培養(yǎng)學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教材分析研究
——以高中化學(xué)必修內(nèi)容為例

高曉彤 李德高

(甘肅省蘭州新區(qū)舟曲中學(xué) 730087)

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 化學(xué)教材中涵蓋的“模型”類型分析

化學(xué)建模思想是指在解決化學(xué)問(wèn)題時(shí)，為了揭示事物的本質(zhì)以及研究的方便，用化學(xué)語(yǔ)言和方法，從復(fù)雜的問(wèn)題、條件和現(xiàn)象中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化抽象得出化學(xué)模型的過(guò)程.通過(guò)分析人教版化學(xué)教材中各章節(jié)內(nèi)容的呈現(xiàn)新式，挖掘出教材編寫(xiě)者所運(yùn)用的模型思想，并對(duì)模型的形式進(jìn)行了分類，分為圖表模型、數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)模型、規(guī)律模型等類別，各章節(jié)所包含模型類別見(jiàn)表1.

表1

1.2 教材中化學(xué)模型的功能價(jià)值

圖表模型主要包括圖片與表格兩種方式.化學(xué)教材中含有大量的圖片內(nèi)容，它們的作用主要是直觀展示化學(xué)儀器、物質(zhì)形態(tài)、實(shí)驗(yàn)裝置、操作步驟、特殊現(xiàn)象、變化過(guò)程、工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用等.表格內(nèi)容主要存在于教材內(nèi)容的資料卡片、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)踐活動(dòng)、科學(xué)視野、課后歸納總結(jié)中，其作用主要包括：列舉關(guān)鍵數(shù)據(jù)，給出關(guān)鍵性質(zhì)，記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程(包含實(shí)驗(yàn)步驟、現(xiàn)象、結(jié)論、反應(yīng)方程式等)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)照，歸納總結(jié)知識(shí)等.這種對(duì)知識(shí)的呈現(xiàn)方式，能夠激發(fā)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生本學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)習(xí)者快速獲取有效信息，掌握關(guān)鍵技能，形成學(xué)科邏輯思維.

數(shù)學(xué)模型主要集中在《化學(xué)計(jì)量在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用》這一章節(jié)，圍繞“物質(zhì)的量”給出的幾個(gè)計(jì)算公式，以及由此衍生的一系列化學(xué)計(jì)算方式，充分凸顯了“物質(zhì)的量”是宏觀聯(lián)系微觀的“橋梁”，也彰顯了“物質(zhì)的量”在化學(xué)計(jì)算的重要作用.化學(xué)作為理科的重要組成學(xué)科，學(xué)習(xí)、應(yīng)用和應(yīng)試考查之中均包含了大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，要求學(xué)習(xí)者具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，數(shù)學(xué)公式模型將幫助學(xué)生提升運(yùn)算能力，加深對(duì)概念的理解.

結(jié)構(gòu)模型在教材中按照原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的順序發(fā)展，包含元素周期表、原子結(jié)構(gòu)示意圖、化學(xué)式、電子式、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式、鍵線式、空間構(gòu)型、球棍模型、比例模型等內(nèi)容，從微觀和宏觀兩個(gè)層面揭示了化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，給學(xué)習(xí)者建立起“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的化學(xué)觀念.

規(guī)律模型主要包含物質(zhì)的類別、性質(zhì)、化學(xué)概念、反應(yīng)類型、反應(yīng)原理、認(rèn)知方式、思維方法和正確觀念等.例如氧化還原反應(yīng)原理、元素周期律、原電池反應(yīng)原理、化學(xué)平衡等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，都采用規(guī)律模型的方式呈現(xiàn)和總結(jié)，對(duì)于認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)具有促進(jìn)作用.

2 研究成果與教學(xué)策略分析

2.1 現(xiàn)有模型結(jié)構(gòu)下的教學(xué)效果評(píng)測(cè)

通過(guò)分析研究教材中模型構(gòu)建的類型與特點(diǎn)，不難發(fā)現(xiàn)，這些模型對(duì)應(yīng)的知識(shí)難度是比較簡(jiǎn)單的，對(duì)學(xué)生的能力要求也是相對(duì)比較容易的.換言之，在教師的引導(dǎo)下，按部就班地完成教學(xué)任務(wù)，可以很容易促進(jìn)學(xué)生掌握基本知識(shí)和技能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生A、B層次能力(見(jiàn)表2)的發(fā)展，但是，在素養(yǎng)導(dǎo)向和能力探查的現(xiàn)行高考體制下，以及未來(lái)社會(huì)對(duì)人才高標(biāo)準(zhǔn)選擇的競(jìng)爭(zhēng)壓力趨勢(shì)下，對(duì)學(xué)生素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)要提高標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)法促進(jìn)學(xué)生C層次水平能力的發(fā)展.

表2

2.2 高階認(rèn)知模型的構(gòu)建與教學(xué)策略分析

2.2.1 以“元素化合物”板塊教學(xué)為例，要對(duì)原有課本中各章節(jié)的零散知識(shí)分布進(jìn)行系統(tǒng)整合

高度抽象出認(rèn)識(shí)對(duì)象、化學(xué)問(wèn)題、能力任務(wù)、認(rèn)識(shí)角度等重要的認(rèn)識(shí)變量，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)內(nèi)容的系統(tǒng)歸納和高階認(rèn)識(shí)，如圖1所示.

圖1

2.2.2 以“原電池工作”原理的認(rèn)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(xué)反應(yīng)原理的多重認(rèn)知角度，整合為高階認(rèn)知模型(如圖3所示)，方便學(xué)生從根本上認(rèn)識(shí)原電池工作的基本原理，有利于學(xué)生建構(gòu)解決電化學(xué)問(wèn)題的基本思維模型.

圖2

圖3

2.2.3 價(jià)類二維圖是元素化合物教學(xué)中幫助學(xué)生建構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)式思維方式最常見(jiàn)的工具，其橫坐標(biāo)是物質(zhì)類別，縱坐標(biāo)是元素化合價(jià).以“元素及其化合物的轉(zhuǎn)化”為內(nèi)容構(gòu)建的模型——價(jià)類二維圖，可以加深學(xué)生對(duì)于物質(zhì)類別、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)等知識(shí)的認(rèn)識(shí)，大力促進(jìn)能力水平的發(fā)展.例如，價(jià)類二維圖在元素化合物教學(xué)“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(zhì)類別和氮元素化合價(jià)放入價(jià)類二維圖中，教師在授課環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生自主完成價(jià)類二維圖，再進(jìn)行補(bǔ)充.價(jià)類二維圖在元素化合物教學(xué)中主要的功能是從物質(zhì)類別和元素化合價(jià)角度預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)的性質(zhì)及物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，幫助學(xué)生建立認(rèn)識(shí)物質(zhì)的角度.本節(jié)課需要完成的知識(shí)目標(biāo)是一氧化氮和二氧化氮，教師可以從驚蟄過(guò)后開(kāi)始播種這樣的生活情境引入課堂，并逐步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到在放電條件下氮?dú)夂脱鯕饨Y(jié)合生成了一氧化氮.在二氧化氮溶于水的產(chǎn)物判斷時(shí)用到了價(jià)類二維圖，首先通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，再讓學(xué)生結(jié)合價(jià)類二維圖預(yù)測(cè)產(chǎn)物.這樣教學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于一方面讓學(xué)生對(duì)含氮元素化合物有了全面系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，另一方面培養(yǎng)學(xué)生預(yù)測(cè)陌生物質(zhì)性質(zhì)的能力，落實(shí)了化學(xué)學(xué)科思維方法.

2.3 基于發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例，如有機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)：搭建常見(jiàn)有機(jī)物分子球棍模型

2.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

在有機(jī)物的學(xué)習(xí)和研究之中，對(duì)于有機(jī)物分子的結(jié)構(gòu)了解是研究其性質(zhì)的基礎(chǔ)，因?yàn)榇蟛糠钟袡C(jī)物分子結(jié)構(gòu)空間構(gòu)型復(fù)雜，學(xué)生理解起來(lái)比較抽象，成為學(xué)習(xí)中的障礙.而借助球棍模型的搭建，可以讓學(xué)生更加具象地認(rèn)識(shí)有機(jī)物的結(jié)構(gòu).學(xué)生通過(guò)搭建一系列有機(jī)物分子的實(shí)物模型，觀察原子間連接的順序，識(shí)別結(jié)構(gòu)中的官能團(tuán)，分析化學(xué)鍵的特點(diǎn)，建立起對(duì)有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)的深刻認(rèn)識(shí).

2.3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

環(huán)保型中學(xué)有機(jī)球棍模型套裝(26套)，橡皮泥30袋，牙簽(木小棍)26盒.

2.3.3. 實(shí)驗(yàn)要求

2.3.3.1 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室禁止大聲喧嘩，服從實(shí)驗(yàn)老師安排；愛(ài)護(hù)公物，嚴(yán)禁私自把實(shí)驗(yàn)用具帶出實(shí)驗(yàn)室；兩位同學(xué)分為一個(gè)小組；注意實(shí)驗(yàn)安全.

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

2.3.3.3 每個(gè)小組派出一名代表分享本小組分子模型制作的過(guò)程，展示成果.

2.3.4 實(shí)驗(yàn)步驟及任務(wù)(見(jiàn)表3)

表3