基于“模型開發-模型應用”框架的高中化學建模教學探析

穆雯星 嚴文法

摘要：2017版課程標準提出要重視學生模型建構及應用能力的培養，而化學建模教學能夠有效促進學生建模能力的提升與核心素養的發展。在分析模型涵義及功能、建模教學涵義的基礎上，以“化學平衡常數”教學為例，結合其選題意義設計建模教學過程。

關鍵詞：化學學科核心素養;建模教學;化學平衡常數

文章編號：1008-0546（2021）04-0002-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.001

《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出要發展學生“模型認知”素養，要求學生能夠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，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律[1]。如何理解“模型認知”？不同的研究者給出了不同的認識，陳進前在對已有研究進行分析的基礎上認為基于課標、結合當前中學化學教學實際可以從化學模型（科學模型層面）和認知模型（認知心理學層面）兩個視角來理解，認為“認識化學現象與模型之間的聯系”“識別物質模型與理論模型”“運用理論模型解釋或推測物質的組成、結構、性質及變化”等可以從化學模型視角來理解，“建立認知模型”“運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構、性質和變化”等可以從認知心理學層面的認識模型視角來理解，“運用模型解釋化學現象”“對模型和原型的關系進行評價以改進模型”等則可能需要從上述兩個視角同時理解[2]。而關于如何理解建模教學也有不同的認識，學者劉恩山等人認為凡是涉及模型構建、模型使用、模型評價和修正的教學都稱之為建模教學[3]。“模型認知”中包括模型識別、模型建構、模型修正、模型應用等過程，與劉恩山等人對建模教學的界定具有較高的一致性。已有研究表明，學生很少意識到他們正在建構模型或者使用模型來解決問題，學生對于模型的功能和本質缺乏清晰的認知，學生無法通過科學知識的建構歷程從而達到對知識全面而深刻的理解[4]。本文在闡釋模型本質及建模教學意義的基礎上，以“化學平衡常數”教學為例，展開基于“模型開發-模型應用”框架的建模教學過程的設計，探討將建模理論與實際教學相結合促進學生“模型認知”素養的發展的路徑。

一、相關概念界定

1.模型涵義及功能

目前教育界對模型的定義未作統一說明，但綜合已有研究可以發現大致有兩種定義：（1）《教育大辭典》、錢學森、海斯特森（Hestenes）（2010）[5]等人均認為模型是對原型的一種簡化的表征。（2）邱美虹[6]、吉爾伯特（J.K.Gilbert）[7]等人提出模型是主體認識外界客體的一種思維方式。

關于模型的作用，不同的學者提出了自己的看法。如海斯特森（Hestenes）[8]提出可以利用模型以解釋、預測和描述物理現象。施瓦爾茨（C.V.Schwarz）[9]認為模型不僅可以用來描述、解釋、預測現象，還可以用來溝通觀點，幫助人們產生新的觀點。吉爾伯特（J.K.Gilbert）[10]認為模型作為科學理論與現實世界之間的橋梁，具有以下三個功能：可以使抽象的事物具體化;可以簡化復雜的現象;可以為現象進行科學的解釋和預測提供依據。由此可見，對于模型的作用幾乎都有一個統一的認識：模型的作用是為了更好地描述、解釋和預測現象。

2.建模教學涵義

建模教學，即為基于模型的教學（Modeling-basedTeaching，簡稱MBT），是理解復雜動態系統的一種手段，也是一個獲取概念知識和學習科學推理的過程。該理論強調以學生的已有經驗為基礎，在掌握學科知識的基礎上，發展學生的真實問題解決能力和對科學本質及過程的理解能力，通過師生之間的問答，加深對模型的認識，同時將所建模型應用于不同的情境中，提高模型的解釋力度，直至達到教師預期的課程目標[11]。

2008年，海斯特森等人共同提出建模教學框架周期：模型開發和模型發展兩個階段。模型開發階段分為描述（描述情境中的問題）、公式（利用公式解決情境中的問題）、分歧（學生和教師共同討論發現不同的分歧）和驗證（進行相應的實驗驗證結論提出共有模型）四個階段。模型發展就是將模型應用于新的情境中去，不斷地檢驗模型，從而提高模型的解釋力[12]。具體可理解為：在模型開發階段，教師可首先為學生進行情境創設，提出研究問題，學生嘗試使用公式去解決該問題，在這個過程中教師和學生共同討論在這個過程中產生的分歧，之后教師采用“蘇格拉底式”對學生進行提問，直至徹底解決問題，模型得以建立。在模型應用階段，教師進一步為學生創造不同的情境，通過教師提問，鼓勵學生清楚地表達他們所知道的和他們是如何知道的，加深學生對于問題的理解，在這個過程中，學生不僅要解決問題，而且要簡要說明他們的解決問題的策略，最后進行測驗，完成模型的循環提升。

二、化學平衡常數建模教學設計

“化學平衡常數”是高中化學教學中的重難點。新課標提出要“引導學生經歷化學平衡常數模型建構的過程，結合具體實例，促使學生體會化學平衡常數在判斷平衡狀態、反應方向，分析預測平衡移動方向等方面的功能價值”。同時“化學平衡常數”部分要求學生“認識化學平衡常數是表征反應限度的物理量，知道化學平衡常數的含義。了解濃度商和化學平衡常數的相對大小與反應方向間的聯系”[13]。新人教版將“化學平衡常數”這一知識點設計在了選擇性必修1第二章第二節“化學平衡”第二課時，教材中直接給出“H2+I22HI”不同投料下平衡時各物質的濃度、生成物濃度和反應物濃度冪之積的比值進一步得出化學平衡常數的計算過程和概念，提出了濃度商的概念，但并未區分和化學平衡常數之間的區別與聯系，之后以常見例題講解為總結，增進學生對于化學平衡常數的理解。

王磊教授認為“化學平衡常數”為學生定量分析化學平衡的移動方向提供了依據，而化學平衡移動規律始終是高中化學學習的難點之一[14]。根據皮亞杰認知發展理論，高二年級的學生抽象思維能力已經達到成熟的水平，但辯證思維能力仍有待發展。可見，作為定量表征化學反應進行限度的物理量，化學平衡常數的學習對學生的高中化學學習意義重大，如何更好地開展其教學過程具有一定的研究價值。

1.“化學平衡常數”教學目標和評價目標設計

通過對新課標、教材和學情的分析，本文將“化學平衡常數”教學目標設計為：

（1）通過開發化學平衡常數計量模型，能夠書寫化學平衡常數的計算過程并會判斷溫度對化學平衡常數的影響，發展“證據推理和與模型認知”“平衡思想”素養;

（2）通過化學平衡常數和濃度商的計算比較，能判斷出可逆反應在任意時刻的移動方向，發展“證據推理”素養。

根據“教學評”一體化教學理念，將評價目標相應地設置為：

（1）通過化學平衡常數計量模型的推理過程，診斷并發展學生定量認識化學水平（基于經驗水平、基于數據水平）;

（2）通過對化學平衡常數和濃度商的比較和移動方向的判斷，診斷并發展學生對化學平衡的認識水平（基于概念原理水平、系統水平）。

2.“化學平衡常數”教學過程

按照上文的建模教學框架，本文將在“模型開發-模型應用”的框架基礎上展開“化學平衡常數”的建模教學設計。

（1）模型建立

模型建立的四個主要階段為：描述、公式、分歧和驗證。

描述：教師可通過帶領學生回顧上節課講過的化學平衡的含義，進一步提出問題，既然平衡是可逆反應進行的最大限度，我們已經學過定性判斷化學平衡狀態，那能否用定量的方法判斷化學平衡狀態呢？緊接著，教師通過展示“H2+I22HI”在同一溫度下不同投料時達平衡時各物質的濃度，讓學生自己去嘗試提出該定量關系式。

公式：學生分小組討論，提出可以通過比較生成物濃度和反應物濃度的比值、可以比較生成物濃度冪之積和反應物濃度冪之積、可以通過12和HZ的平衡時濃度的比值等多種計算方式，最終發現只有用生成物濃度冪之積除以反應物冪之積得出的數值在不同起始投料下是大約相同的，其余的比值均會隨著起始投料的改變而改變。由此，學生初步獲得化學平衡常數的計算模型。

分歧：既然獲得了計算模型，教師繼續追問，在計算的時候，我們發現這些數據都是在同一個溫度下獲得的，那是否意味著化學平衡常數受溫度的影響呢？你能提出你的看法嗎？學生討論，部分學生認為溫度不會影響化學平衡常數的數值，部分同學認為溫度肯定會影響平衡常數的數值，還有部分學生表示對兩者之間的關系不清楚，可能也沒有關系。

驗證：教師展示不同溫度下“H2+I22HI”不同投料下達平衡時各物質的濃度，學生通過判斷發現溫度會影響化學平衡常數，結果表明，隨著溫度升高，對于“H2+I，2HI”的反應，該反應的平衡常數減小。教師繼續追問，這難道就表明對于任何反應，隨著溫度的升高，化學平衡常數均會減小嗎？緊接著，教師向學生展示不同溫度下“2HIH2+I2”不同投料下達平衡時各物質的濃度，發現隨著溫度升高，該反應的化學平衡常數在增大。由此，引發學生思考，兩個反應的區別是什么？為什么會出現相反的結果？通過對比，學生發現：第一個反應正反應方向是放熱反應，第二個反應正反應方向是吸熱反應。由此得出結論，對于吸熱反應，溫度升高，化學平衡常數增大;對于放熱反應，溫度升高，化學平衡常數減小。由此學生在“K、△H、T”之間建立了聯系，使化學平衡常數的計量模型更為完善。

設計意圖：通過教師提供情境，提出驅動型問題，引導學生逐步思考，由學生自己推出化學平衡常數的計算模型，并通過溫度對化學平衡影響因素的討論，完善化學平衡常數的計量模型，獲得K（T）計量模型。在這個過程中，學生的“證據推理與模型認知”化學學科核心素養得以培養。

（2）模型應用

在這個階段中，學生已經成功建立了化學平衡常數計量模型，渴望將該模型應用到具體的情境中去解決真實問題。教師此時繼續進行追問：既然我們得到了定量模型，那如何用它來判斷化學平衡狀態呢？迫使學生不斷思考如何根據所建模型解決課程剛開始提出的問題。學生猜想：既然平衡時存在生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積比值恒定，那么是否可以通過已知某溫度下的化學平衡常數數值，再根據此刻的生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比值和平衡常數數值進行比較，如果相等的話，就是平衡狀態，如果不相等，就不在平衡狀態，學生開始根據教師做提供的表格數據展開計算，計算完成后，發現自己所提出的想法是正確的。此時，教師繼續追問：如果不相等話，會有兩種情況出現，要么比值小于平衡常數，要么比值大于平衡常數，能不能推導出來比值小于或者大于平衡常數時可逆反應的移動方向？學生繼續回答：如果小于，代表生成物濃度要增大，反應物濃度要減小，則此時正在往正反應方向進行;如果大于，代表生成物濃度要降低，反應物濃度要減小，可逆反應正在向著逆反應方向進行。教師最后總結，該任意時刻的比值稱為濃度商（Q），通過Q和K的大小判斷，我們能順利地獲得某一時刻可逆反應的反應方向，由此，學生成功地建立了“Q、K、可逆反應的反應方向”之間的關系。

設計意圖：通過為學生提供類似科學家探索的過程，教師逐步提出問題，迫使學生在問題下不斷思考，不斷提高其所建立的化學平衡計量模型對可逆反應方向判斷的解釋力度，同時，在不斷的解釋過程中，學生對模型的理解逐漸增強，學生的建模和用模能力得以提升，推理能力得到發展。

三、總結與討論

基于對建模教學的分析和“化學平衡常數”的建模教學設計可以發現，建模教學展現出了一定的教學優勢：

1.建模教學有利于核心素養的落實

建模教學倡導學生學習的主動性，讓學生在問題的逐步解決過程中理解科學知識的本質，雖然在“化學平衡常數”建模教學設計中主要體現和發展的化學學科核心素養為“證據推理和模型認知”，但化學學科核心素養息息相關，通過整個化學平衡常數的探究過程，體現了“科學探究與創新精神”素養的培養、通過可逆反應反向的判斷，體現了“變化觀念與平衡思想”素養的落實。可見，建模教學有助于高中生化學學科核心素養的培養。

2.建模教學有助于改變教學路徑

從“化學平衡常數”的建模教學設計歷程可以看出，與傳統教學相比，教師不再需要刻意去設計問題引發認知沖突，解決學生原來頭腦中的錯誤觀念。在模型開發和模型應用的過程中，學生通過研究問題，自主開發模型，明確化學平衡常數的計算原理，自然而然地修正了自身原本對于化學平衡常數的計算方式理解不清的迷思概念，達到對化學平衡常數的深刻認識，再通過“Q與K”的大小比較，積極地將化學平衡常數與可逆反應的進行方向聯系在一起，學生不再孤立片面地對化學平衡常數進行學習，提高該模型的解釋能力。

3.建模教學有助于發展學生的綜合能力

在“化學平衡常數”的建模教學過程中，學生需要先從宏觀現象物質之間的反應中找到定量分析化學平衡問題的本質，學生的抽象能力和邏輯分析能力得以培養;在對模型進行談論和檢驗的過程中，學生的推理能力和歸納能力得到明顯提升;在交流討論過程中，學生的交流與合作能力、表達能力得以發展;在模型應用的過程中，學生的知識遷移能力得以鍛煉。由此可見，學生的綜合能力得以發展，終身學習能力得以培養。

相比于傳統的“傳授接受式”教學方式，建模教學將學生作為教學的中心，教師從教材“轉述者”轉變為學習“促進者”。這種轉變使學生能夠成為知識建構的積極參與者，為學生提供更有意義的學習。同時，建模教學更注重利用問題，促進學生對科學本質的理解，注重知識的生成過程以及概念之間的關系，使學生對概念的理解更加深度化。教師通過驅動型問題連續設問，引導學生集中討論和思考，為學生提供了思維延伸與模型“試錯”的機會，為學生的概念獲得搭建了“腳手架”，為新知和舊知之間建構起“橋梁”，使學生能夠成功地從舊知走向新知，實現概念的層級發展，從而在整個建模教學活動中逐步實現化學學科核心素養的發展。

參考文獻

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*本文系陜西師范大學2019年度基礎教育改革項目“核心素養視域下中學教師‘素養為本的教學設計能力提升策略與實踐”（項目編號：JCJY021）和陜西師范大學2020年度研究生教育教學改革研究項目“基于核心素養發展的化學專業學位案例教學與案例庫建設研究”（項目編號GERP-20-38）階段性研究成果。

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