基于職前化學教師建模能力發展的“搭建有機分子球棍模型”實驗設計

劉貝貝 嚴文法

摘要： 模型建構能力體現在模型初建、修正及應用的科學實踐動態歷程之中，是“證據推理與模型認知”學科核心素養維度下涉及的一種關鍵能力。在分析模型建構能力培養價值的基礎上，以學生必做實驗“搭建有機分子球棍模型”為例開發面向職前化學教師的中學化學教學實驗，結合進階式的建模活動發展職前化學教師的模型建構能力。

關鍵詞： 職前化學教師; 模型建構能力; 實驗開發

文章編號： 10056629（2022）02001905

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“證據推理與模型認知”是《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“2017年版課標”）提出的五個化學學科核心素養之一，其中，“模型認知”素養要求學生“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]，從利用模型進行科學思維活動的角度對學生的模型建構能力提出了要求。“搭建球棍模型認識有機化合物分子結構的特點”是2017年版課標規定的18個學生必做實驗之一，是提升模型建構能力、培養建模思維的特色學科實驗。基于2017年版課標，2019年版新教材設計了適合高中生的建模能力與“模型認知”素養培育價值的實驗，而對職前化學教師而言，要發展自身模型建構能力并勝任該實驗的教學則需在培養過程中通過實驗加強“有機物結構”內容主題的認識并豐富建模能力的培養功能。基于此，本文在化學師范生必修課程《中學化學實驗教學》中將該實驗進行了拓展設計，開發了面向職前化學教師的“搭建有機分子球棍模型實驗”，以此跟進2017年版課標及新教材的設計理念，促進職前教師模型建構能力的提升及“模型認知”學科核心素養的發展，提高職前教師勝任未來素養為本的教學的能力。

1 實驗開發背景

1.1 模型建構能力的培養價值

從不同的角度，周業虹、單旭峰、趙銘等研究者將化學學科中的模型分為了不同的類別[2～4]。雖然針對化學“模型”的分類尚無統一觀點，但當前各版本的化學教材均涉及了不同類型的模型，體現了教材設計中模型的多樣性與模型方法在自然科學研究中的普遍性。2017年版課標也從“識別”“理解”“描述”“解釋或預測”“評價與改進”等不同水平層級對“證據推理與模型認知”素養進行了描述。已有研究基于課程標準對該素養的內涵進行了諸多闡釋，有研究認為模型認知是一種核心思維，是證據推理的進階形式[5～7]。作為一種學科思維活動，“模型認知”素養包含了識別模型、建構模型、修正模型、評價模型的完整流程，也是模型建構能力的具體表現。培養學生的模型建構能力，經歷模型建構的完整動態過程，是發展“模型認知”素養的關鍵環節。

有研究表明，教師自身對模型與建模的理解在支持、引導學生進行建模學習的過程中發揮著重要作用[8]。當前諸多研究關注了學生模型建構能力的提升與“模型認知”素養的發展，但國內研究集中在基于“證據推理與模型認知”素養發展的教學設計研究[9，10]，研究主體面向學生，而對教師本身的建模知識與建模能力關注較少[11]。因此，在教師教育與培養過程中關注職前教師自身模型建構能力與學科素養的提升與發展，進一步增進職前教師的化學學科理解，對未來教師及學生發展均有裨益。

1.2 “搭建有機分子球棍模型實驗”的開發價值

作為與“模型”密切相關的“建模”活動，科學實驗是發展學生模型建構能力與“模型認知”素養的重要環節。2017年版課標將“搭建球棍模型認識有機化合物分子結構的特點”設計為18個學生必做實驗之一，該實驗也是有機化學部分唯一一個涉及模型的科學實驗，在幫助學生認識有機化合物結構特點、形成有機物的系統知識體系、發展空間想象能力與空間認知能力等方面發揮著重要作用。

在面向學生的教材原實驗設計中，不同版本的新教材實驗具體內容雖有差異，但均涉及了必修階段的幾種典型有機化合物，關注分子式—結構式—立體構型的三者聯系，并引導學生在模型建構過程中推理總結有機物成鍵方式與成鍵類型，初步了解使用模型研究物質結構的方法。《中學化學實驗教學》是化學師范生的必修課程，職前教師要通過該課程經歷教材中的學生實驗訓練過程，考慮到實驗主體的知識基礎及角色特點，面向學生的教材實驗遷移應用在職前教師培養過程中，其實驗目的必然會發生相應變化，也應進行實驗內容的對應改進。高中教材原實驗中涉及的有機物種類較為單一，延伸出的思考問題也僅局限在碳四價理論，而在通過搭建球棍模型發展職前教師建模能力的實驗設計中，將有機化學單元中的鹵代烴、苯及其衍生物、同分異構現象、官能團類型、原子共線與共面等納入實驗設計中，既能幫助職前教師建立有機化合物的系統知識體系，又能在不斷深化建模能力的進階設計中實現職前教師自身“模型認知”素養與模型建構能力的高水平發展。同時，有機化學結構體系形成與發展的化學史實也是拓展職前教師知識面，體會科學家模型建構、證據推理與科學探究過程，整體發展職前教師化學學科核心素養的重要素材，可在講義的實驗背景中引入，進一步豐富該實驗的教育價值。

2 實驗設計思路

面向職前教師的“搭建有機分子球棍模型實驗”設計旨在加強職前教師對有機化合物結構的系統化認識，提升職前教師的模型建構能力，促進“模型認知”素養向高階發展。在加強有機物結構的系統化認識方面，實驗擴大了素材選取的范圍，在原教材實驗涉及的甲烷、乙烯、乙炔等有機物基礎上增加了丁烷、苯及其衍生物、鹵代烴及含氧衍生物等有機物，包含了“碳成鍵學說”“同分異構現象”“取代”及“分子內原子共線、共面問題”等內容要素，進一步豐富了實驗的教學功能。邱美虹教授在綜合國內外研究的基礎上，將這樣的動態建模歷程劃分為“模型發展”“模型精致化”“模型遷移”及“模型重建”四個階段，環節之間交互運行，循環修正，以建立更加完整、解釋力更強的模型[12]，本次“搭建有機分子球棍模型”實驗設計正是這樣的過程性建模活動。實驗設計思路為： 首先，在學生經歷了甲烷球棍模型的搭建，初步建立了甲烷的正四面體空間構型之后，進一步搭建二氯甲烷的球棍模型并思考其可能存在的同分異構體的模型，通過對不合理的模型認識進行修正與重建，形成對甲烷正四面體空間構型的精致化認識;其次，對甲烷與二氯甲烷球棍模型的認識又能夠進一步遷移應用到乙烷、丁烷球棍模型的選擇與搭建過程中，加強對碳四價理論與同分異構現象的認識;再次，在理解碳碳單鍵成鍵方式的基礎上，可以進一步發展學生對乙烯、乙炔的雙鍵與三鍵的模型認知;最后，在此基礎上又能結合取代反應與同分異構現象進一步遷移應用在苯及苯的衍生物、烴的含氧衍生物的球棍模型搭建過程中。可以看到，實驗中典型有機化合物的球棍模型搭建過程也是模型建構歷程中四個發展階段的小循環進階過程，幫助實驗者在有機物結構模型逐步完善、豐富的過程中形成系統認識，在科學實踐活動中反復鞏固并提升建模能力，實驗的設計思路見圖1。

本實驗的設計也指向“模型認知”學科核心素養的培養目標，促進職前教師的“模型認知”素養向高階發展。《普通高中化學課程標準（2017年版）》將化學學科核心素養進行了進階式設計，對應體現在本節實驗設計內容的“模型認知”素養進階目標如表1所示。

3 實驗設計內容

3.1 實驗目的

（1） 通過經歷有機化合物分子球棍模型的搭建過程，加深對有機化合物分子結構的系統認識，并結合實驗設計過程體會學習進階理念，發展實驗創新與再開發能力;

（2） 通過經歷模型建構的完整動態過程，能說出模型建構的環節流程并能解釋其實質內涵，提升模型建構能力及運用模型解決問題的能力，發展建模思維，促進“模型認知”學科核心素養向高水平發展;

（3） 通過實驗設計背景的研讀，能說出有機化學結構體系形成與發展的化學史實，體會科學家模型建構、證據推理與科學探究的過程，促進化學學科核心素養整體發展，深化對本節實驗教育價值的感悟。

3.2 實驗講義創新設計

實驗講義體現了面向職前教師的實驗設計應體現出的教師培養意向，設計了實驗目的、實驗原理、實驗用品、實驗過程、實驗倫理、實驗教學背景、實驗問題探究及分析七個順序梳理的模塊（見圖2）。

實驗講義作為實驗材料的一部分，以文本的形式向職前教師傳遞實驗的關鍵信息。本節實驗內容重在通過講義中實驗目的、實驗原理及實驗教學背景等的呈現，從教師自身和學生教學兩個角度幫助職前教師厘清該必做實驗意圖及應當關注的重點，著重加強其對教材實驗內涵的理解，在實踐中提高模型建構能力的同時關注模型方法在化學實驗中的設計應用。

其中，實驗原理部分作為實驗設計中貫穿全程的結構及理論基礎，是在實驗開始前提供的一種支撐材料，設計了“碳原子的成鍵特點”“同分異構現象”“有機分子中的共線、共面問題”“球棍模型”以及“動態建模歷程”五個知識點，基本覆蓋了實驗主體的關鍵要素。其中，“動態建模歷程”在介紹“模型”“建模”科學概念的基礎上，闡述了學者邱美虹提出的建模四階段歷程，幫助職前教師在實驗過程中有意識地經歷模型建構的完整流程，發展自身建模能力，形成建模思維。在完成實驗主體部分“實驗過程”的實踐活動之后，講義設計了“實驗教學背景”欄目作為實驗的補充與升華，介紹了該必做實驗蘊含的學科核心素養發展價值，并引入了本次實驗有機化合物結構要素中涉及的相關化學史料內容。在學科核心素養價值介紹部分，結合2017年版課標向職前教師闡釋了實驗過程的基本設計思路及緣由，并重點關注“模型認知”的素養進階水平與本次實驗具體活動表現間的聯系，既為職前教師提供了自我評價的標尺，又突出強調了“素養為本”的教學設計理念，從教師對教材理解的角度出發將教材實驗內容進行了擴展與升華。在引入的化學史料部分，與實驗原理的知識點相呼應，沿著有機化學結構體系發展的歷史脈絡梳理了各節點上的關鍵史實與學科貢獻（見表2），幫助職前教師擴充本節實驗相關的知識儲備內容，串聯起有機結構部分的知識邏輯，加強對有機化合物結構的系統認識，并發揮化學史在整體發展學科核心素養方面的附加價值。最后的“實驗問題探究及分析”部分設計問題，分別對應著實驗過程中“搭建丁烷有機分子結構”及“描述乙烯、乙炔、苯等有機分子的共線（面）特點”，考查學生對鏈烷烴、環烷烴及其同分異構體的認識以及系統的自主歸納能力，檢測學生運用模型解決問題的能力，評價職前教師的模型建構能力發展水平及“模型認知”素養發展水平。

3.3 實驗過程進階設計

相較于面向學生的必做實驗內容，面向職前化學教師的實驗開發從能力進階、素養進階的角度將球棍模型搭建的實驗過程內容設計為圖2中的六個模塊，并結合對應的“問題與思考”設計促進職前教師高階思維活動的開展，串聯起不同模塊間的知識邏輯，進一步發展職前教師的模型應用能力。實驗過程中，每個模塊設計一份主題表格，用以填寫相應有機分子的分子式、結構式及結構特點，同一模塊的不同有機化合物進行橫向排列，引導職前教師在模型搭建的過程中認識不同有機化合物的立體結構特點，并識別有機化合物的實際空間立體結構與平面結構式的區別。在達成認識、描述及理解有機分子結構特點的基礎之上，將有機結構體系中的要素結合“問題與思考”內容進行了梯度設計（如圖3所示）。在同分異構現象方面，結合思考“二氯甲烷是否有同分異構體”的問題再認識甲烷的正四面體結構，并過渡至平面乙烯分子被取代后的同分異構現象，進一步思考苯的衍生物的同分異構現象，實現模型建構過程的進階設計。在有機分子中原子的共線、共面問題上，從初步引導觀察乙烷、乙烯、乙炔分子的共線（面）特點，到要求學生自主歸納苯及苯的衍生物的共線（面）特點，將靜態的結構特點遷移至鍵旋轉的動態情況下“最多/最少有多少原子共線（面）”問題，最后拓展至“按不同有機物類型綜合歸納共線（面）特點”，同樣體現著逐步發展模型建構能力的進階式設計。最后，在完成不同類型有機化合物的結構特點的認識基礎上，從官能團的分類角度上再歸納有機化合物類別，加強對有機分子結構的系統化認識。

4 討論

2017年版課標要求“能夠通過分析、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”[13]。這既是對“證據推理與模型認知”學科核心素養的培養要求，也是對掌握模型方法與發展模型

建構能力的突出強調。模型建構作為科學探究過程中一種重要而獨特的方法，能夠將抽象的科學知識轉化為易于理解和解釋的直觀規律及特征。而模型建構過程中尋找證據、分析推理、假設構建、修正與應用的系列過程，也是增進學生概念理解深刻性，促進錯誤概念轉變，培養化學學科思維與發展化學學科核心素養的應然路徑。在高等師范教育過程中，關注職前化學教師在教學實踐活動過程中模型建構能力的培養，加強職前教師化學學科思想與方法的形成與發展，促進其化學學科核心素養向更高水平提升，是高等師范教育服務基礎教育課程改革的體現。“搭建有機分子球棍模型”作為體現模型方法與模型建構能力的典型實驗素材，對其進行再開發反映了直觀實物模型在培養模型建構能力方面發揮的相關作用，但除球棍模型外，中學化學課程中還涉及有類似原子結構模型、元素周期表（律）模型、化學平衡常數模型這樣的抽象模型，亦是可以關注與挖掘的方向。同時，在具體可操作的實踐活動中培養起的模型建構能力，同樣能夠遷移應用至其他模型中促進概念理解與方法論形成，在教學中有意識地培養學習對象的模型建構能力，應是高等師范教育與基礎教育層面共同關注的方向。

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