模型認知：知識模型與認識模型

摘要： 以NH3、 N2H4和NxHy等物質為載體，融入NH3的空間結構、物理性質、化學性質（弱堿性、氧化性、還原性）及制備方法等學科知識，建立氮氫化合物內容的知識模型。從NH3→N2H4→NxHy，以熟悉物質的結構和性質關系為原型，類比、預測、求證N2H4的知識，遷移NxHy的認識，建立“原型類比（模仿與創新）求證”的氮氫化合物認識模型，加深與鞏固“結構決定性質”的學科思想。

關鍵詞： 知識模型； 認識模型； 氮氫化合物； 單元教學； 遷移推理

文章編號： 10056629（2023）07008904

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

一般復習課具有三重層次：第一層次是知識的羅列與再現；第二層次是以情境設計主線，將復習內容有機整合；第三層次則是既對所學知識進行重整、聯前啟后，更是將學科內看似“獨立”的內容從內在本質上進行聯系與整合，是一次綜合再提升的過程［1］。對于氮氫化合物的復習，往往是說到氨氣就是其結構、性質、制備和用途的再現，談到N2H4主要是關于鍵能與熱化學方程式的書寫。僅停留在此層次的復習是遠遠不夠的，在此以“氮氫化合物”單元復習為例，從知識模型與認識模型闡釋“模型認知”學科核心素養的培育。

1 對知識模型與認識模型的理解

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對模型認知的表述為：知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象和本質特征、構成要素及其相互關系，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［2］。“模型認知”是化學學科核心素養，究竟什么是模型？高中化學的學習模型包括哪些內容？帶著這樣的思考研讀了陳進前老師［3］的文章及專家學者們的說法。筆者認為，在教學過程中首先要認識和辨清化學知識模型（學科內容、學科本質）和認識模型（研究方法、認識方式）的區別和關聯。

化學知識模型是指從化學視角認識和描述物質結構和性質、概念和原理。例如，對于原子，不僅要知道可以通過得失電子形成離子，或者通過化學鍵形成分子或物質，在化學變化中探討原子的重新組合；還需要弄清楚科學規則下的概念、內涵和外延，同樣是對原子的認識，原子包括原子核和電子，原子核帶正電荷與電子帶負電荷且正負電荷數相等，其質量主要集中在原子核，原子是一個空心體，電子在一定的軌道上繞著原子核飛速運動等。而認識模型是指研究方法、研究策略與研究設計。對于原子，一是研究其質量、構成、變化、計量（相對原子質量、物質的量）；二是通過重走科學家的認識與研究路線體驗“假設實證結論”的反復實踐與修正過程，建立自己的認識；三是通過類比宏觀運動理解原子結構，通過電性作用認識原子間組合的原因與定比關系。

知識模型是認知的對象，基于某核心知識的相關內容結構化，建立知識體系。認識模型是怎樣獲取知識、理解知識內涵與外延、構建知識體系的認知思維方式。知識模型是對象，認識模型則是工具。

2 從課程標準中厘清氮氫化合物的知識模型

高中化學研究“氮氫化合物”的哪些內容？課堂教學需要學生學習的具體內容是什么？這些內容之間有怎樣的內在聯系？帶著這些問題分析“氮氫化合物”的知識，構建其結構化的知識模型。氮是第2周期第ⅤA族元素，在化學反應中通?？梢缘玫?個電子（或形成3個共用電子對）達到8電子穩定結構；氮原子之間通過σ鍵和π鍵結合，多個N原子有一定的位置關系（共價鍵的方向性）；氮原子通過共用電子對與氫原子結合，基于氮氫原子電負性差異，知道氮具有較強的還原性，氫具有氧化性。下面以最簡單的氮氫化合物NH3為例，列舉與構建“氮氫化合物”的知識模型。NH3分子結構特征、微粒間的作用力、性質、用途、制備與保存等化學知識，還要認識上述知識間的內在關系，如結構與性質、性質與用途、性質與保存之間的關系等。

（1） 氨氣分子是四面體結構（三角錐形），結合一個質子（氨氣分子有孤電子對）形成的NH+4是正四面體結構；

（2） 氨氣具有氧化性與還原性；

（3） 氨氣易液化，極易溶于水；

（4） 氨氣的工業制法和實驗室制法；

（5） 氨氣可以用作氮肥與制冷劑；

（6） N2H4也具有與NH3類似的性質；

（7） 多氮氫化物（NxHy）也具有與N2H4、 NH3相似的性質。

它們之間存在下述關系，見圖1。

為什么NH3不是平面（正）三角形？這就與微粒間作用力有關，因為氨分子中存在3個共用電子對和1個孤電子對，4個電子對之間存在電性排斥致電子對相距盡可能遠（不能脫離氮原子核），孤電子對與鍵合電子對排斥力大于鍵合電子對之間的排斥力，所以呈現三角錐形，再接受1個質子，通過4個鍵合電子對形成NH+4，此時各個電子對之間作用力相同，形成正四面體。而看似相似的BF3，硼原子與氟原子只形成3個共用電子對，沒有孤電子對排斥，所以是平面（正）三角形。

為什么NH3分子可以形成配位鍵？因為NH3分子中的氮原子有孤電子對，能夠吸引質子（H+，有一個空軌道），形成由氮原子提供1對電子的特殊共價鍵，稱為配位鍵。由于NH3中有孤電子對，能夠接受質子而呈堿性。

為什么NH3分子極易溶于水和易液化？由于NH3分子中氮氫之間共用電子對偏向氮原子（電負性強），導致H原子因電子對偏離而成為裸露的質子，有強正電性，遇到有孤電子對且非金屬性強的原子（N、 O、 F）時會形成一種較強的電性作用——氫鍵。NH3分子之間因氫鍵締合，易液化；NH3與H2O分子間形成氫鍵，則水溶性好。

為什么NH3有還原性和氧化性？NH3分子中氮元素顯3價，可以發生氧化反應（外界氧化劑作用）生成含氮物質，如N2、 NO等。NH3分子中H顯+1價，可以發生還原反應，如與活潑金屬反應生成H2，并且由于NH3分子中H原子相同，所以均可以被還原，根據活潑金屬與NH3的定量關系可生成NH-2、 NH2-、 N3-等微粒。

怎樣可以得到氨氣？可以由銨鹽（含有NH+4）與能結合質子的微粒作用，使其失去質子產生NH3，也可以由N2和H2化合產生NH3，或者由濃氨水分解產生NH3。選用哪一種制備方法，與原料、設備、用量及成本有關。

依據NH3的知識模型，推測N2H4和NxHy的結構與性質，筆者在教學實踐中與學生一起探討N2H4和NxHy的結構與性質，評估學生知識的理解與遷移運用能力，構建NxHy結構與性質的認識模型。

3 構建氮氫化合物的認識模型

怎樣構建“氮氫化合物”認識模型？元素化合物學習中統攝性大概念是“結構決定性質”，重要的方法是類比（模仿與創新），模仿是近遷移，創新是遠遷移。通過NH3的復習，類推到對N2H4的知識理解，形成類推中“結構決定性質”觀念的實踐，進一步遷移認識NxHy化合物。構建結構到性質的認識模型，如圖2所示。

3.1 構建配位鍵“空軌道孤電子對”認識模型

怎樣認識氮氫化合物中氮原子與H+形成配位鍵與配合物？是不是所有的氮氫化合物都可以與H+形成特殊的共價鍵（配位鍵）呢？答案是肯定的，因為氮原子有孤電子對，而H+存在空軌道，也就是說NH3、 N2H4、 NxHy都可以與H+形成配位鍵，在知識學習過程中形成思維程序，獲得研究方法。延伸有孤電子對的微粒與有空軌道的H+可以形成這類配位鍵，所以H2O、 H2O2、 H2S等也都可以形成配位鍵。如果能夠根據學生學習能力適時地提一下NH3分子中的孤電子對不僅能與H+形成配位鍵，也可以與一些金屬陽離子形成配位鍵（金屬陽離子提供空軌道，配體提供孤電子對），由此聯想到［Ag（NH3）2］+、 ［Cu（NH3）4］2+等，再讓學生解釋［Cu（H2O）4］2+、 ［CuCl4］2-、 ［Al（OH）4］-、 ［Fe（SCN）6］3-等。新課學習時這些絡合離子都是獨立無關聯的（稱為碎片化的知識），通過復習教學建立關聯（結構化知識），這就是絡合離子（有空軌道的金屬陽離子與含有孤電子對的微粒通過配位鍵結合）的聯系與結構化的認識，構建配位鍵形成的認識模型，如圖3所示。

3.2 構建物質“結構微粒間作用價態”認識模型

第一，怎樣認識氮氫化合物的空間結構與堿性？氮氫原子間通過共用電子對形成獨立的NH3，再通過分子間作用力聚集在一起，由于3個鍵合電子對及孤電子對之間存在較強的作用力，電子對之間位置盡可能遠，所以是四面體結構（三角錐形）。由于NH3分子中的N原子還具有孤電子對，所以可以接受一個H+形成NH+4后的4個鍵合電子完全相同，所以NH+4是正四面體結構。學生順著這樣的思路分析N2H4成鍵情況和孤對電子，發現兩個N原子上均存在孤電子對，所以都可以接受質子，也具有堿性，寫出其在水中的電離方程式，自然而然地關注N2H4的一級電離和二級電離，提供電離平衡常數，比較判斷N2H4的堿性與氨的強弱？有了NH3、 N2H4的認識，模仿烷烴學生寫出了N3H5、 N4H6…NxHx+2，課堂教學中有學生寫出HNNH、 HNN—NH2、 NN（就是單質N2）等，從類比烷、烯到炔，這就是教學的生成。同時筆者又提出P、 Si等元素是否也存在這樣類似的氫化物，這是人類繼打開無機物到有機物這扇窗之后，又可能打開的另一扇“類有機物”的大門。

第二，怎樣認識含氮氫化合物之間是否存在氫鍵？因為氮的電負性比較強，所以氮氫鍵中共用電子對偏向氮原子明顯，導致氫原子如同裸露的質子（H+，有很強的正電性），又會與電負性很強且有孤對電子的原子（N、 O、 F）之間形成氫鍵，這就是氫鍵的學科本質。由于氫鍵的作用，NH3、 N2H4、 NxHy等與H2O締合，可能導致溶解性增強，也可能形成水合物等。NH3與H2O分子間形成氫鍵，不僅水溶性增大，還會增加了H2O的電離，使得溶液呈堿性，NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-，推測NH3分子之間的氫鍵是否也會導致NH3分子電離，如NH3+NH3NH+4+NH-2，通過電離常數比較，得出NH3自耦電離和NH3在H2O中電離能力強弱，了解NH3的自耦電離（不需要講這些概念與理論），同理N2H4、 NxHy也會有自耦電離，教師提供電離平衡常數，學生通過比較分析，得出結論，獲得成就感，結構化認識物質結構與性質，留有延伸性的思考，這就是復習教學的價值。

第三，怎樣認識NH3和NxHy的氧化性與還原性？從化合價（電性）角度來分析氮氫元素的化合價，氮是-3價，氫是+1價，NH3既有還原性又有氧化性，幫助學生學會從元素化合價視角認識物質可能的氧化性或還原性，再通過實驗進行實證，與自己的預測進行一致性分析，建立從化合價分析物質氧化性與還原性的認識模型，如圖4所示。

引導學生預測NH3與活潑金屬Na、金屬氧化物CuO等反應可能的產物并寫出相應的化學方程式，以此類推N2H4、 NxHy與上述物質反應可能的產物分析，實踐并鞏固“結構決定性質”的學科思想。通過物質的微觀結構、微粒間作用、價態等視角預測可能的性質，并進行分析論證，拓展延伸未知物結構與性質預測，構建基于“結構微粒間作用價態”物質性質的認識模型。

3.3 構建“價態（類別）升降（酸堿）”物質制備認識模型

怎樣認識NH3的制取方法？如果僅是讓學生說出和書寫實驗室用“銨鹽與熟石灰”反應制取氨氣，工業上用“N2+H2”反應制取氨氣，這就沒有復習教學的意義，純粹是知識的再現過程。復習教學更重要的是幫助學生建立NH3制取方法的認識模型，如圖5所示。

復習教學實踐中，第一步讓學生寫出自己熟悉的含氮物質；第二步標出氮元素化合價，并與目標產物（NH3）中氮元素化合價比較；第三步高價態的怎樣降低；第四步同價態的怎樣轉化；第五步分析為什么工業制取與實驗室少量制取的差異，學生分析可能的原因。從而實現物質制備方案設計與優化的認識模型構建。

4 啟示

4.1 知識結構化過程中的認知思維構建

復習課的教學起點是已有的知識與能力，目標是可能的知識增長點和思維發展空間。NH3的復習內容，從N原子結構、化合價的角度解釋其性質及發生變化的原因，這是原有知識結構化的過程，由此類比預測N2H4可能具有的性質，并用事實證據、實驗證據和理論證據進行求證，建立起從原子結構與主要化合價視角認識物質的思維模型，遷移學習與認識其他NxHy化合物，打開思維的天窗［4］，提出“類有機物”的含氮化合物認識的創新性思考，從而實現用認識模型遷移推理未知的世界（物質與原理），促進知識與認識的發展。

4.2 多元視角任務設計中的認知進階

NH3的結構與性質學習中基于孤電子對、電負性和元素化合價與熟悉的性質進行聯系與反芻，建立結構與性質的對應關系。從NH3→N2H4→NxHy， N原子都存在孤電子對，所以都能與金屬陽離子（含有空軌道）形成相應的絡合離子，而且還可以進一步推理到金屬陽離子（含有空軌道）與其他有孤電子對的微粒（分子、離子）通過配位鍵進行絡合，開啟絡合（配位）認識的認知進階。從NH3→N2H4→NxHy， NH3分子中N顯-3價（最低價），H顯+1價（最高價），則分別體現了還原性（可以將氧化性物質如Cl2、 CuO等還原）和氧化性（將活潑金屬Na、 Li等氧化）。據此分析N2H4、 NxHy中N、 H元素化合價，推理同樣具有的化學性質，實現基于元素價態分析氧化性與還原性的認知進階。

參考文獻：

［1］李發順. 從氨氣出發——以氨氣的高三復習為例［J］. 化學教與學， 2016， （5）： 31～33， 23.

［2］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 5.

［3］陳進前. “模型認知”是重要思維方式［J］. 化學教學， 2020， （5）： 9～14.

［4］李發順. 教學的目的是打開思維的天窗——談“弱電解質電離平衡”教學設計思考［J］. 化學教學， 2019， （7）： 47～50.