象的本質和規律，有助于幫助學生理解原電池的核心知識，同時也是科學研究中重要的認識手段和思維方式。特別是通過分析、推理等方法認識原電池的工作原理、構成要素及各角度之間的關聯來建構模型，從而培養學生“模型認知”的意識，形成“模型認知”的建構思維。

2.2原電池“模型認知”教學背景分析

2.2.1課程標準要求

2017年版新課標對選擇性必修課程中有關原電池的教學提示，明確要創設真實情境，充分利用銅鋅雙液原電池等案例素材，組織學生開展多種學習活動，逐步掌握原電池工作原理，幫助學生認識電極反應、電極材料、離子導體、電子導體是原電池的基本要素，建立起對原電池的系統分析思路，提高學生對原電池本質的認識，從而提升科學探究與創新意識等化學學科核心素養。

2.2.2教學內容分析

原電池是高中化學的重要組成部分，是電化學的核心內容，融合了氧化還原反應、電解質溶液、金屬的性質、電學等知識，彼此間結合滲透，是學科內、學科間的綜合。

原電池在日常生活、工農業生產和科學研究等各個方面具有廣泛的應用。學好原電池知識，具有重要的現實意義。

原電池內容的學習對發展學生的科學素養，提高邏輯推理能力、科學研究能力以及化學知識系統化都起著重要作用。

本案例內容除了知識本身的意義與作用外，在知識體系的建構中，也起著重要的承轉功能。通過由易到難的新舊知識銜接，結合學生對單液原電池效率的探究，引出半電池、鹽橋等概念，對原電池工作原理的概貌進一步深入和拓展，并借助模型促使學生概念的形成和發展，為后續化學電源和電化學防腐等知識的學習奠定基礎。

2.3原電池認識發展空間的教學目標定位

2.3.1學生已有知識背景分析

從知識儲備層面看，學生已具備了先備認知基礎，初步掌握了原電池構成條件，對其工作原理有簡要的認識。從能力層面看，學生已經具備簡單設計原電池裝置的能力，并能在團隊合作小組實驗中積極思考、相互討論，從而發現問題、分析問題、解決問題。然而，對原電池存在的缺點缺乏必要的理解和認識，對原電池裝置和原理還存在一些迷思概念，尚不具備科學創新思維和實驗綜合分析能力以及從宏觀實驗到微觀探析的推理能力。

2.3.2“教、學、評”一體化的教學目標

電化學的研究重點之一是電能與化學能之間的儲存與轉換，開發未來能源的一個重要方向就是電池的發展。如何在學生已有認知的基礎上對原電池原理形成完整的認識，進一步理解實用電池，需要突破局限認知。因此本案例內容是電池由實驗室模型走向實用性開發的重要橋梁，教學重點是尋找學生的“最近發展區”，完成知識和能力的跨越。

基于“教、學、評”一體化，本案例的主要教學目標定位于：一是從裝置維度和原理維度逐步建立完善的原電池認識模型，并能應用原電池認識模型解決實際問題;二是發展化學學科核心素養，通過建構認識模型和實踐探究活動，培養學生從三重表征的視角分析問題，應用模型解釋化學現象，發現和提出有價值的問題，并能設計方案解決復雜的實際問題的能力。具體是：（1）能分析、解釋原電池的工作原理，根據具體的氧化還原反應設計簡單的原電池。（2）會改進和評價單液、雙液電池，進一步認識原電池的形成條件。（3）能用圖示的方法和符號表征、表達研究原電池的一般思路和方法。（4）會舉例說明原電池在生產生活中的應用。3基于培養“模型認知”素養的教學實施過程

在教學過程中，充分利用原電池的發現發展史，以及生活和實物等案例素材，將知識的傳授與學法指導有機融合，組織學生開展分析解釋、推論預測、設計評價、概括關聯、說明論證等學習活動，讓學生能自主調用原電池的各個認識角度分析和解決陌生、復雜的問題，發展學生對原電池模型的認知水平和應用能力。教學與評價思路歸納如圖l所示。

3.1創設情境，任務驅動

[學習任務1]思考手機電池為何具有超強的續航能力，回憶原電池的構成條件。教學流程如圖2所示。

3.2鞏固舊知，發現不足

[學習任務2]選擇合適的反應設計成原電池。教學流程如圖3所示。

3.3實驗探究，優化電池

[學習任務3]改進Cu-Zn（CuSO₄溶液）原電池。教學流程如圖4所示。

3.4聯系實用，完善認知

[學生任務4]引入和拓展“膜”的概念。教學流程如圖5所示。

4基于原電池模型建構、解構與重構的深度教學策略

4.1創設真實情境，建構原電池思維模型

課堂上巧妙地使用情境素材進行教學，幫助學生對化學知識進行深刻理解和應用，有利于學生學以致用。本案例學習任務1以化學史為教學線索，用視頻和圖片呈現電池的發展史，以及單液原電池到雙液原電池的發展歷程。課的結尾播放電池在未來生活的應用視頻，同時分享2019年諾貝爾化學獎獲得者發明鋰電池的貢獻。正是這些真實的情境，激發了學生的求知欲，讓學習真正發生，學生借此更能體會到化學即生活，生活即課堂。“為什么視頻里的橙子可以給手機充電”“日常生活為什么不用水果作原電池材料”“手機電池為何具有超強續航能力”等這些真實的問題促使學生查閱資料和討論交流，從親身感受中體會原電池的學科價值和社會價值。同時借助實物模型（干電池、鋰電池），學生在學習過程中與實物模型（原電池裝置）和符號模型（電極反應式）形成對比，幫助學生找到各種模型的關聯與區別，初步建構銅鋅原電池認識模型（見圖6）。應用初建的認識模型分析問題，暴露認識偏差并加以糾正，為將化學反應與傳感技術相結合做鋪墊。另外通過復習舊知，確定反應，鞏固原電池原理，設計裝置，強化了對原電池構造的認識。

4.2活動層層遞進，解構原電池思維模型

實驗探究問題的線索和學生活動設計，要符合學生認知和心理發展規律，注重問題的設計及學習支架的搭建，從知識邏輯順序和學生認知順序角度構建“問題鏈”，引導學生尋找發現“證據鏈”，最終解決問題，實現所定的教學目標。本案例學習任務2利用給定的藥品和儀器設計Cu-Zn原電池裝置，讓學生通過實驗觀察到電流計指針發生偏轉，讀數變小，鋅片變黑;然后用DIS測定Cu-Zn原電池的電流、溫度變化，從溶液的溫度變化探究能量的轉化效率。實驗探究情境引發學生的認知沖突，再拋出遞進的問題鏈引發學生的思考：（1）單液原電池有哪些不足？造成單液原電池不足的根源是什么？（2）能否阻止銅離子在鋅片表面還原？鋅片應插入什么溶液中？（3）設計什么裝置可以提高電池的效率？問題鏈用以激發學生對所學內容的再思考與質疑，提出新的實驗設想，并作進一步驗證。在雙液原電池的連通方面探究了導線、水橋（濕潤的紙巾兩端插入兩池溶液中）和鹽橋，突破了雙液原電池的構成條件這一難點，而數字傳感技術的即視和直觀效果，是突破難點的關鍵。這樣，通過應用思維模型解決實際問題，步步設疑，層層推進，引導學生發現問題，設計實驗，反思評價，不斷修正，完成探究活動，將學科素養得以外顯和提升。

4.3巧選教學素材，重構原電池認識模型

化學教學的中心任務是理解科學本質，既要掌握有效的科學方法，又要學會對科學實驗做出合理的解釋。因此，在教學中要巧選有關教學素材來突破學生的思維障礙，讓學生在思考中學會用辯證的思維對待每一組科學實驗，在討論中感受科學探究的樂趣，在碰撞中擦出智慧的火花。如：通過動畫分析電流產生動因，引導學生從微觀的角度去理解宏觀變化，突破思維局限性;將干電池和靈敏電流計連接，觀察電流計指針的偏轉方向來理解電極;通過用離子傳感器測電極附近離子濃度變化來理解離子的遷移，讓想象和理解成為可視;通過橘子膜導電實驗的啟發，以及用干電池實物和動畫展示，讓學生認識離子交換膜，并在此基礎上做出更合理的推斷。最后在實驗探究的基礎上得出數據和結論，達成知識目標，完成電池由單液到實用的跨越，讓學生對未來電池的發展充滿美好憧憬，成為后續學習的內動力，同時對原電池的認識模型進行重構和完善（見圖7），升華化學課堂的主題——實踐出真知。

4.4單元整體設計，升華原電池認識模型

本案例對目標、任務和活動進行了單元整體規劃。教學中注重教學設計的整體性和層次性，不同的環節承擔不同的要素建構認識模型，隨著任務的進行不斷地加以完善。首先進行單液原電池的系統分析，強化四要素模型，明確區分裝置中各要素的作用，從而發展學生基于原電池模型的觀察記憶和概括關聯能力。引入雙液原電池模型，糾正學生關于電池動力的認識偏差，建立基于裝置的基本認識角度，從而發展學生的推論預測和簡單設計的能力。突破學生對于電極材料和電極反應物的迷思概念，發展學生近變式遷移應用的能力。進行單雙液原電池的分析解釋和說明論證，發展學生自主運用認識角度，形成對原電池的系統認識。進行雙液原電池的設計任務，發展學生多要素多角度地認識以及簡單設計和系統探究的能力。非典型實際電池（鋰電池和干電池）的拓展，讓學生進一步體會認識模型在解決真實復雜問題時的功能價值，從而進行創新及遠遷移。基于上述單元整體的教學規劃設計，明確教學內容的組織安排及情境素材的選取，突出學生能力的重點活動任務，從而在教學實踐中能夠更有效地開展師生互動設計。

環節設置上有診斷學生原有認識的環節、有破解錯誤認識的任務，有建構模型的分析思路等。通過接觸不同類型的電池原型，不斷鞏固、豐富和發展學生的認識角度。后續的教學中可調整任務的類型和開放度，促使學生在解決實際問題過程中不斷遷移學科知識、認識思路和方法，將模型要素和分析思路固化并加以內化，以實現深度學習。通過分析學生形成原電池錯誤概念和錯誤表現的本質原因，揭示學生的典型認識偏差，幫助學生建立原電池的正確認識，從而豐富和發展基于學科能力導向構建四個維度的原電池認識模型（見圖8）。

5結語

本案例的整體構思是從生活走進化學，用實驗探究化學，從化學走向社會。以發展學生模型認知和建構為指導思想，以原電池的優化為教學主線，用進階式課堂教學活動，將化學原理學習融入生產、生活實際問題的分析解決過程，引導學生從不同的角度去學習和認識原電池，培養他們的科學探究觀、化學價值觀等學科觀念。而知識、過程方法的教學是在構建主義指導下，實現知識問題化、問題情境化，促進學生自主探究建構認識模型，真正實現從知識教學走向核心素養教學，打造以素養為本的有效課堂。