利用思維模型建構提升學生化學學科核心素養的探究
——以“乙酸酯化反應的實驗探究”為例

甘肅 李云雷 車 琳

思維導圖[上世紀八十年代，由英國心理學家托尼·博贊(Tony buzan)提出]，在教育教學上，它是一種新的思維模式，即教師以“思維導圖”為基點，構建以問題學習、討論活動為基礎的引導式、探究式學習，促使學生進行“知識建構”“知識應用”和“意義構建”三個層級的研究學習，也是應課程改革對化學學科核心素養培育與提升的基本途徑，尤其有助于學生認識事物的全貌和系統性的認識事物，構建結構化知識體系，而且具有評價思維的維度、深度、批判性和創造性思維能力的重要功能，便于促進高階認知，使知識有效內化。

為了更好、更快、更高效地落實學科核心素養，在課堂教學中教師通過三個不同層級，層層深入，環環相扣，由淺及深地引導學生，通過“思維導圖”形成基本的“知識建構”，將瑣碎且難以記憶的化學知識形成一個完整的體系；通過讓學生不斷練習對應習題，提升學生“知識應用”的能力，提高學生從多角度認識外界事物的思維及能力，從而更好地在實踐應用層面上對所學內容做更深地理解，學生通過實踐—認識—實踐，不斷質疑、分析、討論再實踐的過程，自然形成了對所學知識體系的學科核心素養，最終使知識內化，獲得內核的“意義構建”層。教師應力求學生能從低層次思維的學習階段發展成長為高層次思維高效率且更加有意義的學習階段。

在一線的化學教學中，由于化學學科特有的屬性，即化學主要是以實驗為基礎的一門學科，“新課改”中更是強調了實驗的重要性，以及聯系化學反應中學生對反應條件的控制的認知是孤立的，零散的，缺乏將其整合和系統化的過程，同時也基于基礎化學知識的繁雜性、瑣碎性、抽象性以及難于記憶等特點，學生整體缺乏對知識的深層加工和深層理解，因而沒能建立解決該類問題的思維模型。為此，筆者嘗試通過使用思維導圖，在乙酸的酯化反應的教學中，優化學生的“知識建構”“知識應用”“意義構建”三個層級的建構，促使學生進行高階思維的深度學習，進而提升學生的化學學科核心素養，見圖1。

圖1 化學學習的三個層級

一、利用“思維導圖”落實“知識建構”過程中宏觀辨識能力與模型認知能力

“乙酸的酯化反應”是以實驗為依托展開的，學生在課前通過預習教材內容，課前繪制出圖2所示思維導圖的草圖，圖2中的內容只是乙酸酯化反應最基礎的現象表征，即宏觀現象，且有待完善。然后教師可以以典型的情景問題探究法投放“問題包”，不斷引導學生進行深入的討論，獲取解決問題的發散式思維，拓寬學生思維，修正思維導圖。

圖2 乙酸的酯化反應的預習草圖

學生通過預習可知，乙酸與乙醇可發生酯化反應，那教師應如何科學高效的設計出相應的實驗方案呢？仔細分析，教師可以從化學的實驗思維模式出發，具體分三步進行設計：(1)通過反應原理設計可行的反應裝置；(2)思考如何才能加快反應的進行，如何控制反應條件；(3)思考如何在獲得更多較純的產物的同時而不污染環境呢？

首先根據反應原理，教師可設計出液液加熱制取乙酸乙酯的裝置，主要有圖2中的三種裝置，具體哪種裝置的實驗效果最好，還需繼續分析。其次，如何通過控制反應條件提高酯化反應的速率呢？教師可從影響化學反應速率因素的角度作進一步的分析。通過分析乙酸與乙醇的分子結構，可知乙酸與乙醇反應生成的是乙酸乙酯中的酯基鍵，需乙酸與乙醇分子間脫去一分子水，因此，該反應須在一定的催化劑的作用下方可進行，那么具體選什么催化劑合適呢？根據物質的脫水性，選用濃硫酸作催化劑。教師可以試問學生稀硫酸可以么？稀鹽酸呢？如若可以，那么催化劑的本質是什么呢？教師可引導學生分組做四組對比實驗進行驗證所提問題。第一組：加濃硫酸，獲得的產物中有較多的油狀液體且有香味，原反應的混合液出現了溶液變為棕褐色的現象(教師引導學生分析應是濃硫酸的強氧化性導致的)；第二組：加稀硫酸，在其他實驗條件相同時，同樣也獲得了少量的油狀液體；第三組：加稀鹽酸，在其他實驗條件相同時，同樣也獲得了少量的油狀液體；第四組：未加任何催化劑，較長時間后試管中仍無任何的油狀液體產生。最終教師引導學生通過分析、討論，總結出催化劑的本質為提供H+，那又為何采用濃硫酸，學生總結分析出是因為酯化反應是可逆反應。同時為了提高酯化反應的反應速率，還可適當升高溫度。由于反應需要加熱，而乙酸與乙醇的沸點都較低，反應蒸發出的乙酸乙酯中混有乙酸與乙醇的雜質，那如何獲得較純凈的乙酸乙酯呢？學生通過思考、交流、總結出可用H2O或者NaOH溶液來吸收乙酸和部分乙醇。假設(1)如果選用H2O，教師引導學生仔細分析后發現，乙酸和乙醇除了能溶于水之外，也溶于乙酸乙酯，因此不能選用水。假設(2)如果選用NaOH溶液，同樣引導學生分析后發現，乙醇可溶于NaOH溶液，乙酸可與NaOH溶液反應，但乙酸乙酯也能與NaOH溶液反應，因此不能選用。那教材中為什么選用的Na2CO3溶液呢？分析可知其有以下三點優勢：(1)能溶解乙醇；(2)可與乙酸反應除去乙酸；(3)可降低乙酸乙酯的溶解度。最后一問，如何才能最大程度的獲取更多的乙酸乙酯？教師可引導學生利用化學平衡移動的思維提出可行性方案。整個實驗過程需要學生將酯化反應的知識進行有效地擴散，如同人的腦神經一樣，從一個知識點遷移到另一個知識點，形成知識點之間地有效遷移。據此，教師引導學生進一步完善思維導圖(如圖3)，當學生展示圖3時，教師可以看到學生在分析問題、探究問題以及解決問題等方面的能力得到了很好地提升。這種從宏觀分析實驗的模式，可以防止學生盲目地學習，同時實現了知識的主動建構。

圖3 乙酸酯化反應的知識建構

二、利用“思維導圖”落實“知識應用”過程中的微觀探析與模型認知

2.1 探究酯化反應的微觀斷鍵機理

為了使學生深入理解學習，即了解乙酸與乙醇是如何脫去水分子而形成酯基鍵的，教師可從理論上向學生分析“同位素示蹤法”，讓學生認識到水分子是由乙酸脫去的羥基與乙醇脫去的氫原子結合生成的，即“酸脫羥基醇脫氫”。同時教師通過多媒體Flash動畫向學生展示乙酸與乙醇發生酯化反應的斷鍵機理，將微觀世界的變化可視化，提高學生微觀探析的能力，同時進一步引導學生完善思維導圖(如圖4)。

圖4 乙酸酯化反應的微觀探析

2.2 利用思維導圖提升學生的變化觀念核心素養、科學探究能力和模型認知能力

教師通過對乙酸與乙醇酯化反應的宏觀現象與微觀機理的綜合分析，使學生形成了對酯化反應的基本認知模型。既然如此，學生根據微觀機理“酸脫羥基醇脫氫”分析可知酸必須為含氧酸，醇可以為一元醇、二元醇或多元醇等，乙酸與乙醇發生酯化反應脫去了一分子水形成一個酯基，說明一個羧基和一個羥基可脫去一分子水形成一個酯基，因此，學生可知二元醇與二元酸可脫去兩分子水形成兩個酯基。了解了比例關系，教師引導學生繼續通過微觀機理分析形成酯的結構，發現除了可形成鏈狀結構，還可形成環狀結構即環酯，在整個引導分析過程中，不斷提升學生的科學探究能力和變化觀念的學科核心素養，同時形成一定的認知體系，繼續優化思維導圖(如圖5)。

圖5 酯化反應的思維模型建構

三、將思維導圖升級到提升學生科學精神與社會責任意識中

乙酸與乙醇作為生活中常用的有機溶劑，對其在生活及生產中的應用以及存放都需注意。乙醇作為一種易燃的有機溶劑在其應用中需引起格外重視，尤其作為消毒試劑時要注意防止火災的發生；其作為酒精的主要成分時，需明確乙醇與工業酒精的不同，以防造成個人生命危險。乙酸及乙酸乙酯在食品工業及香料工業方面的重要性，也在時刻強調學生在學習過程中應承擔起相應的社會責任與自我責任，在日后長久的生活與學習中不斷培養科學精神及社會責任意識。

因此，好的化學“核心課堂”，學生需在教師的引導下，在不斷思考核心主題的前提下，利用“思維導圖”，不斷深入學習，由低級的表征知識逐漸深入，有效遷移，形成知識的內化，使瑣碎的化學知識做到形散而神不散的狀態。俗話說：補知識不如補思維，學知識不如學方法。學生與學生之間的差別，其實都是思維模式的差別。當學生不斷提升思維模式時，也是在不斷提升其推理能力、探究能力、變化觀念等化學學科核心素養，同時教師的專業水平也得到了很大程度地提升。