強化建模過程的課例研究

李海芳　莫宇鋒　何琳　孫可平

摘要：鹽類水解是高中化學電解質溶液體系的重要內容之一。其反應機理、規律與應用對學生來說都具有一定的深度和難度，是電解質理論、離子反應及平衡理論的綜合運用。通過聚焦鹽類水解第1課時“探究鹽溶液的酸堿性”，將鹽類水解內容及其相關特性進行分析，辨析并建構鹽類水解的觀念模型，設計鹽類水解模型建構的水平進階教學模式。最后，通過強化模型建構的教學實踐促進學生對鹽類水解知識體系的深層次理解，獲得模型認知能力的發展。

關鍵詞：觀念模型建構;鹽類水解;建模教學;水平進階模式

文章編號：1005-6629（2021）04-0054-06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1引言

模型是對要素之間關系的抽象化表征，具有外顯的思想溝通與表達作用，在教學中用于提升學生的科學思考能力。我國在《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“2017版課程標準”）中明確將“模型認知”作為化學學科核心素養的重要組成部分，并要求能根據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架。在美國，也將模型與建模作為科學教育核心素養的重要構成部分，并認為它可以提升學習者對復雜現象的理解和問題的解決能力。由此可見，科學教育領域對模型及建模的教育功能已達成普遍共識。模型是對一個復雜系統的簡化和抽象表示，其目的是用來解釋或預測某些科學現象;而建模則是建立模型的動態過程。模型與建模對培養科學認知和思考能力是極為重要的。

化學知識中包含許多由現象、概念、理論、定律等諸多要素及其相互關系構成的復雜體系。一個有效的建模過程不僅可以清晰地表征這個復雜的體系，也能夠在建模進程中更深入地理解這個復雜體系的要素和關系。“鹽類水解”是高中化學的重要內容，它包含了溶液、電解質、電離、平衡移動等諸多概念和原理。學生在學習該主題時常常傾向于機械記憶水解方程式與規律，卻不清楚微觀粒子在溶液中的變化過程。換言之，學生無法將實驗現象、電解質理論以及水解微觀本質聯系起來，建立并把握鹽類水解的本質觀念。

為了解決學生對“鹽類水解”觀念理解不夠深入的問題，我們以“鹽類水解”的第1課時“探究鹽溶液的酸堿性”教學作為探索對象，通過引導學生逐步建構鹽類水解的觀念模型，促進他們深入思考，真正理解和掌握鹽類水解的本質。

2教學設計分析

鹽類水解的本質觀念中包含諸多概念及其內在聯系。建構鹽類水解的觀念模型就是將溶液體系中諸多要素的關系簡化再抽象地表征出來。本研究從兩個方面來考察教學中鹽類水解的觀念建模。一是從教學內容來看，鹽類水解概念從宏觀特性發展到微觀表征漸近地體現其本質特性;二是從建模過程來看，學生的模型認知水平的進階特性也顯現出來。根據這兩方面的分析形成一個凸顯鹽類水解觀念認知建模的教學設計框架。

2.1教學內容分析

“鹽類水解”是2017版課程標準主題3中“水溶液中的離子反應與平衡”的組成內容。課標要求通過認識鹽類水解的原理和影響鹽類水解的主要因素，關注水溶液體系的特點，結合測定溶液pH的實驗現象、數據等證據素材，通過微觀表征、解釋宏觀現象等具體任務，了解水溶液中的離子反應與平衡在物質檢測、化學反應規律研究以及物質轉化中的應用。根據課標要求，“鹽類水解”的觀念模型可以從三條觀念發展線索上構建：一是知識的表征形式，從測定溶液pH等宏觀實驗現象到粒子問的相互影響與作用的微觀表征;二是概念抽象形式，從宏觀現象的具象到本質關系的模型抽象;三是“鹽類水解”本質的理論發展，從解釋現象特征到闡釋和預測水解本質的運用（如圖1所示）。

從圖1的分析可以看出，“鹽類水解”觀念形成過程是從豐富具體的實驗事實中抽取出水解的關鍵特征，獲得概念;并進一步認識這些特征與概念間的關系，形成相關理論;最后，認識鹽溶液的本質，形成和把握“鹽類水解”的大觀念。然而，在高中階段，“鹽類水解”概念卻常采用與概念形成相逆的演繹方式進行教學，即理論輸入在先，實驗驗證在后。這種教學設計的目的是，期望通過理論闡釋讓學生辨別“鹽類水解”概念中的鹽類物質本身屬性、溶入水后微粒相互作用等諸多變量，建立起水溶液體系中核心要素及多變量間的關聯，結合對實驗現象的分析，能夠對溶液行為進行正確的解釋和預測。這種教學實施過程中存在的最大問題是，學生的認知邏輯受歸納慣性的影響，錯誤地用“果”解釋“因”——因為鹽水解后溶液顯酸（堿）性導致水的電離平衡移動;再有，由于學生對水解相關理論把握不夠，對溶液體系的核心要素的認識都是割裂、零散的，以致有效、簡明、整體地理解“鹽類水解”的本質觀念就存在一定難度。

因此，引導學生建立一個清晰的“鹽類水解”觀念模型是解決以往教學困境的一個重要策略。鑒于電解質電離、鹽類水解、離子互換反應都是“物質在水溶液中的行為”，反應機理、規律及應用均涉及溶液酸堿性本質、電解質概念、平衡移動、守恒觀念等多個相關核心概念與思想，本研究從電解質溶液、離子性質、平衡移動、守恒思想四個方面人手構建鹽類水解的觀念模型，如圖2所示。

圖2的模型中，針對“鹽類水解”的認識對象電解質，從三個維度逐漸建構觀念模型。一是電解質構成的水溶液體系即水解過程中強弱電解質的溶液特性;二是水解過程中的微粒特性，即離子的結合難易、濃度大小;三是水解溶液的動態特性，即從平衡移動限度、方向，推斷溶液中各微粒的行為。所建構的電解質在溶液中相互作用的觀念模型，再通過水解溶液酸堿性的實驗證據及應用于生產生活實踐的例證，使其模型的綜合表現顯性化。通過這個鹽類水解的觀念模型，有利于學生表征溶液體系中各要素的關系，在深入認識溶液中可逆反應特性的過程中，進一步形成化學平衡觀念。

2.2建模水平進階分析

“鹽類水解”觀念模型的建構過程，本質上講，是一個從低水平到高水平的認知進階過程。依據學生的認知水平發展，教學中需要設計一系列有層次的模型建構環節，以便學生逐級地使用適當的表征方式形成一定的模式，解釋問題并趨近問題本質。曾有研究者將“模型認知”能力水平用微觀表征和符號表征等思維外顯方式進行界定。本研究則從“鹽類水解”觀念模型的特性出發，強調學生模型建構的水平進階更具可操作性。因此，將建模水平的進階與表征方式聯系起來，以醋酸鈉溶液為例，進階分析如表1所示。

表1中的“低、中、高”三個建模的進階水平分別是：（1）辨明構成觀念模型中的各個概念及其特性;（2）明確有關水解的概念和特性在溶液體系中的關系;（3）使用理論闡釋水解在水溶液體系中的關系，形成對鹽類水解的本質認識。依據這樣的建模的水平進階，教師可以在教學設計中將建模的認知序列轉化為具體的教學環節。

3強化建模過程的教學設計

通過對教學內容、建模水平的分析，在教學設計中需要將“鹽類水解”觀念模型的發展與學生建模水平的進階有效地聯系起來，引導學生在一系列建構模型的過程中更深入地把握“鹽類水解”本質的大觀念。為此，要將以學生認識發展為依據的教學環節序列、建模過程和教材中化學知識的表征進階相協調（如圖3所示）。

圖3中的建模教學序列中，初構原型環節是指在學生感知“鹽類水解”的相關實驗基礎上，抽取出宏觀表征的鹽溶液的酸堿特性，初步形成具象的觀念模型，即原型（prototype）;形成模型環節則是通過分析微粒的特性，引導學生從微觀角度探索離子的性質與電解質溶液特性的關系，形成觀念模型的輪廓;模型進階環節是引導學生綜合把握電解質溶液中離子的動態變化，根據相關理論預測未知鹽溶液的特性，趨近鹽類水解觀念模型的本質認識。課堂教學中將這三個建模環節按照教學的認知進程逐一展開，將建構模型的活動具體地體現在教師和學生活動中。本案例的教學設計如圖4所示。

4強化模型建構的教學實踐

強化模型建構的教學實踐中，每個環節的教與學活動都要促成學生去辨明構成“鹽類水解”觀念模型中的各個關鍵特征和概念，并依據理論去建立它們之間的關系。因此，本節課的教學目標強調：（1）通過測定鹽溶液pH實驗，能說出鹽類水解應具備的條件、特征;（2）通過分析實例，能運用平衡移動原理解釋溶液水解行為，構建并完善鹽類水解模型;（3）通過探究新情境，能表征鹽類水解中離子的復雜行為，形成對水溶液體系的整體認識。這三個主要目標通過四個教學環節加以實現。

[環節1]建模準備

教師：提問1——純水呈中性的本質原因是什么？

學生：水電離產生的c（H⁺）=c（OH^-）。

教師：提問2——水中加入鹽酸、醋酸后呈酸性的本質原因是什么？

學生：鹽酸、醋酸都能電離出H⁺，增大H⁺濃度，c（H⁺）>c（OH^-）。

學生：學習任務1——寫出水、鹽酸、醋酸的電離方程式。

教師：投影——水、鹽酸、醋酸電離的微觀動態圖。

設計意圖：這個環節的重點是激活學生頭腦中有關“鹽類水解”的相關概念或特性。在建構鹽類水解的觀念模型前，引導學生回顧各種關于水、酸溶液、堿溶液的特性和概念，有利于學生建構模型時辨別和思考鹽溶液的特性及其關系。展示微觀粒子的動態圖則提供了表征粒子行為模型的方法，有利于學生分析和理解鹽溶液中微粒的行為和關系。

[環節2]初構原型

教師：提問3——NaCl、CH₃COONa、NH₄Cl分別溶于水后，溶液會顯中性嗎？

學生：猜測均為中性，理由是未提供H⁺、OH^-。

學生：學習任務2——分組實驗測定三種鹽溶液的pH，書寫電離方程式，討論鹽溶液酸堿性差異的原因。

學生：學習任務3——畫出三種鹽在溶液中的微觀圖示，并嘗試用符號表征該過程。

教師：提問4——其他鹽溶于水后溶液酸堿性會怎樣？能找出其中的規律嗎？

學生：鹽溶液酸堿性差異的本質原因是鹽提供的離子與H⁺、OH^-結合生成弱酸、弱堿。

學生：學習任務4——分組實驗測定KNO₃、Na₂CO₃FeCl₃Al₂（SO₄）₃多種鹽溶液的pH，找出鹽溶液酸堿性的規律。

設計意圖：這個環節強調從宏觀現象抽象并形成具象的模型，或者構建原型。通過測定鹽溶液酸堿性的實驗引發學生的認知沖突，讓學生直觀地感受鹽溶液的酸堿性不同于酸、堿溶液，并在頭腦中抽象形成一種描述性的模型雛形。然后，引導學生利用微粒圖表示鹽溶液中的粒子，初步探索溶液中H⁺、OH^-與鹽提供的離子的關系，使學生推斷鹽溶液中陰、陽離子的相互作用會影響溶液的酸堿性，從而為探索粒子的動態關系作鋪墊。

[環節3]形成模型

學生：學習任務5——嘗試分析NaCl、CH₃COONa、NH₄Cl溶液中的離子濃度大小關系。

學生：任務提升，嘗試畫出對水解概念的理解。

設計意圖：這個環節強調引導學生分析和辨別鹽類水解體系中的各種變化關系。在明確強弱電解質溶液特性的基礎上，通過分析鹽溶液中的離子濃度大小關系，根據電離平衡原理推斷陰、陽離子的變化，從而明確溶液體系中各類粒子相互作用的關系，形成關系圖（如圖5所示）。通過鼓勵學生分析和表征鹽溶液中各要素的關系，使他們體會建構模型的思維操作。

[環節4]模型進階

教師：學習任務6——推測弱酸弱堿鹽CH₃COONH₄溶液的酸堿性，并通過實驗驗證。

學生：陰、陽離子均水解生成弱酸、弱堿，可依據各自電離程度的不同，推導出溶液酸堿性。

教師：提問5——如何比較弱酸CH₃COOH、弱堿NH₃·H₂O的電離程度大小？

學生：可查閱弱酸CH₃COOH、弱堿NH₂·H₂O的電離常數，通過比較K_a、K_b的大小，能說明電離程度的差異。

學生：實驗驗證醋酸銨溶液呈中性。

學生：舉一反三，利用電離常數數據，比較同濃度NaF與CH₃COONa溶液的堿性強弱，推導出堿性：NaF>CH₃COONa。

學生：任務提升，嘗試畫出NaF、CH₃COONa溶液中各離子微觀變化圖示。

教師：歸納并總結鹽類水解的規律。

教師：建議學生繪制“鹽類水解”的觀念模型圖。

教師：（課后）學習任務7——氯化鐵在加熱時能水解生成氫氧化物膠體。設計實驗，探究促進或抑制FeCl₃水解的因素。

設計意圖：該環節強調引導學生在應用水解模型解決問題過程中對觀念模型的整體把握。教師引導學生預測并比較未知鹽溶液的酸堿性，使學生對電解質的溶液特性、微粒特性、溶液的動態特性三者之間的關系，即他們觀念模型中的關系有一個更“精細化”的認識。然后，讓學生在新情境中表征離子間的動態關系，進一步使他們認識到“弱”是電解質水溶液行為的特征即水解過程的本質，進而從整體上把握鹽類水解中各要素間的關系即圖2所示的觀念模型。最后，通過設計探究實驗方案診斷學生的認知水平，并為后繼學習從水解平衡的限度、方向等角度討論實際問題中反應條件的選擇和優化做好鋪墊。

5結論與啟示

本研究的教學實踐表明，為促進學生建模能力的提升，依據學生已有的理論和認知基礎，引導他們利用多種表征逐步地提取模型構成之間的各類要素，使學生在不斷明確要素問關系的過程中形成觀念模型。與以往使用的演繹式“鹽類水解”的教學模式相比，建構觀念模型的教學策略更能夠使學生把握鹽類水解的本質，也更有效地表征理論之間的復雜關系。

強化建模過程的化學教學呈現了以下幾個特性：（1）“鹽類水解”的觀念模型具有簡化的特征，有利于學生逐步厘清鹽溶液體系中的關鍵要素并把握其本質;（2）“鹽類水解”的觀念模型具有抽象化表征的特征，便于教師依據學生表征模型的水平推測他們的思維過程;（3）“鹽類水解”的觀念模型具有進階的特征，有助于提高教學設計的有效性。這些特性從我們的課后訪談中略見一斑：問及“在面對NaA、NaB兩種未知鈉鹽溶液時，你如何去比較它們的酸堿性”，大部分學生能快速找到關鍵特征即“水的電離是關鍵”，并提及“該離子對應的是弱酸嗎、會發生水解嗎”“你能告訴我HA、HB的酸性哪個更弱嗎”“A^-、B^-離子與H⁺結合能力誰強誰弱”等關鍵要素，進一步做到有效關聯。可見，建模教學能夠有效促進學生對鹽類水解概念的理解，一定程度上提升了學生的模型認知能力。

總之，強化建模的化學教學可以促進表面的“知識點”到“大概念”或者“大觀念”的實質性轉變;促使學生理解化學事實、概念、理論之間的關系并形成整體性的學科思想，切實地幫助學生獲得認識化學世界的重要方法和途徑。