在模型認知發展中建構學科觀念

劉金翠

摘要：以“膠體”內容的教學為例，從模型準備、模型建構、模型修正和模型運用四個角度，設計了四個基于模型建構的認知發展活動。

關鍵詞：核心素養;模型認知;膠體

文章編號：1008-0546（2022）09-0059-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

普通高中化學課程中對于膠體內容的教學可遵循模型準備—模型建構—模型運用的認知發展過程，在原有溶液和濁液模型的基礎上，根據新的實驗現象與事實讓學生對自己的原有模型進行分析、修正和拓展，構建更抓住分散系本質特點的新模型。下面圍繞“模型認知”的發展談膠體內容的四個學習活動的設計意圖與作用。

一、模型準備：重識溶液與濁液

模型準備階段是根據本節課所要建構的模型，在學生已有的前認知中選擇相關的熟悉的類似模型，對學生已建立模型的關系與結構進行比較、檢驗和分析，考量其內部的一致性，拓展其外延與意義。

1.教學設計

首先為學生提供FeCl3溶液和泥沙懸濁液（這里選擇河泥，效果會更好一些），學生對兩種分散系進行觀察，分析溶液的“清”和濁液的“濁”與透光性之間的關系。接著帶著學生觀看NaCl溶于水時Na+與Cl-被分散進入溶液的視頻及圖片，進一步從微觀視角建立是否透光與被分散微粒大小之間的關聯。然后要求學生模仿溶液中被分散微粒的圖片，畫出泥沙懸濁液中微粒分散于水中的示意圖。最后教師通過動畫展示溶液、濁液中被分散微粒對于光線傳播的影響，建立起宏觀的“清”“濁”與微觀被分散微粒大小的關系。

2.設計意圖

活動1在模型認知中的作用是模型準備，溶液和濁液屬于學生的先前知識與概念，而這兩個概念的認識與理解深度對于膠體概念的學習非常重要。教學中先給出NaCl溶于水時Na+與Cl-分散的微觀動畫與圖片，再要求學生根據濁液對于光線的作用自己畫出濁液的微粒分散示意圖，這些內容都是為了膠體學習而進行的模型準備環節。

二、模型建構：認識膠體分散系

模型建構是在原有基礎上建立新的認知與理解，明確分析對象更為豐富的內涵，建立新的基本模型的關系與結構。

1.教學設計

教師首先提出問題：將FeCl3溶液滴入水中，溶液顏色會如何變化？推斷的依據是什么？學生一般都會認為將FeCl3溶液滴入水中，溶液的顏色會比原FeCl3顏色淺，原因是溶液被稀釋了。接下來讓學生完成分組實驗1：取兩支試管，試管1中加入5mL冷水，試管2中加入5mL沸水，再向其中分別滴入3～5滴濃FeCl3溶液，對比兩支試管中液體的顏色。這是一個讓學生產生認知沖突的教學活動。在這個活動中學生首先依據自己原有的知識對實驗現象進行推測，當他們動手完成實驗的時候發現自己預測的結果與實際現象不一致，這一認知沖突帶著學生來到知識生長的關鍵時刻。教師需要認識到學生產生的沖突和困惑對于他們學習與探索的價值，教會他們如何通過探究的方法開展學習并解決問題。怎么才能解釋“異常”現象？是FeCl3溶液稀釋后表現出來的顏色嗎？一定不是。那是什么？應該發生反應生成了新的物質。參加反應的物質是FeCl3和水，反應的條件是加熱，根據元素守恒和所得的紅褐色液體，能推測可能生成了什么物質嗎？可能是Fe（OH）3。這部分教學可以根據學生開展探究性學習的實際能力進行設計，也可以采用提供信息的方法，給出FeCl3水解的化學方程式。教師再次追問：我們推測生成了Fe（OH）3，但是試管2中并沒有觀察到沉淀，如何解釋？

接下來教師帶領學生完成分組實驗2：用激光筆分別照射試管1與試管2。為什么光線在通過試管2中混合物與通過FeCl3溶液時的現象不一樣？根據對溶液和濁液透光性的分析，你認為產生這一現象可能與什么因素有關？經過活動1的學習，學生能夠推測丁達爾效應的產生可能與混合物中被分散物質的微粒大小有關。然后給出信息：光線在遇到微粒發生散射時微粒大小與光的波長之間的關系。由此可以推測試管2中被分散的物質Fe（OH）3微粒的大小，從而引出膠體、分散系等概念。進行微觀推測之后，再要求學生畫出膠體中微粒分散情況的示意圖。在這一活動中，學生最終能夠畫出一定數目分子聚集體的膠體粒子分散于水中。

在初步認識膠體之后，讓學生觀看從過濾到滲析這兩種分離原理的動畫模擬，進一步認識到被分散物質微粒聚集程度影響了其微粒的大小，而分散質微粒的大小使得這些不同的分散系不僅在光線照射時會產生不同的現象，也可用于物質的分離。同時，教師展示幾種實物及其不同孔徑對比的圖片及實物：茶杯的濾網，濾紙，半透膜和分子篩，從身邊常用的分離茶葉與茶水的濾網到具有選擇性吸附能力和催化作用的分子篩，其工作的基本原理有相同之處，而差異與其孔徑大小有關。

在這一教學活動的最后介紹膠體的發現歷史。1856年，蘇格蘭化學家ThomasGraham利用牛的膀胱作為過濾分子的膜，制作出了人類歷史上第一個真正意義上使用并研究的半透膜。他發現了一個有趣的現象：涂有蛋清的羊皮紙也能夠起到半透膜的作用，并在實驗中發現有些物質如蔗糖、無機鹽等物質可以經羊皮紙擴散到水中，而明膠、氫氧化鋁等物質則不能。同時，這類不能擴散的物質在水中的擴散速率也很慢。如何理解Graham的發現？那就是分散質微粒的大小既決定其能否通過相應孔徑的過濾器，也影響其擴散遷移的速率。由于膠體中分散質微粒比較小，其表面積較大，因此膠體具有良好的吸附性。

2.設計意圖

活動2屬于模型構建的環節。這個活動中學生在觀察與分析膠體性質的基礎上，將膠體與剛剛建立的溶液與濁液的模型進行對比，分析膠體與前兩個分散系基本模型之間的關系與異同。在此基礎上構建起膠體的模型，并利用已構建的膠體模型與溶液、濁液模型的關系與結構進行效化，以判斷、檢驗并比較三種不同分散系模型的內部一致性。接下來再利用已效化的膠體模型分析所遇到的實驗問題，并運用構建的模型對膠體的性質進行解釋。

三、模型修正：認識膠體介穩定性

模型修正是根據新的事實，發現已構建的模型存在無法解釋某些現象的問題，通過增加或者減少模型中的對象與關系，將其修正為新的模型，從而能夠解釋新的事實。

1.教學設計

教師首先提出問題：我們都見過荷葉上滾來滾去的水珠，水分子在荷葉表面會自發地凝聚在一起。與其類似，同種物質在不同溶劑中也有自發凝聚的趨勢。然而，一般情況下膠體卻較為穩定，這是為什么呢？江河的入海口會有大量顆粒細小的泥沙沉積形成的三角洲，其形成的原因就是江河中細小的泥沙顆粒形成的膠體在入海口發生了聚沉的現象。為何這些泥沙膠體在到達入海口前較為穩定，而在入海口處發生了聚沉？推測是什么因素使膠體具有一定的穩定性，又是什么因素導致其發生聚沉？為何電解質溶液會影響到膠體的穩定性？提出你的猜想，并設計實驗證明你的猜想。

在分析結束以后引導學生開展分組實驗3：Fe（OH）3膠體的電泳。在做完電泳實驗以后，請同學對自己在活動2中所畫的膠體示意圖進行修改。不少學生通過推測以及實驗認識到Fe（OH）3膠體粒子帶正電，從而對膠體粒子示意圖進行修正，即膠體粒子表面吸附離子使其帶正電荷。教師接著帶領學生完成分組實驗4：Fe（OH）3膠體和硅酸膠體的混合。實驗中觀察到兩種膠體混合后產生了沉淀，思考其原因，并進一步修改表示膠體分散情況的示意圖，即有的膠體粒子帶正電荷，有的膠體粒子帶負電荷。

完成實驗并對模型進行修正后，教師可以進一步對膠體的這一性質進行拓展。古代制造墨汁利用動物膠使炭黑粒子穩定地懸浮在水中;現代制造照相底片用的感光乳劑，是用明膠保護鹵化銀懸浮體;油漆、油墨、磁漿等都是利用保護作用穩定的非水膠體;血液中的鈣、鎂碳酸鹽含量遠高于它們在水中的溶解度，之所以不發生聚集沉淀是因為血液中的蛋白質的作用。這些現象和應用說明向溶膠中加入一定量的高分子化合物常常能顯著提高膠體的穩定性，推測其原因可能是什么？由于膠體粒子的表面積較大，具有較強的吸附性，高分子化合物被吸附在膠體粒子的表面，形成保護層，阻止膠體粒子的接近和聚集。理解了上述阻止膠體粒子接近和聚集的原理后，教師再次提出問題：加熱也會引起膠體的聚沉，如何解釋？讓學生沿著膠體粒子的接近和聚集不斷進行正向與逆向的思考與判斷，通過豐富的案例構建更為準確的認識模型。

2.設計意圖

活動3是模型修正的活動。在這個活動中，隨著學習的深入，學生不斷有新的認識，因而發現他們自己原先構建的膠體模型在解釋這些新的現象時存在不足之處。在這個時候教師需要引導學生增加他們原先構建的膠體模型中的結構、要素或關系，將其修正為新的模型。當然，教學中教師也可以讓學生認識到，實際的研究中若發現已構建的模型整體失效而無法解釋新的發現，則需要依據新的發現重新建構新的模型。

四、模型運用：膠體知識運用與拓展

模型運用是將已效化的模型應用于類似的情境以及新的情境中分析具體的現象與問題，進行推理與解釋。

1.教學設計

這一環節中教師首先帶領學生完成分組實驗5：Fe（OH）3膠體的凈水作用。引導學生根據實驗結果進行思考，認識到Fe（OH）3膠體以及明礬產生的Al（OH）3膠體之所以能夠凈水，是因為Fe（OH）3和Al（OH）3膠體粒子帶正電荷，而泥土膠體粒子帶負電荷。然后教師可以讓學生解釋生活中與膠體有關的一些現象，如豆漿點鹵等。

課堂教學的最后，在小結本節課學習內容的基礎上，教師還需要幫助學生進一步拓展物質微粒大小對于物質性質影響的認識。教師可以帶領學生完成分組實驗6：首先回憶鐵絲在空氣中加熱的現象，接下來將鐵粉撒向酒精燈火焰，觀察現象。最后教師再演示實驗：納米級別的鐵粉（引火鐵）在空氣中自燃。這些實驗可以幫助學生構建這樣的觀念：物質的性質不僅與物質本身的屬性有關，還與構成物質粒子的聚集程度與顆粒大小有關。此外，教師還可以從化學工作者研究的視角介紹膠體化學研究的領域：從膠體的研究開始，化學形成了一個分支叫做界面化學，界面化學的研究運用包括乳化、固體的表面修飾、微納米粒子的合成、界面合成和膜分離等。讓學生了解到雖然他們今天學習的內容比較簡單，但是由此引發和衍生的學科以及跨學科研究的空間是非常廣闊的。

2.設計意圖

活動4是模型運用的活動，這里的知識運用與知識拓展分別代表了兩個水平層次的運用。知識運用環節是將修正后的膠體模型應用在與前面的學習活動類似情境的問題中，而知識拓展從膠體到了不同微粒聚集狀態對于物質性質的影響，是將物質微粒大小與物質性質之間關系的模型應用于新情境的問題中。

五、結束語

要讓學生在學習中自己發現異常現象并且自發性地意識到自己的理論不足是非常困難的。一般來說，學習者不太喜歡修改自己的已有概念，不太愿意重建自己的概念。因此，在教學中教師可以從異常現象出發，將學習過程分解為預測、觀察、解釋、可視化建模與比較等五個步驟。[1]通過這幾個學習步驟讓學生認識到模型是可以改變的，每個模型都有一定的局限性，在使用不同的證據來檢驗模型時若產生新的結果，則必須對模型進行修正。在這個學習過程中，讓學生模型認知的素養得到相應水平層級的提升。

基于核心素養的課程實施需要讓學生能夠像科學家那樣思考與學習。在教學中教師應努力做到以下三點：一是讓學生擁有對學科知識、學科基本概念和原理的認識與理解;二是鼓勵學生開展學科實踐活

動，引導他們用化學家思考與實踐方式開展學習;三是幫助學生組織并整合來自社會和生活等不同領域的知識與實踐，形成一個連貫而科學的世界觀。[2]這就要求教師在課程實施中準確把握課程標準，整合不同學習材料，設計符合學生認知與核心素養發展的學習活動，把更多的時間投入到關于學科素養發展和學科觀念建構的教學中。

參考文獻

[1]吳星，呂琳，景崤壁.化學學科核心素養中“模型認知”的解讀[J].化學教學，2020（6）：3-8.

[2]王峰.核心素養導向的高中化學教師課程實踐力提升路徑研究[D].上海：華東師范大學，2020.