培養學生“模型認知”素養的教材分析研究

摘 要：通過分析教材，尋找人教版教材必修一、必修二中關于“模型”的內容，對“模型”進行分類和功能分析，并進行認知模型的功能實效性預測.在此基礎上，改進原有認知模型，構建高階認知模型，制定出教學策略，設計新的教學內容和教學方式，以此來提升教學質量，發展學生的素養水平.

關鍵詞：認知模型；模型構建；教材分析；高中化學

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2023）03-0125-03

1 研究內容

1.1 化學教材中涵蓋的“模型”類型分析化學建模思想是指在解決化學問題時，為了揭示事物的本質以及研究的方便，用化學語言和方法，從復雜的問題、條件和現象中經過簡化抽象得出化學模型的過程.通過分析人教版化學教材中各章節內容的呈現新式，挖掘出教材編寫者所運用的模型思想，并對模型的形式進行了分類，分為圖表模型、數學模型、結構模型、規律模型等類別，各章節所包含模型類別見表1.

1.2 教材中化學模型的功能價值

圖表模型主要包括圖片與表格兩種方式.化學教材中含有大量的圖片內容，它們的作用主要是直觀展示化學儀器、物質形態、實驗裝置、操作步驟、特殊現象、變化過程、工業生產、生活應用等.表格內容主要存在于教材內容的資料卡片、實驗探究、實踐活動、科學視野、課后歸納總結中，其作用主要包括：列舉關鍵數據，給出關鍵性質，記錄實驗過程（包含實驗步驟、現象、結論、反應方程式等），進行實驗對照，歸納總結知識等.這種對知識的呈現方式，能夠激發學習者產生本學科的學習興趣，幫助學習者快速獲取有效信息，掌握關鍵技能，形成學科邏輯思維.

數學模型主要集中在《化學計量在實驗中的應用》這一章節，圍繞“物質的量”給出的幾個計算公式，以及由此衍生的一系列化學計算方式，充分凸顯了“物質的量”是宏觀聯系微觀的“橋梁”，也彰顯了“物質的量”在化學計算的重要作用.化學作為理科的重要組成學科，學習、應用和應試考查之中均包含了大量的數學計算，要求學習者具有較強的運算能力，數學公式模型將幫助學生提升運算能力，加深對概念的理解.

結構模型在教材中按照原子結構、分子結構、物質結構的順序發展，包含元素周期表、原子結構示意圖、化學式、電子式、結構式、結構簡式、鍵線式、空間構型、球棍模型、比例模型等內容，從微觀和宏觀兩個層面揭示了化學物質的結構，給學習者建立起“結構決定性質，性質決定用途，性質反映結構”的化學觀念.

規律模型主要包含物質的類別、性質、化學概念、反應類型、反應原理、認知方式、思維方法和正確觀念等.例如氧化還原反應原理、元素周期律、原電池反應原理、化學平衡等內容的學習，都采用規律模型的方式呈現和總結，對于認識化學反應具有促進作用.

2 研究成果與教學策略分析

2.1 現有模型結構下的教學效果評測

通過分析研究教材中模型構建的類型與特點，不難發現，這些模型對應的知識難度是比較簡單的，對學生的能力要求也是相對比較容易的.換言之，在教師的引導下，按部就班地完成教學任務，可以很容易促進學生掌握基本知識和技能，實現學生A、B層次能力（見表2）的發展，但是，在素養導向和能力探查的現行高考體制下，以及未來社會對人才高標準選擇的競爭壓力趨勢下，對學生素養和能力的培養要提高標準，設法促進學生C層次水平能力的發展.

2.2 高階認知模型的構建與教學策略分析

2.2.1 以“元素化合物”板塊教學為例，要對原有課本中各章節的零散知識分布進行系統整合

高度抽象出認識對象、化學問題、能力任務、認識角度等重要的認識變量，加深學生對知識內容的系統歸納和高階認識，如圖1所示.

2.2.2 以“原電池工作”原理的認知，可以將其從課本中的圖表模型（如圖2所示），深度融入電化學反應原理的多重認知角度，整合為高階認知模型（如圖3所示），方便學生從根本上認識原電池工作的基本原理，有利于學生建構解決電化學問題的基本思維模型.

2.2.3 價類二維圖是元素化合物教學中幫助學生建構系統結構式思維方式最常見的工具，其橫坐標是物質類別，縱坐標是元素化合價.以“元素及其化合物的轉化”為內容構建的模型——價類二維圖，可以加深學生對于物質類別、物質轉化、氧化還原反應等知識的認識，大力促進能力水平的發展.例如，價類二維圖在元素化合物教學“氮及其重要化合物”中的作用，

以氮元素為例，可以將所有含氮化合物按照物質類別和氮元素化合價放入價類二維圖中，教師在授課環節可以讓學生自主完成價類二維圖，再進行補充.價類二維圖在元素化合物教學中主要的功能是從物質類別和元素化合價角度預測陌生物質的性質及物質之間的轉化，幫助學生建立認識物質的角度.本節課需要完成的知識目標是一氧化氮和二氧化氮，教師可以從驚蟄過后開始播種這樣的生活情境引入課堂，并逐步引導學生認識到在放電條件下氮氣和氧氣結合生成了一氧化氮.在二氧化氮溶于水的產物判斷時用到了價類二維圖，首先通過學生實驗讓學生觀察實驗現象，再讓學生結合價類二維圖預測產物.這樣教學的優勢在于一方面讓學生對含氮元素化合物有了全面系統的認識，另一方面培養學生預測陌生物質性質的能力，落實了化學學科思維方法.

2.3 基于發展“模型認知”素養的實驗教學實例，如有機實驗教學：搭建常見有機物分子球棍模型

2.3.1 實驗目的

在有機物的學習和研究之中，對于有機物分子的結構了解是研究其性質的基礎，因為大部分有機物分子結構空間構型復雜，學生理解起來比較抽象，成為學習中的障礙.而借助球棍模型的搭建，可以讓學生更加具象地認識有機物的結構.學生通過搭建一系列有機物分子的實物模型，觀察原子間連接的順序，識別結構中的官能團，分析化學鍵的特點，建立起對有機物分子結構的深刻認識.

2.3.2 實驗儀器

環保型中學有機球棍模型套裝（26套），橡皮泥30袋，牙簽（木小棍）26盒.

2.3.3. 實驗要求

2.3.3.1 進入實驗室禁止大聲喧嘩，服從實驗老師安排；愛護公物，嚴禁私自把實驗用具帶出實驗室；兩位同學分為一個小組；注意實驗安全.

2.3.3.2 按照要求、分小組完成以下分子結構模型的制作，注意觀察各物質的成鍵方式，觀察原子的空間分布情況.

2.3.3.3 每個小組派出一名代表分享本小組分子模型制作的過程，展示成果.

2.3.4 實驗步驟及任務（見表3）

參考文獻：

［1］ 盧勝彬.高中化學建模教學的研究［D］. 桂林：廣西師范大學， 2015.

［2］ 張美芳.建模思想在高中化學教學中的應用［D］.蘇州：蘇州大學，2015.

［3］ 朱心奇.建模思想與解決化學問題能力的培養［J］.化學教育，2005（05）：31-33.

［責任編輯：季春陽］

收稿日期：2022-10-25

作者簡介：高曉彤（1993.2-），女，甘肅省莊浪人，本科，中學二級教師，從事高中化學教學研究；

李德高（1992.6-），男，甘肅省隴南人，本科，中學一級教師，從事高中化學教學研究.