建構“一兩果核”認知模型 解決化學原理中的說理問題

浙江 陳巧萍

浙江省化學選考原理題通常以工業生產中的真實應用為背景，基于原始科研數據、圖像信息等，要求學生會分析走勢、評估條件等。該題知識綜合度高、難度較大，尤其是說理題，要求解釋走勢、回答成因等，學生常常找不到基本的解題思路，難用文字清晰描述具體原因。

究其原因，筆者認為主要有如下兩方面：一是教師不強化“理”的意義，在習題講解時缺乏系統性歸納，就題論題、單線模式，未建立起解決一類問題的方法；二是學生不重視“悟”的過程，知識體系零散，側重答案的摘記，忽視了思維演變、自我內化、反思感悟的重要過程。為解決上述問題，筆者嘗試以學生解題的思維歷程為載體，建構解決說理題的思維模型。

一、“一兩果核”認知模型

《普通高中化學課程標準(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱《課程標準》)提出“證據推理與模型認知”這一核心素養，要求學生知道通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，形成解決復雜化學問題的思維框架。《課程標準》強調了模型建構在化學學習中的重要地位，強調借助思維認知模型解決復雜化學問題。化學認知模型是學生認識和解決相關化學問題的思維機制，是指導學生學習化學知識、解決化學難題的一種系統化思維模式。

筆者通過分析教材以及浙江省選考真題，將反應原理題中說理題的認知模型概括為“一兩果核”模型，包括“一個體系、兩個變量、結果溯源、核心影響”這四個核心要素。

圖1 “一兩果核”認知模型

“確認一個體系”，明確說理體系。針對核心反應從“化學反應速率”和“化學反應限度”兩個方面進行考慮。通俗概括，即該體系下的變化是平衡問題還是速率問題。選考真題是基于真實生產的多反應體系，學生需要厘清“主反應與副反應”“慢反應與快反應”的關系，鎖定主反應或決速步，明確研究對象的化學方程式。

“鎖定兩個變量”，分析改變條件。兩個變量常分為兩種情況，對于某一條件的改變，可能引起兩個反應的共同變化；對某一反應而言，往往存在兩個改變條件，一是明線條件、二是明線條件帶來的暗線條件變化。

“溯源結果變化”，比較影響程度。一般情況下，兩個變量對同一個對象而言導致的變化結果不同，兩個結果存在沖突點，依據最終的結果判斷哪個因素的影響占主導作用。

“得到核心影響”，形成推理路徑。依據最終結果進行逆向溯源，抓住核心影響因素的作用大于次要影響因素的作用，運用文字準確表達。

二、“一兩果核”認知模型解決說理問題的思維程序

認知模型對于問題表征與形成問題解決的思維路徑起著重要作用。如何將“一兩果核”認知模型靈活應用于說理題中，需要形成一定的思維程序。

圖2

①決定NO氧化反應速率的步驟是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。

②在恒容的密閉容器中充入一定量的NO和O2氣體，保持其他條件不變，控制反應溫度分別為T3和T4(T4>T3)，測得c(NO)隨t(時間)的變化曲線如圖3。轉化相同量的NO，在溫度________(填“T3”或“T4”)下消耗的時間較長，試結合反應過程能量圖(圖2)分析其原因____________________________________。

圖3

圖4 2020年1月浙江選考化學29題說理題答題要素

【答案】①Ⅱ ②T4ΔH1<0，溫度升高，反應Ⅰ平衡逆向移動，c(N2O2)減小；濃度降低的影響大于溫度對反應Ⅱ速率的影響

結合題給圖像，Ea2>Ea1，第二步的活化能大，反應速率慢，決定了總反應速率。由圖3可知，轉化同樣量的NO，T4溫度下所需時間更多，意味著T4溫度下反應速率更慢。已知T4>T3，溫度高卻速率慢？當因果產生沖突點，應該意識到存在隱藏條件的改變。基于“一兩果核”認知模型，依次展開分析：

【例2】(2020·浙江7月選考·29節選)研究CO2氧化C2H6制C2H4對資源綜合利用有重要意義。相關的主要化學反應有：

CO2和C2H6按物質的量1∶1投料，在923 K和保持總壓恒定的條件下，采用選擇性膜技術(可選擇性地讓某氣體通過而離開體系)可提高C2H4的選擇性。在773 K，乙烷平衡轉化率為9.1%，保持溫度和其他實驗條件不變，采用選擇性膜技術，乙烷轉化率可提高到11.0%。結合具體反應說明乙烷轉化率增大的原因是____________________。

【答案】選擇性膜吸附C2H4，促進反應Ⅱ平衡正向移動。

該說理題明線與暗線變量都是促使平衡正向移動，結果并不沖突。該題難點是找到暗線，選擇性膜選擇的氣體是乙烯。基于“一兩果核”認知模型，依次展開分析：

圖5 2020年7月浙江選考化學29題說理題答題要素

基于上述兩道選考真題說理題的解決過程，可概括“一兩果核”認知模型解決說理問題的思維程序：一個體系，依據題干描述明確反應體系實質→研究對象，核心反應的化學方程式→兩個變量，依據題干信息鎖定“明線暗線”兩維變量→結果溯源，依據兩個變量對結果的影響，找到沖突點，比較二者的影響程度哪個更大→核心影響，依據影響沖突鎖定占主導的變量，形成推理路徑→結合四個要素，準確文字表達。

圖6 “一兩果核”認知模型解決說理問題的思維程序

三、教學策略與教學實踐

1.課前問題診斷與發展點分析

高三復習教學的意義是在學生會與不會之間搭建一個橋梁。課前通過上述兩道例題進行學業診斷，了解學生存在哪些表述不清的問題，從學生的錯誤答案中找到問題的根本所在。

例1典型錯誤答案：第二步反應是總反應的決速步，溫度升高使其反應速率加快，同時平衡逆向移動，平衡逆向移動的影響大于速率加快的影響，所以T4反應的時間長。

以上錯誤答案混淆了“速率”與“平衡”這兩個不同體系，把二者混為一談，沒有利用“一個體系”進行原因解釋。學生在一定程度上已存在兩個變量比較的意識，知道結合沖突點，挖掘隱含條件來進行分析，但混用了速率與平衡這兩個體系。教師在授課時應進一步明確“速率是快慢問題，平衡是限度問題”這個最重要的概念區分。

例2典型錯誤答案：選擇性膜吸附CO和H2，促進反應Ⅱ平衡正向移動。

以上錯誤答案屬于典型的“題目只看一半”，能回答出選擇性膜促使平衡正向移動，卻忽略了“可提高C2H4的選擇性”這一信息，無法分析出選擇性膜是讓乙烯離開該體系。學生對于題干中“明線暗線”的分析還不夠深刻，答題過于直白，沒有深刻挖掘題給信息的潛在指向。教師在授課時應進一步強化學生閱讀和理解題干的能力，提高找到隱含信息并應用的水平。

2.以“提煉—應用—評價—完善”為主線完成模型建構，強化教師“理”的意義

如何建立結構化、系統化的認知模型？如何讓“一兩果核”的模型更高效、深刻地被學生記住？筆者基于自己的教學實踐，總結得到以“提煉—應用—評價—完善”為主線完成模型建構的教學策略。教學設計如圖7所示，主要分為四個任務：任務一——研讀高考真題，建立思維模型；任務二——解決多類題型，更新模型結構；任務三——學生互動評價，發現模型漏洞；任務四——提升總結歸納，完善“一兩果核”模型。

圖7 以“提煉—應用—評價—完善”為主線完成模型建構

任務一“提煉”，結合2020年浙江1月選考題(例1)與2020年浙江7月選考題(例2)的兩道選考真題，展示學生的錯誤思維程序，診斷認知模糊點，引導學生提煉“一兩果核”思維模型。任務二“應用”，訓練兩道例題2017年11月選考真題(例3)和2020年5月寧波模擬卷原理題(例4)，課堂展示學生的說理題答案，檢測模型應用的能力。任務三“評價”，對比例3和例4的不同情境，讓學生發現二者情境的不同，發現例3是兩個條件對同一反應的影響，例4是同一條件對兩個反應的影響，歸納兩個變量有可能是兩個條件改變，也可能是針對兩個反應的變化。任務四“完善”，基于上述發現，師生共同修正“一兩果核”模型，并進一步形成基于該認知模型解決說理問題的思維程序(圖4)，完成2020年4月溫州模擬卷原理題(例5)。

3.以“檢測—評價—診斷—反思”為主線設計學生活動，重視學生“悟”的過程

學生是復習課中的主角，如何讓學生真正參與到課堂模型建構與應用中，落腳點在于設計有意義的學生活動。筆者以“檢測—評價—診斷—反思”為主線，將學生活動分為課堂前測、課堂評價、課堂診斷、課后反思四個環節。

課堂前測，找到學生說理題中的知識漏洞，進一步了解學生現有模型結構的混亂程度。課堂評價，展示來自學生的真實典型錯誤，學生的錯誤思維歷程是最好的教學資源，能發現學生在理解模型、應用模型上的典型錯誤，同時引起其他同學的注意，調節課堂氣氛。課堂診斷，教師以學生的典型錯誤為教學資源，組織學生互評，找到別人的錯誤并深入分析誤答的原因，診斷得到現有說理程序的模糊點。課后反思，師生共同修訂的“一兩果核”思維模型并展開習題訓練。該模型能否解決除課堂例題之外的其他習題？該模型是否需要進一步完善？把更新模型的任務留到更多的習題訓練之后。

四、教學反思

1.建構認知模型，破譯選考難點

模型思想是將復雜的化學問題通過建模簡化處理，使同樣的認知過程重復出現，便于知識的傳遞和方法的推廣。本文建構的是原理題中說理題的模型，那么其他難點，如原理中的作圖題、實驗中的條件控制等是否也能通過建立認知模型來破譯呢？引起學生重視化學學習中的建模意識，是這節復習課和“一兩果核”模型建構的附屬意義。

2.深化高三復習模型應用，形成學生自主思維程序