初中化學模型建構的路徑與教學策略探究

盧名遠

【摘要】發展學生建模能力是初中化學核心素養“科學思維”的重要組成部分。本文以《金屬的化學性質》為例，對其教學實施流程、設計意圖進行分析，闡述以問題鏈為抓手，通過實驗探究培養學生的證據推理和建模能力的教學設計。

【關鍵詞】核心素養;建構模型;初中化學;金屬的化學性質

《義務教育化學課程標準（2022年版）》在描述“科學思維”核心素養時明確提出要基于實驗事實進行證據推理、建構模型并推測物質及其變化的思維能力。同時也指出：科學探究過程包括設計并實施實驗或調查方案、獲取證據、分析解釋數據、形成結論及建構模型等要素。從中可知，在課堂教學中通過實驗探究解決實際問題，是將證據推理與模型建構落到實處的有效做法。以下是筆者在《金屬的化學性質》的教學中，探索以問題鏈為抓手，通過實驗探究培養學生的“建構模型”素養的路徑與教學策略。

一、基本策略與思路

科學模型的建構需要以事實線索為依據，以方法運用為導向，以認知過程為路徑。因此，從線索上看，就是基于真實問題情境，以問題鏈為線索，在問題解決中獲取證據，進而建構相應的科學模型;從方法上看，可引導學生以觀察、實驗等方法，獲取化學事實并進行分析概括、建構模型，從而促進學生認識模型建構及其應用的意義;從過程上看，就應遵循模型構建的基本過程來設計教學，即按照“模型建立→模型效化→模型應用”的路徑，推進學生理解科學本質，并逐漸提高其建模能力?？傮w上說，就是形成融合真實情境、實驗探究和模型建構的建構模型教學思路，如圖1所示。

二、具體教學與建構過程

（一）創設情境，觸發思考

情境1：金屬在生活中被廣泛應用，如電線、鑰匙、水壺、汽車等。

情境2：閱讀材料：“我國鐵礦儲量（1834處礦區，礦石總儲量463億噸）遠遠大于銅礦儲量（910處礦區，礦石總儲量6243萬噸）。

問題：為什么銅的開發利用卻比鐵要早1300多年……？

學生展開分享交流。

設計意圖：創設引發認知沖突的真實問題情境，激發學生未知欲望。并以此為線索，引導學生的學習。

（二）“頭腦風暴”，初建模型

師：金屬的開發利用，與它的性質、用途和冶煉工藝有關。而冶煉工藝的選擇，又決定于金屬的化學性質。金屬能與哪些物質發生反應，金屬具有什么化學性質？

生1：有些金屬具有可燃性，能與O2反應，如Mg、Fe。

生2：金屬能與酸發生反應，如，用Zn與稀硫酸制氫氣。

生3：在研究質量守恒定律時，我發現Fe與CuSO4溶液能發生反應。

師：像CuSO4溶液一類我們稱之為金屬化合物溶液。

師：（展示初步建構的認知模型，如圖2）是否所有的金屬都能與氧氣、酸溶液和金屬化合物溶液發生反應呢？下面我們對這個問題進行研究。

設計意圖：模型建立是確定所選模型的相關成分與結構，從而建立個人解決問題的初步模型。基于學生已有知識經驗，采用提問、歸納、示范等方法，幫助學生初步建構認知模型。模型的初建為模型效化提供基礎，也為學生進一步探究金屬的化學性質以及問題的解決提供了框架與方向。

（三）微課導學，溫故知新

在金屬與氧氣反應的教學中，以完成課前學習任務的方式，結合微課導學，提供直觀素材，幫助學生溫故知新。

通過微課學習、討論交流，發現：

1.大多數金屬能與O2反應，Au不能;

2.不同金屬與O2反應的難易程度、劇烈程度不同，金屬的活動性存在差異;

3.Mg比較活潑，Fe、Cu次之，Au最不活潑。

設計意圖：對于較熟悉的金屬與氧氣的反應，采用課前微課導學，幫助學生回顧、對比現象，自主歸納其化學性質，并感受金屬活動性的差異。

（四）內化新知，修正模型

1.與氧氣反應

教師展示修正的認知模型，如圖3：

師：（核對具體認識）通常，金屬與氧氣越容易發生反應或反應越劇烈的，其活動性是越強還是越弱？

生：活動性越強。

2.與酸溶液反應

疑問：金屬與其它物質反應時，是否也有類似的差異？

師： 演示：Zn與稀硫酸反應，并將燃著的木條伸到試管口，驗證所得氣體為H2。

學生開展分組實驗（探究Mg、Fe、Cu、Ag與稀H2SO4的反應），收集證據，匯報實驗結果。

生1：Mg、Fe能與稀H2SO4反應，而Cu、Ag不能。

生2：只有部分金屬能與稀硫酸反應，生成H2。

生3：不同金屬與酸溶液反應的劇烈程度不同。

師：很好！請同學根據資料（溶液中含Fe2+時，顯淺綠色;含Fe3+時，顯黃色），仿照Zn與稀硫酸的反應方程式，寫出鎂、鐵對應的化學方程式。

完成后，引導學生分析三個反應中反應物、生成物的特點，歸納置換反應的概念。

師：置換反應可以用通式A+BC=AC+B表示，其中，A能置換出BC中的B。如此類推，Mg、Fe都能置換出稀H2SO4中的H，而Cu、Ag不能。

繼續引入問題：將稀H2SO4換作鹽酸，現象是否一致呢？實驗設計如圖4所示：四種金屬放于多空井穴板中（底部有標簽）。在實物投影下，教師按照Ag、Cu、Fe、Mg的順序加入鹽酸。

設計意圖：改進實驗，節約藥品但現象明顯，體現綠色化學理念。

教師展示再次修正的認知模型，如圖5：

通過以上探究，學生發現只有部分金屬能與酸發生反應，反應的劇烈程度存在差異。由此引導學生歸納四種金屬的活動性順序。

生1：活動性Mg>Fe>Cu>Ag

生2：活動性Mg>Fe>Ag>Cu

師：究竟哪種排序正確呢？我們可以利于金屬與金屬化合物溶液的反應進行探究。

設計意圖：改進教材實驗的設計，選用鎂、鐵、銅及銀四種金屬進行實驗，不僅了解了金屬與酸的反應，又在探究中生成新問題，提高探究性，有利于培養學生的證據意識、問題意識和化學思維。并為模型的進一步建構，提供了真實情境。

3.與金屬化合物溶液反應

拓展思維：從熟悉的Fe與CuSO4溶液反應出發，Fe能把CuSO4溶液中的Cu置換出來，是因為Fe比Cu活潑。由此啟發設計比較Cu、Ag活動性的實驗。

生1：將Cu浸入AgNO3溶液中，如果發生置換反應，則說明Cu比Ag活潑。

生2：也可以將Ag浸入Cu（NO3）2溶液中，如果不能發生置換反應，同樣可以說明Cu比Ag活潑。

學生按照設計的實驗方案進行實驗，收集證據，得出結論：Mg>Fe>Cu>Ag。

教師展示第三次修正的認知模型，如圖6：

設計意圖：兩線并進，層層遞進，不斷探究金屬活動性。以一氣呵成的問題鏈引導，反復比較、試驗、排序，既完成了對化學性質的學習，又實現了金屬活動性的探究。通過不斷破模，建立起了更科學的思維模型。

（五）拓展延伸，發展素養

接著，建構接近完整的金屬活動性順序模型。

師：在金屬活動性順序中，金屬的位置越靠前，它的活動性越強。排在H前的金屬能與鹽酸或稀硫酸反應生成H2.排在前面的金屬能把后面的金屬從它們的化合物溶液中置換出來。

同時，介紹鋁在金屬活動性順序中的位置及其冶煉史，讓學生進一步感受冶煉工藝的改進對金屬開發的推動作用，感悟化學使生活更美好。

教師展示第四次修正的認知模型，如圖7：

設計意圖：基本完成認知模型的效化。每一次在學生內化新知、修正模型之后，都將新的思維模型進行展示，使建模的過程外顯，讓學生體驗建模的思路和方法，并內化為建模能力。

（六）優化新知，學以致用

以鑒別“真假黃金”的任務，串聯起整節課的知識，活學活用。同時，很好地激發了學生興趣。

設計意圖：在新情境中應用模型。根據已建立的模型，學生可以設計多種方法對“真假黃金”進行檢驗。通過實驗探究解決實際問題，檢驗模型的適切性，同時收獲使用模型解決問題的成就感。

三、效果與反思

學生走進化學課堂時，頭腦中已經具有了相關的知識經驗，是可以建構一定的化學模型的。同時，知識學習過程和模型建構過程是互為配合、互為輔助的。而融合真實情境的線索、實驗探究的方法和模型建構的過程的教學思路，在引導學生以化學思維視角學習化學知識的同時，不僅培養了學生的建模能力，而且發展了學生的核心素養。

參考文獻：

[1]教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）[M].北京師范大學出版社，2022.

[2]劉雅麗，濮江，周青.發展學生建模能力的教學案例研究[J].化學教學，2019（9）.

責任編輯? 胡春華