建模教學在高中化學教學中的實施策略研究

摘要：《普通高中化學課程標準（2017版2020年修訂）》強調(diào)宏觀辨識與微觀探析等5個方面的核心素養(yǎng)，建模教學在促進學生證據(jù)推理與模型認知方面發(fā)揮著重要作用。本文立足化學學科核心素養(yǎng)視角，剖析建模教學在實際教學中，促進學生素養(yǎng)達成的具體實施過程和作用，探析如何將化學核心素養(yǎng)培養(yǎng)通過建模教學落實到具體的課程內(nèi)容教學中。

關(guān)鍵詞：學科核心素養(yǎng)" 高中化學" 建模教學

《普通高中化學課程標準（2017版2020年修訂）》明確提出化學學科核心素養(yǎng)包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認知”“科學探究與創(chuàng)新意識”“科學態(tài)度與社會責任”。如何在實際教學中落實這五個核心素養(yǎng)，是一線教師思索和改進課堂教學實施策略的根本依據(jù)。建模教學策略是近年教育領(lǐng)域的研究熱點，《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確表述“知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”。在教學中實施建模教學，引導學生以建模分析解決實際問題，能夠有效提升學生的學科思維能力，促進其核心素養(yǎng)的發(fā)展。

一、建模教學在高中化學教學中實施的意義

在目前高中化學的實際教學中，仍有部分教師受到傳統(tǒng)教育理念的束縛，沒有深入研讀課程標準，講授式的教學模式依舊占據(jù)課堂陣地，學生在機械化的記憶和大量重復性的練習中，被動接受新知識。如在必修二“原子結(jié)構(gòu)”的教學時，傳統(tǒng)教學模式依舊是先讓學生閱讀教材上關(guān)于原子結(jié)構(gòu)模型的發(fā)展歷程，然后以圖表的形式，將總結(jié)好的知識直接呈現(xiàn)給學生，再進行講授，并通過反復誦讀加深記憶，最后通過習題鞏固知識點。實際教學經(jīng)驗告訴我們，學生被動接受的知識很容易遺忘，對核心素養(yǎng)的提升收效甚微。這就要求教師改變教學策略，變被動接受知識為主動建構(gòu)知識體系，實施促進學生積極參與、主動建構(gòu)、主動學習的建模教學。

二、化學建模的含義

在高中化學中，化學建模是指基于實際問題的概括、總結(jié)，將問題情境中的化學要素抽取出來，通過一定的邏輯關(guān)系建立聯(lián)系，借助化學符號構(gòu)建模型來揭示化學規(guī)律，從中提煉出的普遍適用的一般規(guī)律和方法。高中化學題目往往過于復雜，大量的文字描述讓學生難以抓住核心要義，找不到答題的突破口。而化學建模能使得煩冗的文字描述轉(zhuǎn)化為化學的符號語言，使抽象復雜的原理變得形象化、模式化，降低學生思維理解的難度，提高課堂教學效率。

三、化學建模教學的實施原則

我們以選擇性選修一《化學反應原理》中雙液電池部分的化學建模教學的實施過程為實例，具體介紹化學建模教學的實施原則。

首先，應遵循自主建構(gòu)原則。教育教學活動的基礎(chǔ)目標是培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng)，引發(fā)學生自主地學習和思考。教學開始前，教師先展示魯科版高中化學必修二中的銅鋅原電池的實驗視頻，讓學生仔細觀察銅鋅兩個電極周圍哪個有氣泡產(chǎn)生。學生會發(fā)現(xiàn)銅鋅兩個電極周圍都有氣泡產(chǎn)生，與之前學習原電池的工作原理相悖，產(chǎn)生認知沖突，學生會自主思考鋅電極有氣泡產(chǎn)生背后蘊藏的原理，為雙液電池的介紹做鋪墊。

其次，應遵循直觀簡潔原則。運用建模思維將復雜的化學知識簡化，直觀呈現(xiàn)各種知識間的關(guān)系。例如：雙液電池中鹽橋的作用，是不少學生學習的難點，通過動畫建模，將微觀的過程可視化，學生可以直觀清晰地觀察到，兩極電子的轉(zhuǎn)移和鹽橋內(nèi)離子轉(zhuǎn)移的情況，將復雜抽象的原理形象化、具體化，引導學生總結(jié)出鹽橋的作用，進而歸納將單液電池模型轉(zhuǎn)化成雙液電池模型的一般方法。

最后，應遵循全面發(fā)展原則。在化學建模教學過程中，培養(yǎng)學生總結(jié)提升、歸納演繹、團結(jié)合作等各方面的能力。在已經(jīng)掌握雙液電池基本原理的基礎(chǔ)上，給出一組單液電池，學生小組實驗合作，運用已建立的雙液電池模型進行分析、組裝，來驗證模型的可行性，并用試驗結(jié)果對模型進行修正。

四、化學建模教學實施的一般過程

我們以研究“二氧化硫的性質(zhì)”為例向大家介紹化學建模教學實施的一般過程。

（一）情境創(chuàng)設階段

通過有目的地引入或者創(chuàng)設生動形象、符合主題的教學情境，提高學生學習興趣，明確建模目的。煙氣中含有粉塵和SO2，直接排放會嚴重污染環(huán)境。如何吸收煙氣中的SO2呢？請同學們自主閱讀教材中的方法導引，并進行小組間的交流研討。

（二）模型準備階段

引導學生對復雜化學情境中的關(guān)鍵要素和變量進行分析和提取，并確定要素和變量間的聯(lián)系。依據(jù)物質(zhì)中的元素組成特點，分析SO2屬于哪一類的氧化物？通過小組交流與研討逐步分析，二氧化硫中含有硫元素，是非金屬氧化物，多數(shù)非金屬氧化物屬于酸性氧化物。學生依據(jù)酸性氧化物的特征，預測其可能的化學性質(zhì)——能夠與堿反應生成鹽和水，與堿性氧化物反應生成鹽。

（三）模型建立階段

引導學生利用要素之間的邏輯關(guān)系，借助圖文、符號的形式進行表征。在觀察思考的基礎(chǔ)上，學生歸納總結(jié)出基于物質(zhì)類別來研究物質(zhì)性質(zhì)的一般模型：（1）分析物質(zhì)的組成；（2）確定物質(zhì)的類別；（3）依據(jù)類別共性或類比典型代表物預測物質(zhì)性質(zhì)；（4）用實驗驗證確定物質(zhì)的性質(zhì)。

（四）模型的評估階段

引導學生用猜想、類比、證據(jù)推理等方法來評價模型，借助試驗來驗證模型的可行性，并用試驗結(jié)果對模型進行修正。學生設計實驗驗證二氧化硫的化學性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與預測的相吻合。

（五）模型應用階段

引導學生將已經(jīng)構(gòu)建的模型應用到真實問題的解決中，并能運用構(gòu)建的模型說明和揭示化學現(xiàn)象的實質(zhì)。展示某干燥劑（主要成分是CaO）的說明書，組織學生基于物質(zhì)類別來研究物質(zhì)性質(zhì)的一般模型，分析得出CaO的化學性質(zhì)。

五、化學建模教學實踐的具體實施策略

（一）尊重學生的主體地位，使其主動建構(gòu)化學模型

在高中化學核心素養(yǎng)的指導下，學生才是課堂教學活動的主角，這就要求教師在課堂教學中，要重視學生的自主學習，而不是灌輸式地教學。例如，教師可以在課前明確本節(jié)課的教學目標，提前發(fā)給學生學案，讓學生在自主預習的基礎(chǔ)上，完成導學案上的內(nèi)容。教師通過批改學生的學案，發(fā)現(xiàn)其在新課的預習中存在的問題。同時教師應鼓勵學生通過課前預習發(fā)現(xiàn)問題，明確自己的問題所在，帶著疑問去學習，提升課堂效率。此外，教師還可以在課堂上進行分組教學，學生在組內(nèi)合作交流，發(fā)揮學習的主觀能動性。

（二）創(chuàng)設問題情境

化學建模教學的順利開展需要借助一定的問題情境。教師在設計問題情境時需要綜合考慮學生的認知水平和接受能力，并且問題情境要盡可能地接近學生的真實生活。在學習“物質(zhì)分類與物質(zhì)性質(zhì)”這節(jié)課時，教師首先讓學生思考從超市買來的牛奶、蛋糕、毛巾、牙刷、鉛筆、勺子、鍋等物品要存放在家里的什么位置，目的是讓學生先建立起分類的觀念。學生對這個問題非常感興趣，很快就將這些物品按照用途，依次分為食品類、洗漱用品類、學習用品類、廚房用品類。教師適時提問，引發(fā)學生的深度思考：你依據(jù)什么原理對物品進行分類？學生組內(nèi)交流研討后，得出結(jié)論：分類的目的（方便取用物品）決定了分類的標準（物品的用途），最終決定了分類的結(jié)果。學生通過解決情境下的問題，充分理解分類法的意義，為后面用分類法學習元素與化合物打下良好的基礎(chǔ)。

（三）借助生活中的事物或者現(xiàn)代化的多媒體教學設備

當研究對象是工業(yè)生產(chǎn)、生活中的實際模型，以及已知結(jié)構(gòu)的物質(zhì)模型時，模型教學偏重于教學的制作、展示和觀察。例如，在進行“丙烷二氯代物的同分異構(gòu)體”教學時，借助教學用的球棍展示出丙烷的兩種二氯代物，并幫助學生深刻地理解：同一個碳上的氫是等效的，對稱結(jié)構(gòu)的氫是等效的。當然，也可以借助橡皮泥或者牙簽等一些生活中常見的小物品來完成以上簡單的有機模型。模型的制作，既讓學生掌握了知識，又發(fā)展了學生的空間思維能力，培養(yǎng)了他們的團隊合作能力。

當描述對象是抽象的理論模型、思維模型等，模型教學主要從現(xiàn)象或問題中提取關(guān)鍵要素，利用類比、抽象、歸納等思維方式及合適的表征方法構(gòu)建動畫或流程圖、結(jié)構(gòu)圖。比如在理解物質(zhì)存在溶解平衡這個抽象概念時，可以制作蔗糖溶于水的微動畫，在動畫中展示單位時間內(nèi)蔗糖分子溶解的數(shù)目等于析出的數(shù)目，將微觀抽象的原理可視化，使其直觀簡潔易懂。教學過程中，教師用多媒體將模型展示給學生，讓學生可以體驗、思考、再創(chuàng)新。

（四）注重理論知識聯(lián)系實際生活

建模教學能促進學生科學態(tài)度、社會責任、科學探究、宏觀辨識與微觀探析等多方面的核心素養(yǎng)養(yǎng)成。因此，教師應注重結(jié)合實際生活構(gòu)建化學建模，為學生的思維鍛煉提供平臺。展示干電池的刨面圖，組織學生運用雙液電池模型，分析其中的工作原理，推而廣之，理解生活中一次性電池的工作原理。

（五）針對不同課型修訂建模教學的環(huán)節(jié)

對于新授課教學，模型主要是使抽象的概念可視化，降低教學的難度，激發(fā)學生的學習興趣。對于復習課教學，主要是借助思維導圖將整個部分的內(nèi)容展示出來。思維導圖的建立可以是課前學生完成，課中進行完善，也可以是課堂上師生共同完成，目的都是借助其中的邏輯關(guān)系梳理此部分的教學要點，整理、歸納、概括知識點。對于習題課教學，主要是通過解答例題，運用流程圖歸納一類題目的解題思路，使得解題過程可視化、清晰化，建立解題的程序。例如，在處理工藝流程題中，可以運用流程圖將工藝流程分為三個部分：原材料的預處理（考察溫度、濃度等因素對反應速率和溶浸率的影響）、主反應階段（考察物質(zhì)的性質(zhì)、化學除雜、KSP計算等）、產(chǎn)品的收集（考察過濾、結(jié)晶、分液等基本操作）。以此構(gòu)建解決工藝流程題的基本模型，讓學生在日后處理問題時得心應手。

（六）建模教學要促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展

建模教學能讓學生形成模型分析和運用能力，促進其系統(tǒng)化知識體系的形成，從科學態(tài)度、社會責任、科學探究、宏觀辨識與微觀探析等多角度，助力學生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

例如，運用建模教學，探究二氧化硫的化學性質(zhì)，多處滲透和體現(xiàn)化學學科核心素養(yǎng)。首先，在課堂引入階段，通過“煙氣中含有SO2，如果直接排放會污染環(huán)境，引發(fā)酸雨，要如何去除煙氣中的SO2？”引入本節(jié)課。滲透環(huán)保意識的同時，勉勵學生熱愛科學，突出培養(yǎng)其“科學態(tài)度與社會責任”。其次，在模型建立階段，引導學生依據(jù)物質(zhì)中的元素組成特點，分析SO2屬于哪一類的氧化物。通過小組合作交流與研討分析，明確解題思路：二氧化硫中含有硫元素，屬于非金屬氧化物，多數(shù)非金屬氧化物屬于酸性氧化物。依據(jù)酸性氧化物的特征，預測其可能的化學性質(zhì)——能夠與堿反應生成鹽和水，與堿性氧化物反應生成鹽。學生運用分類法，類比與遷移，將不熟悉的物質(zhì)（SO2）歸為熟悉的物質(zhì)類別，預測出物質(zhì)的化學性質(zhì)。最后，在模型評估階段，學生設計實驗，驗證SO2的化學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)結(jié)果與預測相吻合，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于物質(zhì)類別來研究物質(zhì)性質(zhì)的一般模型。學生在小組合作實驗交流過程中，既培養(yǎng)了對實驗探究活動的好奇心和興趣，養(yǎng)成了嚴謹求實的科學精神，增強了合作探究意識。

又如，在研究原電池的工作原理時，突出體現(xiàn)從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析解決實際問題的能力。電池中電子的得失和轉(zhuǎn)移屬于微觀視角，從宏觀視角，我們只能觀測到氣體的生成、固體的析出或溶解等現(xiàn)象。對于理解能力較差的學生，很難將宏觀世界的物質(zhì)變化，與微觀世界中的電子得失聯(lián)系起來，感覺原電池像是個“黑匣子”，看不見，理解不透。動畫模擬原電池（以金屬銅、鋅與稀硫酸構(gòu)成的原電池為例）中的電子轉(zhuǎn)移和離子定向移動過程，學生可以清晰觀察到原電池中的電子轉(zhuǎn)移情況：金屬鋅作為負極，失去電子，電子經(jīng)過導線傳遞給銅電極，氫離子定向移動來到銅電極，在銅電極表面得電子，生成氫氣。學生從而深入理解：鋅的溶解是鋅原子失去電子過程，氫氣的形成是氫離子得電子過程，將原本不透明的黑匣子可視化。建模教學是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的重要途徑，培養(yǎng)其從宏觀和微觀相結(jié)合的視角分析與解決實際問題的能力。

七、總結(jié)

首先，建模教學在化學教學中的優(yōu)勢不言而喻，但不能夸大了建模教學的優(yōu)點，將建模教學應用在所有的知識章節(jié)中，生搬硬套。課堂的主體是學生，有助于發(fā)展學生核心素養(yǎng)的建模教學才是適合的。其次，建立的模型并不是一成不變的，當教學情境發(fā)生改變的時候，建模的內(nèi)容也要適當修正。最后，建模教學只是教學的輔助手段，不是教學的全部。

參考文獻：

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責任編輯：趙瀟晗