發展學生“模型認知”素養的單元整體教學

白建娥

摘要： 在深入研究課標、學情的基礎上，從2020年版魯科版教材第二章提煉出“共價鍵與分子結構”教學單元，教學目標確定為發展學生的“模型認知”核心素養。詳細闡述該單元整體教學中的驅動性問題與學生活動的設計，課堂即時評價全程跟進。后測結果表明，學生“模型認知”核心素養獲得明顯提升。

關鍵詞： 模型認知; 單元整體教學; 共價鍵; 分子結構

文章編號： 10056629（2022）09003505

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

“證據推理與模型認知”是化學學科五大核心素養之一，新課標對“模型認知”的定義是“知道可以通過分析、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聯，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]。對學生而言，“模型認知”包括運用科學家已經建構的科學模型分析解決問題、像科學家那樣運用模型方法，通過建構模型分析解決問題等[2]?！肮矁r鍵與分子結構”內容涉及的共價鍵模型、雜化軌道理論、價層電子對互斥理論（以下簡稱VSEPR模型）、氫鍵等均為科學家已經建構的科學模型，從“能將事實與模型進行關聯和匹配”，到“能理解、描述和表征模型”，再到“能認識到模型和研究對象的異同以及模型使用條件”，體現了化學學科核心素養中的“模型認知”水平由低到高的發展順序。

單元整體教學有助于教師突破“只見樹木不見森林”的課時思維，打通知識到素養的通道，通過讓學生完成具有挑戰性的任務促進對化學核心知識和學科思想方法的深刻理解，實現遷移應用，培養學生的關鍵能力、必備品格和正確的價值觀，是“素養導向”下一種有效的教學模式[3]。單元整體教學的關鍵是確定教學單元、制定單元及課時教學目標、依托情境素材設計驅動性問題和學生活動、全程進行診斷與評價等。下面以2020年版魯科版教材“共價鍵與分子結構”為例，闡述發展學生“模型認知”素養的單元整體教學設計過程。

1 深入解讀課標及教材，確定教學單元

“共價鍵與分子結構”是從2020年版魯科版教材選擇性必修2《物質結構與性質》第二章提煉出來的內容。新課標中“物質結構與性質”模塊分三個主題，著重突出結構與性質的關系，同時也強調了研究物質結構的方法與價值。2020年版魯科版教材以主題2作為第二章的標題，下設四節內容對微粒間的相互作用進行詮釋。教材具體

內容與課標要求之間的對應關系如圖1所示。

由圖1可以看出，教材的四節內容中，第1、 2、 4節內容具有遞進關系，可以從整章中剝離出來，自成一個相對獨立的單元。而第3節內容的作用是豐富微粒間相互作用的類型，使學生形成一個相對完善的知識體系，可以另成一個教學單元。

第1、 2、 4節內容形成的教學單元，始終圍繞共價鍵模型（價鍵理論）及其發展和分子結構與性質展開，故單元主題確定為“共價鍵與分子結構”。單元知識之間的內在邏輯關系如圖2所示。

原子之間通過共價鍵形成分子，分子具有一定的空間結構，雜化軌道理論和VSEPR模型可以解釋和預測分子的空間結構。共價鍵的極性和分子的空間結構決定了分子中的電荷分布與極性。分子之間通過分子間作用力（范德華力和氫鍵）形成宏觀物質，依據分子結構可以解釋物質某些方面的性質（如熔沸點、溶解性等）。整個單元內容從微觀到宏觀，將結構與性質建立關聯，體現了研究物質結構的價值。

2 立足課標與學情，制定單元教學目標

教學過程中發現，學生對模型尚缺乏科學的認識，不能時刻意識到模型是科學家為了認識世界中的特定對象（原型）而構想出來用于表征目標對象的一種簡化、抽象或近似的描述[4]，常把“模型”與“研究對象”混為一談。乙烯分子中的C原子為什么不采取sp3雜化方式？計算中心原子周圍的價電子對數時，多重鍵為什么只計其中的σ鍵電子對，不計π鍵電子對？非極性分子中正負電荷重心重合，為什么相互之間還有范德華力（本質為靜電作用）？令學生困惑的上述問題表明，“模型”與“原型”的主客體地位、因果關系常被顛倒，模型還常被誤認為是靜態的實體。基于上述學情分析，參照新課標的“內容要求”與附錄1“化學學科核心素養的水平劃分”[5]，筆者將“共價鍵與分子結構”單元教學定位在發展學生的“模型認知”核心素養。單元教學目標的具體內容如圖3所示。

將單元目標按照素養發展水平具體到每一種模型，即為課時目標。例如，對于共價鍵模型，課時目標是： （1）知道共價鍵模型是科學家基于量子力學理論建立的科學模型，能描述共價鍵的形成過程，說出共價鍵的實質;會識別σ鍵和π鍵;能結合H2O、 NH3等具體實例論證共價鍵的飽和性和方向性;（2）能運用共價鍵模型解釋相應的分子結構與物質的性質;（3）知道共價鍵模型在解釋O2有順磁性、甲烷分子組成、分子空間結構方面的局限性。其他模型的課時目標制定參照共價鍵模型，因篇幅所限，不再贅述。

3 基于目標選取情境、設計問題和活動

制定了教學目標，就有了方向。教學目標的實現需通過每一課時進行落實。而在每一課時中能夠將學生快速帶入學習狀態的最佳方式就是利用真實的問題情境。重視真實問題情境的運用，以此促進學生化學學

科核心素養的形成和發展，正是新課標在“實施建議”中特別提倡的有效教學策略。魯科版教材設置的“聯想·質疑”“觀察·思考”“交流·研討”等欄目，在學生已有經驗或者熟悉的事實和現象的基礎上創設學習情境，是能夠引起學生學習興趣的絕佳素材。本單元教學中，主要利用現有的情境素材，設計驅動性問題，激發學生強烈的求知欲或引發其認知沖突;同時設計與驅動性問題相匹配的學生活動，讓學生在活動的體驗過程中認識模型、理解模型，最終會應用模型解釋客觀事實。

圖4呈現了本單元的課時內容、情境素材、設計的驅動性問題以及學生活動。

5課時的內容緊緊圍繞本單元先后呈現的五個科學模型展開，考慮到知識的邏輯順序、學生的認知發展順序與課堂容量，將教材共價鍵模型部分的“極性鍵與非極性鍵”調整到VSEPR模型之后與“分子的極性”合并。每個課時既相對獨立，又彼此關聯。整個單元沿著“分子內原子之間的相互作用→分子的空間結構→分子之間相互作用→物質的性質”順序推進，外顯了“結構決定性質，性質反映結構”的化學學科觀念。其中，結構可通過技術手段（如分子光譜）測定，也可通過VSEPR、氫鍵等科學模型預測和解釋。模型形象、直觀、理想化地反映結構，并能較令人滿意地解釋分子和物質的部分性質。

本單元的驅動性問題直接指向科學模型的價值和模型所包含的要素。例如，必修階段學生已經學習了經典的共價鍵模型，知道共價鍵是原子間通過共用電子對形成的化學鍵。但是，原子之間為什么要進行電子配對？學生只知其然不知其所以然。第1課時，直奔主題，驅動學生思考電子配對的合理解釋，使學生迅速達到“心求通而未得，口欲言而弗能”的憤悱狀態，強烈的求知欲旋即產生。為什么水分子中H和O個數比為2∶1？為什么H2O不是直線型分子？兩個問題直接指向共價鍵的特征： 飽和性和方向性。再如，科學家是如何發現分子之間存在范德華力和氫鍵的？有哪些證據作為支撐？與共價鍵相比，范德華力與氫鍵的強度怎樣？是否也有飽和性和方向性？第5課時的這些問題驅動學生去思考微粒間相互作用的相通之處，共價鍵是原子之間的相互作用，分子是由原子組成的更復雜的微粒，作為分子間作用力的范德華力與氫鍵，是否與共價鍵有某種關聯呢？相同與不同之處在哪里？帶著這些問題去學習，有助于學生透過表象看本質，在深入反思中形成統攝性的觀念?？梢?，驅動性問題是學習和思考的起點，也是課時指向的目標與歸宿。

學生活動的設計圍繞著驅動性問題的解決，本單元主要分為對模型的理解和應用。指向模型理解的學生活動有： 圖4中課時1（1）（2）、課時2（1）、課時3（1）及課時5（2）。其中，根據教材圖示描述H2、 CH4分子的形成過程;模擬H2O、 NH3、 N2分子中原子的成鍵方式，使多個磁力棒圍繞一個磁力球盡可能最大遠離;拼搭冰的氫鍵模型，目的分別是理解共價鍵的本質、類型，雜化軌道模型的思維過程;VSEPR模型的核心要素以及氫鍵一定程度的飽和性和方向性（傳統上認為氫鍵具有飽和性和方向性，然而氫鍵的形成不像共價鍵的形成對方向性的要求那么高[6]）。其余的學生活動則指向模型應用，用科學模型預測、解釋分子結構及物質的性質。對學生來說，理解科學模型是一個輸入過程，理性思維之前最好要先有感性認識，因此設計的多是觀察思考、動手體驗類活動;而應用科學模型是一個輸出過程，主要參照課標的“學業要求”進行設計，多為口頭表達與動手書寫類活動，緊跟在指向模型理解的學生活動之后，以診斷學生對模型的掌握情況。設計學生活動時考慮了學生的心理發展進階，例如課時3的四個活動： 先拼搭磁力棒以理解VSEPR模型的要素;接下來預測能夠寫出電子式的微粒的結構;然后結合計算預測較復雜微粒的結構;最后既預測又解釋微粒的結構和組成。學生活動由感性到理性，從簡單到復雜，循序漸進，逐漸增強學生的獲得感和自信心。

4 即時評價，促進“模型認知”素養提升

新課標提倡實施“教、學、評”一體化，有效開展日常學習評價[8]，還特別強調發揮評價促進學生化學學科核心素養全面發展的功能。可見，評價不是目的，是一種手段，目的是促進核心素養的發展。課堂即時評價是最直接、最便捷的評價形式，是“教、學、評”一體化理念落地的基本途徑[9]。那么，核心素養的發展在教學過程中如何得到有效評價和促進呢？

由圖4可以看出，在“共價鍵與分子結構”單元整體教學過程中，設計的活動包括“描述、論證、解釋、書寫、拼搭、實驗”，需要學生高頻次地動手操作、動腦思維和動口表達。活動中學生的情意態度可以被觀察、感知;表達、書寫與實驗的結果可以被診斷與評價。作為教學活動的組織者，教師通過不斷巡視，可以把控課堂教學節奏;通過不斷追問，可以發現學生暴露的問題并做出補救性調整;通過點人上臺板演，可以使典型問題聚焦放大，并鼓勵同伴互評互助。在師生和生生多輪次的交互碰撞中，在教師獲得及時反饋后的進一步點撥中、在受到教師肯定后備受鼓舞的進一步探索中，學生對科學模型的理解和應用水平不斷提升，模型認知素養逐漸獲得發展。

后測中呈現了前文提及的三個問題： 乙烯分子中的C原子為什么不采取sp3雜化方式？計算中心原子周圍的價電子對數時，多重鍵為什么只計其中的σ鍵電子對，不計π鍵電子對？非極性分子中正負電荷重心重合，為什么相互之間還能產生范德華力？對于第一個問題，92%的學生達成共識： 首先承認乙烯為平面結構的事實，再用相應的理論或模型進行解釋。若從雜化軌道理論解釋，C原子只有采取sp2雜化方式才可以符合事實。對于第二個問題，75%的學生能關聯到第3課時開始圍繞一個磁力球拼搭磁力棒的活動，兩棒一球為直線形，三棒一球為平面三角形，四棒一球為正四面體，五棒一球為三角雙錐，六棒一球為正八面體（如圖5所示）。中心原子周圍幾“堆”電子，就像幾個磁力棒，彼此之間形成“最大遠離”的空間結構。而中心原子與某個配體之間不管單鍵、雙鍵還是三鍵，都只能算作“一堆”電子，相當于只有σ鍵對“電子堆”有貢獻。VSEPR模型原本就是Sidgwick等科學家在歸納了許多已知分子的幾何構型后提出的經驗模型[10]，只有不計π鍵電子對時才能與事實吻合。

圖5 學生用磁力球與磁力棒模擬價電子對拼搭的分子空間結構

第三個問題，課堂上教師用原子結構的“電子云”模型結合微觀粒子永不停息地做無規則運動的特點進行了生動形象的講解，絕大多數學生能提到“瞬間正負電荷不重合”、“隨時會產生極性”等字樣，不再把微粒看成靜止不動的存在。

“共價鍵與分子結構”涉及的五個科學模型都是上世紀二十年代后期隨著量子力學理論的發展而建立起來的。量子力學是研究微觀粒子運動規律的科學，微觀粒子最顯著的特點是具有波粒二象性，即所謂的“行為詭異，難以捉摸”。因此，科學家基于實驗事實，通過分析、推理等方法認識微觀世界的本質特征、構成要素及其相互關聯，建立了科學模型。通過本單元的整體教學，如果學生對科學模型有了科學的認識，能應用模型解釋通過科學技術手段測得的分子結構，并能夠預測某些分子結構，在結構與性質之間建立聯系，那么，發展學生“模型認知”核心素養的目標就已基本達成。

參考文獻：

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