培養高中生“模型認知”素養的化學數字化實驗教學案例設計

蔣安誠 徐連蕓 張麗茜

摘 要：核心素養作為新課標的重點，已成為高中生的必修課，在當今的教育改革進程中發揮著至關重要的作用。化學核心素養是一種重要的能力，它能夠幫助學生在認知活動中更好地理解和應用化學知識。模型理解能力對于構建化學學科的基礎知識和技能至關重要，同時也是促進化學學科思維發展的關鍵因素。提高學生對化學模型的認知能力對于培養他們的核心素養和提高學習效率至關重要，有助于提升化學教學的質量。文章以“配合物”認知模型教學設計為例展開研究。

關鍵詞：模型認知；數字化實驗；教學案例；應用研究

通過數字化實驗教學案例的設計、研究和實施，可以幫助學生建立自己的知識模型，有效地提升他們在化學學科中的核心素養能力[1]。通過化學課程的學習，學生可以更好地理解學習中遇到的挑戰，運用實驗結果來歸納總結，建立起自己的知識網絡；通過將日常生活經驗與學科知識相結合，學生可以自主探索解決問題的方法，運用“認知模型”中的知識體系進行抽象概括，不斷提升學生的分析、推理和解決問題的能力，促進學生核心素養能力的全面發展。本文以“配合物”認知模型教學設計為例展開研究如下[2]：

一、數字化實驗教學案例設計的原則與方法

化學作為一門實驗學科，其優勢在于其具有數字化的特點，而實驗則是其不可或缺的一部分，尤其是在設計方面。

在進行教學實驗時，應該牢記以下幾項基本原則：

（一）可操作性

為了滿足高中階段化學教學的需求，設計了一系列實驗方案，其中涉及的藥品和儀器可以在實驗室輕松獲取，而且實驗操作的難度也適合高中生，不會給學生帶來太大的挑戰，同時也能夠提高實驗的成功率。

（二）科學性

該實驗方案建立在嚴謹的科學理論框架之上，其中包含了精準的科學原則，而不是憑空推測出來的假設。在制訂實驗計劃時，應當確保其具備充分的科學基礎，包括實驗要求、目標、思路以及最終結果。

（三）可重復性

通過反復研究和檢驗實驗方案是有效的。在實驗方案初步設計完畢之前，應該進行多次檢查，仔細分析影響實驗的各種因素，記錄下所有的實驗細節，以便在每次實驗中，讓學生獲得準確的實驗結果，避免出現結果的偏差。

（四）安全性

在實驗室中，安全問題至關重要，尤其是在進行數字化實驗時，由于使用的化學玻璃儀器和實驗藥品中含有潛在的危險物質，一旦出現任何疏忽都可能導致災難性的后果。因此，應該堅持安全、規范的操作原則，嚴格執行相關的安全措施，以確保實驗的順利進行。

（五）綠色化學

在化學實驗中，應當嚴格控制實驗藥品的使用，以確保實驗的順利進行，同時盡可能地節約化學能源[3]。為了讓學生更好地了解如何有效地利用藥品，應該采取措施來減少實驗過程中產生的廢水和廢物，建立起節約資源的意識和理念。

二、高中生“模型認知”素養的化學數字化實驗教學案例設計

（一）苯酚基團的“編譯”

[生活情境]（展示）當看到某位同學與父母的合影時，可以通過化學實驗來探究這種相似性，即他們的外表是否有所不同。

[學生]模型表明，不同族元素、晶體和系物在性質上都有相似之處，可能會發生變化。因此，可以通過分析新物質（如苯酚）的結構組成來探究其來源。

[學生]可以將“乙醇”中的苯和羥基結合物作為替代物來研究這種物質的構成。

[分析]研究苯酚與乙醇在結構上的差異，探討它們之間的相似之處。

[學生]雖然兩種物質都含有羥基，但是在這種新物質中，羥基與苯基的結合方式不同于乙醇。

[點評]酚是一類有機化合物，它們由羥基和苯環碳原子直接相連而成。與醇不同，最簡單的酚是苯酚，它們具有獨特的結構和性質。

設計意圖：通過“思維模型”的深入探討，讓學生更加深刻地理解“化整為零”的思想，運用“多基團組合而成有機物”的認知模型，更好地探究苯酚的性質，有效地獲取學習苯酚的方法。

（二）苯酚基團的“遺傳”

[史話情境]“滴血認親”被認為是古代最常見的親子鑒定方式[4]，但現代科學家們卻認為“滴血認親”缺乏科學依據，因此，即使沒有血緣關系，只要血型相同，也可以通過“血液互溶”來確定苯酚的溶解性。

[學生1]苯酚可以與多種有機溶劑，如苯和乙醇，形成類似血液的相容性，被溶解。

[學生2]苯的溶解度很低，乙醇和水之間可以相互溶解，但是苯酚在水中的溶解度卻不可知。

[學生3]發現苯酚的羥基能夠與水分子之間形成緊密的氫鍵，使得它們能夠被完全溶解于水中。

[點評]這位同學的表現令人印象深刻，他不但能夠運用“相似相溶”的思想來解讀日常生活，而且還能夠運用“氫鍵對溶解度影響”的原則來進行細致的分析。

[引導]請大家就苯酚的物理特性發表自己的見解，歡迎其他同學及時提出寶貴的意見。

[學生1]苯酚具有獨特的香氣，它的外觀為無色晶體。然而，當它溶于乙醇和苯時，會產生一種白色的混合物，隨著溫度的升高，這種混合物會變得更加渾濁。

[學生2]經過我的觀察，可以斷定苯酚在冷水中的溶解性較弱，卻能夠輕松地被熱水所吸收。

[學生3]經過一段時間的觀察，苯酚的顏色逐漸變得淡紅，這可能表明它已經受到損害。

設計意圖：為了更好地培養“相似相溶”的概念，利用歷史故事來引導學生對“模型認知”的概念進行理解，利用“自主探究”的概念來拓展他們的知識面，更好地實現深入的學習。

（三）苯酚基團的“進化”

[問題情境]“苯酚”是“乙醇”的延續，因此，有必要探討“苯酚可能具有的化學性質”的深層

含義[5]。

[學生1]根據結構決定性質，分析苯酚擁有苯及其衍生物的全部特征。

[學生2]苯環可以通過鹵代、硝化、加氫等多種反應來改變物質的性質，例如，乙醇可以與金屬鈉發生反應，也可以與乙酸酯發生反應，甚至可以在分子間脫水成醚，或者被氫鹵酸取代。

[學生3]指出，“簡單加和”的結論有待商榷，因為它忽略了基團之間的復雜相互作用，導致了許多未知的物理特征。

[學生4]表明，苯酚的溶解性與乙醇和苯有顯著的不同，這一點我完全認可。

設計意圖：本次設計旨在幫助學生深入理解苯和乙醇的化學特性，對自身的知識體系進行全面評估；通過“結構決定性質”模型的引導，學生可以更好地理解知識，將其轉化為自己熟悉的概念，提升遷移和歸納能力，最終形成“基團間相互影響”不確定模型。

[引導]苯酚的特性是否與“乙醇”中描述得完全一致，還是存在著獨特的特性？

[探究]苯酚羥基的反應性遠遠超過水和醇。在宏觀層面上，苯酚的特征是什么？

[學生]可能會發現苯酚具有強烈的酸性。基礎理由大概就是“苯環對羥基的影響”。

[學生實驗]發現苯酚的酸堿度存在顯著差異。

[學生1]觀察到，當苯酚的濁液被加入氫氧化鈉溶劑時，它的顏色會顯著改善，說明它具有較強的酸性。經過紫色石蕊試液檢測，未發現任何異常反應，說明苯酚的酸性水平相對較低。

[學生2]紫色石蕊試液沒有變成紅色，這很可能是因為苯酚的酸性過低，導致了它不能發生變化。

[學生3]研究結果表明在苯酚鈉溶液中，鹽酸和CO的濃度顯著降低，這說明苯酚的酸性比碳酸更加穩定。

[評論]苯酚的弱酸性是由于它的羥基對它的影響造成的。酸的特性要遠遠低于碳酸，但卻要高于碳酸氫鈉。由于其酸性特征，苯酚很難被完全消除、分子間脫水、被氫鹵酸取代等反應所抑制。

通過“酸的通性和強弱”的基礎知識，“同中求異、異中求同”的科學思考模式，以及“基團間相互影響”的實踐技能，希望學生更加深入地探索和掌握“基團間相互影響”的理論框架，以便更加全面、準確地理解其中的內容。

[引導]“羥基”可能會給苯環帶來怎樣的變化？最終的結果將會如何？

[學生1]可以通過參與實驗來改善苯環的性質，提高它的加成或替換能力。

[學生2]可以說，苯環具有相對穩定的特性，因此羥基的存在可以顯著改變它的性質。

[學生3]表明，羥基可能會使苯環更加穩定，提高其結構穩定性。通過“對照實驗”的研究，可以更深入地了解羥基的活性。

[引導]因此，應該充分利用現有資源，結合各種可能的因素，進行深入的探究，以便制訂出最佳的實驗方案。

[學生]設計了一個實驗，用于研究苯和苯酚與濃溴水的反應。

[學生]在苯酚溶液中添加了濃溴水，結果出現了一種白色的沉淀，隨著添加量的增加，這種沉淀逐漸減少，最終消失。根據苯和溴的反應，可以得出結論：苯環很容易被溴所替換，但很難形成反應。因此，猜想苯酚會被濃溴水所替換。

[引導]苯酚被濃溴水所取代，形成了三種不同的三溴苯酚：2、4和6，這些化合物的存在，是否能得出一個重要的結論？

[學生]通過比較苯、苯酚、溴的取代條件及其產生的結果，發現羥基對苯環的作用是顯著的，它大大提高苯環的替換性。

[評論]由于濃溴水具有極高的靈敏度，它已成為日常生活及工業實踐中廣泛使用的苯酚的定性及定量分析方法。

通過從反面的角度探索事實，希望幫助學生更好地理解新的思維模型的構建，以此為基礎進行深入的分析和探究。通過深入探究“模型法”，學生可以更好地理解并掌握“模型認知”，提升他們的學習能力和素養。

（四）苯酚基團的“價值”

[圖片展示]苯酚的用途

[點評]苯酚雖然在日常生活、工業生產和醫療中被廣泛使用，但如果不正確地使用它，就可能導致嚴重的環境污染，因此，必須以辯證的態度來看待它。除了苯酚，其他酚類物質也在日常生活中扮演著重要的角色。

[任務情境]丁香酚被認為是一種具有重要意義的香料，因此，需要通過分析它的結構來探究它的特性；對“從丁香花中提取丁香酚”進行解決。研究丁香精油中酚的含量。

[課堂總結]利用生物遺傳學的理論，運用比較、預測、歸納以及實驗的方法，對苯酚的知識進行深入探究，有利于構建“官能團決定物質特性”和“基團間相互影響”兩大思考模型。通過不斷探究和實踐，可以更好地掌握思維模型，提高學習的效率。

設計意圖：本次設計旨在通過探究問題來評估學生對苯酚特性的理解和模型應用的掌握情況。通過模型預測新物質，運用其特性解決實際問題，幫助學生深入理解“學以致用”化學概念，更好地體會“模型認知”素養在實際應用中的重要性。

結合上述教學案例，將“模型認知”素養融入化學數字化實驗教學中是化學課堂教學的重要目標，自然成為當下一線化學教師教學研究的熱點和焦點，其主要用途體現在：

1.化學核心素養是當下一線化學教師教學研究的重要目標，它的主要用途是：通過引導學生進行深入的思考，培養他們的科學思維，加深對化學知識的理解，通過數字化實驗案例的教學，讓他們更好地掌握新的知識，同時也增強他們的科學探索能力和動手能力。通過實際操作來驗證和深化理論知識；通過科學探索，應該培養出一種冷靜、謙虛、謹慎的心態，認識到獲得成功并非易事，而是需要多次嘗試、反復檢驗和驗證自身的推斷；通過引導和指導，可以幫助學生建立多種化學思維模式，將零碎的知識結合起來，形成一個完整的知識網絡[6]。

2.激發學生的求知欲，培養他們的證據意識、求證能力、邏輯思維和提出問題的能力。通過數字化實驗案例教學，可以培養學生的模型認知能力，在創造實驗情境的同時，幫助他們更好地理解化學理論，使抽象的概念變得更加直觀，使微觀現象變得更加宏觀。此外，這種方式還激發學生的認知沖突和好奇心。采用提出問題、構建假設、制訂探索步驟、解決問題的方式，不但有助于增強學生的實踐技能，更有助于他們形成良好的證據觀念、檢驗技巧、思維能力以及解決問題的思維模式。當面臨生活中的挑戰時，應該積極尋找解決方案，學習如何運用科學的方法來解決問題。教師在課堂上應該根據學生的特點和需求，靈活地運用各種化學模型，以培養他們的分析能力和模型認知能力。

結束語

將“模型認知”的知識和技能納入數字化實驗課堂中，無疑會帶來巨大的發展機遇，盡管在實踐中會遇到一些挑戰，但憑借其獨特的優勢，一定能夠克服這些障礙。通過深入研究教材資源，提高自己的實驗操作技能，以便在學生遇到困難時能夠及時幫助他們解決。

參考文獻

[1]畢華林，葉劍強.國際核心素養研究的主題領域與脈絡演進[J].山東師范大學學報（人文社會科學版），2019，64（3）：97-105.

[2]靳建軍.淺談化學探究性實驗教學[J].神州，2011，（11）：150.

[3]國務院辦公廳.關于新時代推進普通高中育人方式改革的指導意見[J].人民教育，2019（Z2）：10-13.

[4]鄧玉華，杜麗君.數字化實驗在化學核心素養“宏觀辨識與微觀探析”維度的教學應用：以弱電解質的教學為例[J].化學教育（中英文），2019，40（21）：77-81.

[5]孫可平.科學教學中模型/模型化方法的認知功能探究[J].全球教育展望，2010，39（6）：76-81.

[6]張丙香，畢華林.中學生科學概念心智模型的理論研究綜述[J].化學教學，2017（10）：6-11.

本文系2022年青海省中小學教育教學研究課題：“雙減”背景下高中生化學模型思維培養的實踐研究。（課題編號：QJX22YB37）。