基于建模思想的初中化學教學實踐研究*
——以滬教版“微粒的性質”為例

李文良 施鳳鶴 張麗芳

（1.福建省晉江市紫華中學 福建 泉州 362200；2.福建省晉江市教師進修學校 福建 泉州 362200；3.福建省晉江市羅山中學 福建 泉州 362200）

一、問題提出

《義務教育化學課程標準（2022年版）》指出：教師應緊緊圍繞發展學生的核心素養這一主旨，積極開展核心素養導向的化學教學，充分發揮化學課程的育人功能，落實立德樹人根本任務。［1］化學學科核心素養中，科學思維從領域特質對學生核心素養發展提出了具體要求，其中建模思想是一種重要的科學思維能力，是高中化學“模型認知”素養發展的內涵體現。［2］

基于“會用模型的視角觀察現實世界、會用模型的思維思考現實世界、會用模型的語言表達現實世界”的模型精髓，建模過程中參與的主要科學實踐活動包括感知模型、理解模型和應用模型。［3］基于建模的“微粒的性質”教學，探討如何在化學教學中基于真實情境，通過有意義的問題鏈實現模型的感知、理解與應用，讓學生關注模型建構過程中科學思維的發展，從而深度理解“微粒的性質”的知識本質，落實立德樹人的根本任務。

二、內容分析

“微粒的性質”是義務教育教科書滬教版九年級化學上冊第三章“物質構成的奧秘”的第一節“構成物質的基本微粒”的第1個課題，新課標從內容上要求學生能初步形成基于分子、原子認識物質及其變化的視角，建立認識物質的宏觀和微觀視角之間的關聯。［1］該課題的學習是學生從微觀視角認識物質的起點，從宏觀層面進入微觀層面，深入理解物質的結構、分類和變化的微觀本質，從而豐富學生認識物質的角度，承擔著幫助學生構建微粒觀、分類觀和變化觀等化學觀念和培養假想、模型、證據推理等科學思維的重要任務。

小學科學和初二物理已學過“分子作無規則運動，溫度越高，熱運動加快；分子和原子之間有間隔”等知識，這些知識是引領學生從微觀角度認識物質的切入點，但是這些知識多數是碎片化的，屬于知識層面的前概念認知。它不能促使學生對微觀世界的認識形成整體而深刻的理解，更加不可能形成觀念層面的思維方式。具體表現：（1）學生難以自覺從分子、原子等微粒的角度認識物質的構成及變化，即微粒觀的建構及其應用；（2）物質構成具有復雜性，學生在解釋物質的組成和結構時沒有形成清晰的認知；（3）實際情境中，學生未形成具有持久性和遷移性的以微粒觀點解決某些生活現象的思維方法。因而，本課題重點不在于復習這些先前經驗，而是將采用“形成微觀認識、構建微觀模型”的發展過程，主要利用模型建立認識宏觀和微觀視角之間的關聯，關注形成從微觀模型分析物質構成、分類、變化的認識方式，從新的“微觀視角”來學習微觀知識！

基于內容分析，結合具體學情，從側重不同核心素養的發展將教學目標確定為：（1）通過實驗探究、數據分析，引導學生推論微粒的性質，形成證據意識。（2）通過實驗探究及客觀事實，初步形成了物質的構成、變化和類別的認知模型，能運用模型遷移并初步解決各類化學問題，并在模型建構中提升高階思維能力。（3）利用科學家探索物質構成的科學史實，啟發學生運用類比、推理、模型等思維方法，認識物質的構成，了解科學家嚴謹求實的科學態度，增進對科學本質的理解。

三、設計思路

在“中國知網”以“微粒的性質”“分子和原子”進行文獻檢索和研究，發現關于滬教版“微粒的性質”的教學設計研究僅有1 篇；而對人教版“分子和原子”的教學設計研究較多，都是側重于由實驗現象得出微粒性質的“證據推理型”教學邏輯，［4］忽略模型作為可視化工具的應用，本課題采用新的“模型認知型”教學邏輯。其中，某品牌白板中克隆功能可以將課堂上會多次使用的微粒模型，進行不限量的復制粘貼。學生可以利用克隆功能在白板進行無限制復制出微粒模型，為基于建模思想的教學實踐提供了非常大的便利。

在新技術下，引導學生從感知模型、理解模型、應用模型來實現由宏入微的“模型建構”的學習過程，基于模型直觀地將看不見摸不著、抽象的微觀知識呈現于具象，降低學習的難度，有利于學生形成良好的微觀想象能力，完成對微粒的認知由抽象到具像，再由具像到抽象的加工過程。教學思路的板塊化設計如圖1所示。

圖1 教學思路的板塊化設計圖

四、教學實施

環節一視頻導課情境入微

【視頻】播放福爾摩斯偵探集片段：狗通過嗅一只鞋子的氣味，找到了鞋子的主人。看完視頻后提出疑問：狗為什么能幫主人順利完成任務？

【圖片】你還學過哪些關于分子的內容？為什么濕衣服經晾曬后變干了？學生主要從水蒸發（宏觀）和分子的運動（微觀）進行解釋，進而從宏觀視角引入微觀視角，得出物質是由微粒構成的。

【問題】你能尋找哪些證據，來證明物質是由微粒構成？

【設計意圖】以學生喜聞樂見的“影片緝毒犬”導入，基于問題意識喚醒學生先前經驗，暴露出認知方式，學生學會轉變認識視角，最大程度激發好奇心與探究欲。

環節二觀察想象史實入微

偵探任務一：物質由哪些微粒構成

【游戲】學生將一張紙分成兩半，哪位同學可以將紙撕到最小？這么小的紙還能再分嗎？

【史實】兩千多年前，莊子在《莊子·天下篇》中記載過類似的觀點：一尺之棰，日取其半，萬世不竭。古希臘的哲學家德謨克利特提出萬物都是由極小的不可分割的微粒結合而成，這種微粒叫做“原子”。

【感知模型】英國科學家道爾頓繼承古希臘樸素原子論，提出了原子學說，他認為原子是組成物質的基本粒子，它們是堅實的不可再分的實心球。道爾頓還設計出一套符號來表示他的學說（見圖2），這些符號圓滿地起到了模型的作用。其中像水、過氧化氫等物質的符號，道爾頓稱它們為復合原子，也就是現在說的分子。

圖2 道爾頓于1803年左右所用的原子符號和分子式

意大利科學家阿伏加德羅，引出了分子的概念，解釋了道爾頓學說不能解釋的宏觀現象，并對水分子的模型，根據宏觀事實進行修正，如圖3。

圖3 水分子的模型

【實驗1】研缽里給學生準備比紙還小的高錳酸鉀顆粒，請學生幫忙利用桌面上的儀器與藥品，將高錳酸鉀變得更小。

學生感受高錳酸鉀顆粒在研磨過程中會變得更小，呈粉末狀。放入水中后，高錳酸鉀粉末消失，卻真實地存在水中。試管中的水呈紫紅色，證明高錳酸鉀粉末變成更小的看不見的物質進入水中。由此說明了高錳酸鉀是由非常小的肉眼看不見的微粒構成。

【史實】1982 年世界上第一臺掃描隧道顯微鏡研制成功。這臺顯微鏡可以看見我們肉眼看不到的微粒。學生觀看掃描隧道顯微鏡下的苯分子和硅原子，不僅感受分子和原子的真實存在，而且體會到不同的物質構成它們的微粒是不一樣的。

【感知模型】經科學家研究，構成物質的微粒有分子、原子和離子，有些物質由分子構成，如氨氣、水、氮氣等；有些物質由原子構成，如金剛石和一些常見的金屬物質、稀有氣體；也有些是由離子構成的，如氯化鈉，是由氯離子和鈉離子構成的。結合圖片截取和色差功能，通過激活微粒模型的“最小單元”，如圖4 所示，初步建立符號和模型、微粒（分子、原子、離子）之間的聯系，從微粒構成的視角對物質進行分類。

圖4 銅、氯化鈉、水的“宏觀—微觀—符號”三重表征圖

【設計意圖】用簡單的實驗和推理，分析從宏觀到微觀的角度理解物質可分性，初步形成微觀粒子的行為表象。從史實猜想到實際證據、從顆粒到微粒將學生引入微觀世界，一方面，初步認識科學的發展有傳承，更有開拓和創新，接受假說、推理、模型等科學研究法的熏陶；另一方面，學生親身感受到“物質是由微粒構成”的證據意識，初步形成微觀認識。從道爾頓的原子符號體到銅、水和氯化鈉的宏觀圖片，以及構成該物質的微觀模型，且在相應物質處標出了化學式，相對有序地解釋物質的構成，幫助學生形成“宏觀物質—微觀模型—符號表達”的三重表征，初步形成模型意識，從構成的視角對物質進行分類。

偵探任務二：微粒有哪些基本性質

【過渡】介紹人體新陳代謝會產生多種物質，也就是有多種微粒。狗能根據氣味追蹤目標，當然也與這些微粒有關，那微粒有哪些性質呢？我們繼續偵探！

學生聆聽水分子的自述，如圖5。

圖5 水分子的自述

【設計意圖】通過水分子的擬人化自敘，引起學生和分子“做朋友”的興趣，進而想去了解；用具體數據和形象對比，引導學生感知分子的質量和體積都很小，使抽象知識形象化。

環節三 科學探究模型入微

【實驗2】教師演示：濃氨水與酚酞的實驗探究。

1.向1 mL酚酞溶液中滴入2滴蒸餾水，觀察溶液的顏色。

2.向1 mL酚酞溶液中滴入2滴濃氨水，觀察溶液的顏色。

實驗探究中，蒸餾水不能使酚酞變色，而濃氨水與酚酞溶液直接接觸會產生溶液變紅的現象的對比實驗，引導學生從蒸餾水、氨水中的微粒進行解釋，進而得出微粒不同、性質不同。

【實驗3】如果不讓兩者直接接觸，是否也能產生相同的現象呢？學生將一端蘸有濃氨水的棉簽棒，一端蘸有酚酞的棉簽棒，按如圖6所示進行實驗，小組完成實驗后展示實驗現象，討論得出的分子的性質。

圖6 學生分組實驗：分子的運動實驗

【分析】蘸有酚酞的棉簽棒變紅，說明一定是與濃氨水接觸了。可實驗過程中，沒有人為地讓兩者直接接觸。由此得出，氨分子由一端運動到了另一端中，使酚酞變紅。

【問題】蘸有濃氨水的棉簽棒沒有變色，是不是就說明酚酞分子不會運動呢？學生從“未接觸的兩個棉簽”所產生的不同現象進一步發現不同微粒的運動速率不同，或者不同微粒的性質也各不相同。

【實驗4】教師演示同屏實驗如圖7 所示，有什么現象發生？

圖7 教師演示實驗：分子的運動實驗

這一現象說明了什么？

【分析】學生觀察到A溶液變紅，B沒有明顯現象，說明C中的氨氣分子運動到了裝有酚酞的A的燒杯中，并基于模型以某白板蒙層功能展示氨分子的運動，以箭頭從不同方向更加形象地說明分子在不停地運動。

【問題】實驗3和實驗4都能證明分子在不停地運動，哪一個實驗更優化？

【分析】與實驗4相比，學生感受實驗3藥品用量少且過程清晰；在相對密閉的環境中進行，對環境影響小。

【設計意圖】采用逐步引導、抽絲剝繭的方法將學習推向深入，使“分子不斷運動”的抽象、枯燥化為生動形象的畫面，利用模型演示使深奧的知識變得淺顯易懂，同時感悟對比實驗，培養學生對對比實驗的分析能力。教學中，通過實驗探究得出結論，增強證據推理的意識，形成尊重事實、善于質疑的學習態度；增設改進實驗，藥品用量少，培養學生節約藥品、減少環境污染等環保意識，從而肩負更多的社會責任，提升化學學科核心素養。

【實驗5】高錳酸鉀在冷水與熱水中擴散。學生感受溫度越高、微粒運動得越快。

【過渡】“1+1=2，一定成立嗎？”請學生完成實驗。

【實驗6】分別往兩端加入酒精和紅墨水至刻線上，塞緊塞子并用手指堵住開口的兩端，顛倒數次，讓一端的液面剛好位于刻線上，觀察并記錄另一端發生的現象，如圖8 所示。

圖8 分子的空隙實驗

【理解模型】平板蒙層功能展示蒸餾水與酒精混合的微觀模型，如圖9所示。基于圖9所示微粒模型，教師利用平板克隆功能畫出酒精和蒸餾水混合后的微觀構成模型，并思考為什么兩種液體混合后總體積變小。

圖9 蒸餾水與酒精混合的微觀模型

【分析】學生發現混合后液體總體積變小原因是微粒之間有空隙，酒精分子和水分子會相互占據微粒之間的空隙，造成總體積縮小。

【問題】從物質類別上看，容器D、容器E（混合前）和容器F（混合后）分別屬于哪一類？

【理解模型】根據模型，從微粒的角度分析純凈物和混合物的區別，如圖9 所示。學生感受相同的微粒聚集得到的是純凈物（燒杯D），不同的微粒聚集得到的是混合物（燒杯E）。

【問題】那是不是構成所有物質的微粒空隙都一樣大呢？

【實驗7】學生分組實驗：水和空氣的壓縮實驗。

學生感受氣體微粒間的空隙比較大，所以容易被壓縮，且壓縮后的氣體微粒間的空隙比較小。

【實驗8】觀看加熱含有水的玻璃注射器的視頻實驗。

【應用模型】學生利用平板克隆功能以模型畫出“加熱后，注射器的活塞向上移動”的原因，如圖10所示。學生從中感受分子間的空隙在一定條件下可以改變，且空隙改變到一定的程度，會引起物質狀態的改變。

圖10 加熱前后蒸餾水的微觀模型

【應用模型】物體熱脹冷縮，這是在物理中的原理。體溫計測體溫時，汞柱上升的原理是什么？學生以模型畫出汞柱上升的微觀示意圖，如圖11所示，從中感受物質發生物理變化時，微粒的體積與數目不會發生改變，即圖11 中I 和H 是錯誤的；微粒的運動是無規則的，圖11 中G 是錯誤的，物理變化的本質是微粒間的空隙發生改變，如圖11中L所示。

圖11 體溫計測溫前后汞原子變化的可能微觀模型

【設計意圖】采用類比法研究化學，實驗與模型相結合，將抽象知識化為生動形象的畫面，幫助學生把微觀現象宏觀化，引導聯想與啟迪思維，促進學生對分子空隙發生改變，甚至引起物質狀態變化的認識，進一步突破“能用微粒的觀點解釋某些常見的現象”的難點，同時從微觀視角感悟物質的類別和變化，自然形成微粒觀。

環節四 聯系生活應用入微

【課堂練習】從微粒的角度分析并解釋下列問題及現象。（1）視頻中狗為什么能幫助主人順利完成任務？（2）陽光下濕的衣服干得更快。（3）25 m3的石油氣在加壓的情況下，可裝入容積為0.024 m3的鋼瓶中，變成液化石油氣。

【應用模型】課堂總結：從微觀視角畫出一杯水，并用語言描述，如圖12所示。

板書設計：

一、模型的作用

二、物質的結構

【設計意圖】用微粒的觀點解釋身邊的生活問題和化學現象，促使學生進一步形成微粒觀。初步形成從微粒角度分析物質及其變化的思維方式，培養化學來源于生活、應用于生活的理念，并在熟悉的生活情景和社會實踐中感受化學的重要性。教學過程中，板書逐漸呈現，有助于學生構建知識體系，同時為后續從微粒視角認識化學變化埋下伏筆。

五、教學反思

1.優化情境促進核心素養的形成

教學中“狗通過嗅一只鞋子的氣味找到鞋子的主人”視頻情境，激趣設疑，感悟化學的現實應用；“撕紙游戲、高錳酸鉀的研磨與溶解實驗”實驗情境，搭建微粒與顆粒的聯系；“化學史實和原子、分子的STM 照片”史實情境，認識科學研究的曲折與艱辛。一系列的情境，幫助學生建構“物質的微粒性”基本觀念。

分子運動實驗的教材實驗與改進實驗并行的實驗探究情境中，“無線同屏的應用”，一方面實現教師演示實驗更廣域、更細致、更全面的展示；另一方面關注學生的實驗活動與實驗操作，實時展示真實的化學實驗課堂，并基于“拍照上傳”生成的典型錯誤進行分析與點評，使得學生產生思維碰撞，提高課堂的生動效果，發展學生的科學探究與實踐、科學態度與責任等核心素養。

2.模型建構注重核心素養的落地

本課題教材內容中沒有對用模型表示分子和原子作單獨介紹，但是初中學生要形成對分子和原子等微粒更深刻的感性知識和空間結構的表象，直觀的“模型”是必要且有效的。

從道爾頓的符號模型到對構成銅、水、氯化鈉的模型進行觀察分析后，利用截圖與克隆功能，讓學生迅速找到原子模型與其他兩種微粒的區別，原子模型與元素符號之間的聯系，從而形成自己的認知模型。隨后在“分子運動實驗”“等體積的水和酒精混合總體積變少”“觀察水受熱后，體積變大中水分子的變化”“測量體溫時，汞原子的變化”的教學中，學生初步利用模型分析微粒的性質、物理變化、物質的類別等，進而形成“宏觀物質—微觀模型—符號表達”的三重表征，初步形成了物質構成的認知模型，能運用模型遷移并初步解決各類化學問題，多角度培養學生的核心素養。

基于建模思想的課堂教學中，教師通過引導學生應用模型解決問題和獲取知識，不僅使模型認知得到進一步深化，而且對知識本質認識更加清晰，使化學知識或問題解決的方法變得更加簡約、形象，最終讓模型具有解釋力，成為了真正具有價值的模型，形成了基本的微觀認識視角。