模型認(rèn)知在元素化合物教學(xué)中的運(yùn)用

劉瑾

[摘 要]元素化合物知識(shí)比較抽象，利用模型認(rèn)知能夠讓學(xué)生更好地去理解。模型可以輔助學(xué)生分析解決元素化合物的問題，描述、推理和計(jì)算相關(guān)的關(guān)鍵量，提高學(xué)生對(duì)圖形的辨別能力以及圖文轉(zhuǎn)換能力。

[關(guān)鍵詞]模型認(rèn)知;元素化合物;運(yùn)用

[中圖分類號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）35-0075-03

元素化合物知識(shí)是高中化學(xué)的一個(gè)重要組成部分，其內(nèi)容較多且零散，所以學(xué)生識(shí)記比較困難。為了讓學(xué)生能夠更高效地學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)，教師需要采用合適的方法去講解這部分知識(shí)。模型認(rèn)知就是一個(gè)很好的方法。通過建立各種模型把元素化合物知識(shí)形象化，讓學(xué)生更加直觀地認(rèn)識(shí)元素化合物的結(jié)構(gòu)，從而更好地掌握元素化合物知識(shí)，提高學(xué)習(xí)效率。

一、元素化合物的教學(xué)特點(diǎn)

元素化合物知識(shí)點(diǎn)多、涉及面廣，其中大部分都是描述性知識(shí)和識(shí)記性知識(shí)，具有難、雜、散、亂的特點(diǎn)，所以學(xué)生很難全面準(zhǔn)確地掌握。同時(shí)元素化合物知識(shí)又具有邏輯性和連貫性，若舊知識(shí)掌握不扎實(shí)，會(huì)對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)造成阻礙。在元素化合物教學(xué)中，教師往往都是從原子結(jié)構(gòu)入手，根據(jù)結(jié)構(gòu)推測(cè)元素化合物可能具有的性質(zhì)，然后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證推測(cè)的科學(xué)性，最后依據(jù)“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途”引出物質(zhì)的存在和應(yīng)用。對(duì)于該部分知識(shí)，學(xué)生上課雖然聽懂了，但是課后卻不會(huì)應(yīng)用。

二、元素化合物教學(xué)中存在的問題

（一）教師的教學(xué)方法不夠恰當(dāng)

化學(xué)教學(xué)中對(duì)模型認(rèn)知的運(yùn)用相對(duì)其他學(xué)科來說較少。相關(guān)研究表明，大多數(shù)化學(xué)教師仍然以課本中的知識(shí)框架為主，缺乏對(duì)模型認(rèn)知的運(yùn)用，忽略模型的構(gòu)建，導(dǎo)致學(xué)生只能被動(dòng)接受、機(jī)械記憶，因此學(xué)生的學(xué)習(xí)效率較低，教學(xué)質(zhì)量難有提升。當(dāng)前的化學(xué)教學(xué)，重心偏向如何讓學(xué)生在考試中獲得高分，這一應(yīng)試教育理念已成為學(xué)生學(xué)習(xí)路上的絆腳石。部分教師的教學(xué)方法單一、落后，讓學(xué)生逐漸失去學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣;部分教師的教學(xué)模式比較死板，使學(xué)生成為只會(huì)做題的“機(jī)器”，無法運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活問題。這樣的課堂教學(xué)偏離了化學(xué)教學(xué)的初衷，導(dǎo)致學(xué)生失去探索新知識(shí)的樂趣，難以體會(huì)學(xué)習(xí)化學(xué)的價(jià)值。

（二）學(xué)生的學(xué)習(xí)方法不夠恰當(dāng)

化學(xué)學(xué)科以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，知識(shí)點(diǎn)多且分散，大量的知識(shí)需要識(shí)記，特別是元素化合物知識(shí)涉及面廣，既和反應(yīng)原理及物質(zhì)結(jié)構(gòu)等知識(shí)相關(guān)聯(lián)，又與現(xiàn)代生活緊密聯(lián)系，這就需要學(xué)生具備一定的邏輯推理能力，所以這部分知識(shí)是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。在學(xué)習(xí)元素化合物時(shí)，學(xué)生因?yàn)闆]有運(yùn)用模型認(rèn)知的方法進(jìn)行分類整理，只是進(jìn)行生搬硬套，所以很難厘清元素化合物知識(shí)結(jié)構(gòu)，經(jīng)常記混、記漏，解題時(shí)也不知從何入手。

三、模型認(rèn)知在元素化合物教學(xué)中的運(yùn)用

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》將“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”列為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)要求學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)提出問題，然后通過各種途徑收集證據(jù)，再根據(jù)證據(jù)提出假設(shè)并進(jìn)行推理論證，最后根據(jù)所學(xué)的化學(xué)物質(zhì)的性質(zhì)和特點(diǎn)構(gòu)建模型，并運(yùn)用模型解決實(shí)際問題[1]。模型認(rèn)知有助于學(xué)生理解化學(xué)抽象知識(shí)，揭示化學(xué)客觀規(guī)律。

（一）建立物理模型

學(xué)生對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)是建立在原有知識(shí)的基礎(chǔ)之上的。只有當(dāng)學(xué)生將知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)聯(lián)系起來，在頭腦中建立形象的模型，對(duì)知識(shí)既有感性認(rèn)識(shí)又有理性認(rèn)識(shí)，才能形成完善的知識(shí)體系。物理模型的建立可以使抽象的概念變得直觀，借助物理模型學(xué)生可以較好地建立知識(shí)鏈接，更好地學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)[2]。

在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)元素化合物時(shí)，教師可以讓學(xué)生準(zhǔn)備一些由橡皮泥捏成的小球和一些小棍，然后利用這些材料構(gòu)建球棍模型，把化合物表現(xiàn)出來，由此讓學(xué)生更加直觀地了解元素化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。例如，在教學(xué)“甲烷”時(shí)，教師讓學(xué)生試著拼出甲烷的球棍模型并進(jìn)行觀察，通過觀察學(xué)生可以更好地掌握甲烷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，同時(shí)得出甲烷是正四面體結(jié)構(gòu)，其中四個(gè)氫原子是等效的，它的二氯取代物只有一種。這樣，通過構(gòu)建物理模型，學(xué)生加深了對(duì)概念的理解，同時(shí)提高了動(dòng)手操作能力。

（二）建立概念模型

概念模型主要是用概念圖來表示。概念圖最早是在20世紀(jì)60年代由美國(guó)康奈爾大學(xué)諾瓦克教授等人提出的。概念圖是把基礎(chǔ)的知識(shí)概念結(jié)構(gòu)化，并用結(jié)構(gòu)圖的方法表現(xiàn)出來的一種模型認(rèn)知方式，目的是更好地幫助學(xué)生理解和掌握概念。學(xué)生通過建立概念模型，可以清楚每個(gè)概念之間的關(guān)系，把相對(duì)瑣碎的概念系統(tǒng)化。需要注意的是在概念圖中每個(gè)概念只出現(xiàn)一次[3]。

從元素化合物和中心元素的特性來分析出每個(gè)元素化合物的特點(diǎn)，并且根據(jù)元素化合物的特點(diǎn)來分析元素化合物的性質(zhì)及其與其他化合物反應(yīng)的性質(zhì)。例如，對(duì)于鈉及其化合物，可以將鈉作為中心元素構(gòu)建鈉及其化合物的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)圖，同時(shí)把鈉和其他能夠與其反應(yīng)的物質(zhì)（如氧氣、氯氣、鹽酸等）相聯(lián)系，再把反應(yīng)得到的化合物對(duì)應(yīng)填上，以便歸類記憶。

（三）建立抽象模型

化學(xué)教學(xué)的終極目標(biāo)是讓學(xué)生習(xí)得化學(xué)知識(shí)，掌握化學(xué)思維方法，并能靈活運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決生活問題，從而形成化學(xué)專業(yè)素養(yǎng)。在解答化學(xué)題目的過程中，教師要教會(huì)學(xué)生依據(jù)題目提煉出關(guān)鍵點(diǎn)，建立好模型，或者直接運(yùn)用自身比較熟悉的模型去解題，實(shí)現(xiàn)高效教學(xué)。

教師在講授元素化合物知識(shí)時(shí)，可以與氧化還原的知識(shí)相結(jié)合，幫助學(xué)生建立學(xué)習(xí)物質(zhì)的性質(zhì)認(rèn)知模型，厘清元素化合物性質(zhì)的學(xué)習(xí)規(guī)律，并把此認(rèn)知模型遷移運(yùn)用到碳、氮、硫等元素知識(shí)的學(xué)習(xí)中。例如，教師在講授“二氧化硫”這節(jié)課時(shí)，可以把物質(zhì)類別作為橫坐標(biāo)，把核心元素硫的化合價(jià)作為縱坐標(biāo)建立二維平面圖像，它直觀、形象地體現(xiàn)了以二氧化硫?yàn)橹行牡摹胺诸愑^”“轉(zhuǎn)化觀”“元素觀”。將硫及其化合物知識(shí)系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化，有助于學(xué)生形成學(xué)習(xí)二氧化硫的基本思路。學(xué)生可以通過“價(jià)類二維圖”，根據(jù)“二氧化硫的類別是酸性氧化物”得出酸性氧化物的性質(zhì)：可以與水反應(yīng)，可以與堿性氧化物反應(yīng)，可以與堿反應(yīng)。再根據(jù)硫元素的價(jià)態(tài)有-2、0、+4、+6，而二氧化硫的價(jià)態(tài)是+4，既可升高又可降低，從而可以預(yù)測(cè)、分析二氧化硫具有氧化性和還原性。最后學(xué)習(xí)二氧化硫的特性“漂白性”，并嘗試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題。

（四）建立數(shù)學(xué)模型

教師在元素化合物知識(shí)的教學(xué)中要重點(diǎn)幫助學(xué)生建立起知識(shí)框架，注重培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)專業(yè)素養(yǎng)。圍繞知識(shí)本身的特點(diǎn)和內(nèi)在特質(zhì)而建立的數(shù)學(xué)模型，可以幫助學(xué)生更好地學(xué)習(xí)知識(shí)。數(shù)學(xué)模型能夠促進(jìn)學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識(shí)分析化學(xué)問題，讓學(xué)生可以理順和計(jì)算出題目中的關(guān)鍵量，提高學(xué)生對(duì)圖形的辨別能力以及圖文轉(zhuǎn)換能力。

教師教學(xué)元素化合物知識(shí)時(shí)，可用曲線圖呈現(xiàn)某一化學(xué)過程中的變量關(guān)系，并找出其變化規(guī)律，這樣有助于提高學(xué)生的解題效率。例如，向氫氧化鈉溶液中通入二氧化碳，其溶質(zhì)的成分是什么？對(duì)于此問題，可通過圖像來加以判斷。根據(jù)方程式2NaOH+CO2=Na2CO3+H2O，NaOH+CO2=NaHCO3，設(shè)CO2與NaOH的比值為a，若a=0.5，則溶質(zhì)為Na2CO3;若a=1，則溶質(zhì)為NaHCO3;若a在0.5與1之間，則溶質(zhì)既有Na2CO3又有NaHCO3;若a小于0.5，則溶質(zhì)為NaOH和Na2CO3。如果就這樣直白地講解，學(xué)生可能無法理解透徹，而借助數(shù)學(xué)地坐標(biāo)軸則可以直觀地看出不同比例的反應(yīng)物相對(duì)應(yīng)的溶質(zhì)，有助于學(xué)生對(duì)相關(guān)題目的理解和計(jì)算。

（五）建立思維模型

元素化合物這部分知識(shí)還可以通過建立思維模型來進(jìn)行學(xué)習(xí)。思維建模的過程主要包括分析、建模和解模三個(gè)過程，即對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行分析，抓住它的主要信息及相關(guān)對(duì)象的共性問題，舍棄一些次要信息，對(duì)主要信息做一些必要的簡(jiǎn)化、假設(shè)和一般化處理，并用適當(dāng)?shù)奈淖帧⒐健?shí)物等去再現(xiàn)原型的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)、特征、功能和聯(lián)系，建立相對(duì)固定的思維模型，從而去研究未知對(duì)象和解決實(shí)際問題[4]。

例如，在書寫陌生情境下的氧化還原反應(yīng)離子方程式時(shí)，可引導(dǎo)學(xué)生建立思維模型（一審四看快速書寫法），讓學(xué)生能夠快速書寫方程式。以2018年全國(guó)Ⅰ卷第27題第（4）小題為例：Na2S2O5可用作食品的抗氧化劑。在測(cè)定某葡萄酒中Na2S2O5的殘留量時(shí)，取50.00 mL葡萄酒樣品，用0.01000 mol·L?1的碘標(biāo)準(zhǔn)液滴定至終點(diǎn)，消耗10.00 mL。寫出滴定反應(yīng)的離子方程式。這道題考查的是一個(gè)滴定實(shí)驗(yàn)，要求寫出滴定反應(yīng)的離子方程式。因?yàn)檫@類題目往往與社會(huì)生產(chǎn)生活以及高科技相結(jié)合，所以對(duì)于學(xué)生來說陌生度較大，學(xué)生看到題目不知道從何下手。因此，幫助學(xué)生建立思維模型就非常重要，思維模型可以助力學(xué)生快速解題。首先認(rèn)真讀題，根據(jù)題給信息知Na2S2O5是一種抗氧化劑，可作還原劑，寫在反應(yīng)物中，根據(jù)價(jià)態(tài)的變化，S從+4價(jià)升高到+6價(jià)，所以對(duì)應(yīng)的氧化產(chǎn)物為硫酸根。因?yàn)榈庾鳛闃?biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行滴定，所以氧化劑為碘單質(zhì)，根據(jù)價(jià)態(tài)的變化，碘從0價(jià)降到-1價(jià)，對(duì)應(yīng)的還原產(chǎn)物為碘離子，這樣就找出了氧化劑和還原產(chǎn)物以及還原劑和氧化產(chǎn)物，從而確定方程式中的反應(yīng)物和生成物：S2O[2-5] + I2 — SO[2-4] + I-。接著根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，通過化合價(jià)的升降進(jìn)行配平：S2O[2-5] + 2I2—2SO[2-4] + 4I-，發(fā)現(xiàn)電荷不守恒，可根據(jù)溶液環(huán)境補(bǔ)充氫離子或氫氧根離子使方程式守恒。因?yàn)楸绢}中I2參與反應(yīng)，所以不能選擇氫氧根，只能選擇氫離子，由此得出：S2O[2-5] + 2I2 — 2SO[2-4] + 4I- + 6H+。最后根據(jù)原子守恒補(bǔ)上H2O進(jìn)行配平：S2O[2-5] + 2I2 + 3H2O=2SO[2-4] + 4I-+6H+。這種思維模型可歸納為“一審四看快速書寫法”。“一審”：審清題干找兩對(duì);“四看”：一看化合價(jià)升降配系數(shù)，二看反應(yīng)前后電荷數(shù)，三看溶液環(huán)境找平衡，四看原子守恒再配平。這種思維模型還可用于解答類似的題目。

四、模型認(rèn)知在元素化合物教學(xué)中運(yùn)用的重要性

（一）能提高教學(xué)效率

模型認(rèn)知可以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)目標(biāo)，幫助教師了解每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，從而進(jìn)行針對(duì)性教學(xué)。在教學(xué)元素化合物知識(shí)時(shí)，教師可引導(dǎo)學(xué)生建立化學(xué)模型直觀呈現(xiàn)化合物的結(jié)構(gòu)，使學(xué)生更加清楚地了解元素化合物知識(shí)，從而提高教學(xué)效率。例如，利用球棍模型讓抽象的元素化合物具象化，讓學(xué)生直觀感受化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使教師的教和學(xué)生的學(xué)變得更加輕松。

（二）能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性

教學(xué)既要有高效的教，也要有高效的學(xué)。傳統(tǒng)教學(xué)中，教師往往只注重教，而忽略調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。教師在講臺(tái)上滔滔不絕地講理論知識(shí)，學(xué)生只能被動(dòng)地接受。這種枯燥的教學(xué)方式，使學(xué)生容易走神，不能真正地參與學(xué)習(xí)的過程，教學(xué)效果較差。而運(yùn)用模型認(rèn)知可以讓學(xué)生真正地參與化學(xué)學(xué)習(xí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，增強(qiáng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。在元素化合物知識(shí)教學(xué)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生小組合作進(jìn)行模型構(gòu)建，從而得出相關(guān)數(shù)據(jù)和結(jié)論，這樣更能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性。模型認(rèn)知還可以讓師生進(jìn)行更多的互動(dòng)交流，拉近師生之間的距離，同時(shí)可提升教師的教學(xué)效率和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，實(shí)現(xiàn)教學(xué)相長(zhǎng)。

（三）能提高學(xué)生的解決問題能力

模型認(rèn)知可以讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)元素化合物的核心內(nèi)容，并通過構(gòu)建模型在復(fù)雜的問題中找出關(guān)鍵信息進(jìn)而順利解決問題。構(gòu)建模型可以把比較籠統(tǒng)的元素化合物的概念清楚地表現(xiàn)出來，讓學(xué)生對(duì)元素化合物的學(xué)習(xí)產(chǎn)生興趣。如分子結(jié)構(gòu)模型可以形象地展示物質(zhì)分子中各原子的空間排列情況，幫助學(xué)生記憶和理解物質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)，使學(xué)生可以更清楚地看到分子的空間結(jié)構(gòu)，從而牢固掌握分子空間結(jié)構(gòu)知識(shí)。一些概念、原理、數(shù)據(jù)是學(xué)生通過構(gòu)建模型進(jìn)行驗(yàn)證推理最終得到的，因此印象深刻。模型認(rèn)知，不僅可提高學(xué)生的建模能力，還能提高學(xué)生的解決問題能力。

綜上所述，在元素化合物知識(shí)的教學(xué)中，應(yīng)用模型認(rèn)知可以提高教師的教學(xué)效率，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，提高學(xué)生的解決問題能力。學(xué)生通過構(gòu)建知識(shí)模型可以厘清思路，便于學(xué)習(xí)和記憶，同時(shí)了解知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，形成知識(shí)結(jié)構(gòu)圖，從而達(dá)到高效學(xué)習(xí)的目的[5]。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 劉宗榮.科學(xué)論證視野下的高中化學(xué)教學(xué)模式建構(gòu)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2019（10）：18-19.

[2]? 王換榮，陳德坤，陳進(jìn)前.化學(xué)核心素養(yǎng)之構(gòu)建模型認(rèn)知在教學(xué)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代中小學(xué)教育，2019（1）：45-49.

[3]? 李愛華.談?wù)劤踔猩镏匾拍罱虒W(xué)的有效策略[J].中學(xué)教學(xué)參考，2015（11）：110-111.

[4]? 趙晶茹.改進(jìn)化學(xué)建模教學(xué)? ? 優(yōu)化學(xué)生思維品質(zhì)[J].基礎(chǔ)教育論壇，2016（23）：22-23.

[5]? 管臻英.基于思維導(dǎo)圖促進(jìn)高中生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”素養(yǎng)的研究[J].高考，2020（31）：27，29.

（責(zé)任編輯 羅 艷）

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