張志欣

（福建省仙游第一中學(xué)，福建莆田 351200）

引 言

模型是重要的研究方式，在近代科學(xué)發(fā)展中具有非常重要的作用。在化學(xué)學(xué)科教學(xué)中，教師可通過構(gòu)建相應(yīng)的化學(xué)模型，幫學(xué)生更好地學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)。因此，在模型認(rèn)知引導(dǎo)下，教師應(yīng)深入分析化學(xué)學(xué)科和核心素養(yǎng)的核心內(nèi)涵，優(yōu)化課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而提高課堂活動(dòng)的有效性。

一、提出問題

隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，教育部考試中心提出了“價(jià)值引領(lǐng)、素養(yǎng)導(dǎo)向、能力為重、知識(shí)為基”的命題理念。如何在課堂教學(xué)中落實(shí)立德樹人、發(fā)展素質(zhì)教育、培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)已成為高中一線教師的重要研究課題。筆者結(jié)合多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，就如何借助模型認(rèn)知培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)，提出一些個(gè)人建議，以供參考。

二、模型認(rèn)知的內(nèi)涵與作用

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)分為“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”五個(gè)維度，它們各有側(cè)重，又相互補(bǔ)充、相互促成。模型認(rèn)知通過模型對(duì)化學(xué)研究領(lǐng)域的研究結(jié)果加以解釋或描述，是一種簡化、直觀的描述方式，也是研究化學(xué)的基本思維方法。合理建立和運(yùn)用模型是學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移、解決問題、突破創(chuàng)新的重要抓手[1]。學(xué)生只有掌握了科學(xué)的思維方法，才能在研究物質(zhì)的變化過程中，更深入地理解物質(zhì)及其變化規(guī)律和本質(zhì)；加深對(duì)宏觀現(xiàn)象與內(nèi)在本質(zhì)的聯(lián)系的理解，將抽象的概念具體化，理解物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系；發(fā)展證據(jù)推理和數(shù)據(jù)加工能力；突破原有認(rèn)知局限，在新情境中運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決相關(guān)問題，真正落實(shí)學(xué)科素養(yǎng)的培育。因此，模型認(rèn)知在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的思維導(dǎo)向和支撐作用是不可忽略的。

三、模型認(rèn)知在課堂教學(xué)中的實(shí)踐

（一）依托思維模型，滲透變化觀念

與初中化學(xué)相比，高中化學(xué)知識(shí)不僅內(nèi)容更多，難度和深度也有所增加。元素化合物作為高考考查的必備知識(shí)之一，在教材的編排上較為分散，知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系較少，導(dǎo)致學(xué)生難以掌握不同物質(zhì)之間的聯(lián)系及其轉(zhuǎn)化規(guī)律。在日常教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生按照一定的知識(shí)主線進(jìn)行知識(shí)歸類，構(gòu)建知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，掌握不同物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化規(guī)律[2]。而價(jià)類二維圖作為一種能夠體現(xiàn)物質(zhì)類別與反應(yīng)規(guī)律的思維模型，在模型構(gòu)建和使用中，恰好能幫助學(xué)生完善知識(shí)體系、掌握物質(zhì)的轉(zhuǎn)化規(guī)律，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生元素觀、分類觀及轉(zhuǎn)化觀等學(xué)科素養(yǎng)的目的。

以“硫和含硫化合物的相互轉(zhuǎn)化”的教學(xué)為例，教師可引導(dǎo)學(xué)生分析硫元素常見的化合價(jià)，列舉各種價(jià)態(tài)的代表性物質(zhì)，將所列的各種代表性物質(zhì)按類別進(jìn)行分類，自主構(gòu)建“價(jià)類二維關(guān)系圖”，如圖1所示。

圖1

通過建構(gòu)價(jià)類二維圖，學(xué)生可以將硫及其化合物整合成一個(gè)知識(shí)體系。然后，教師要讓學(xué)生以不同物質(zhì)為原料，設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案來制備新物質(zhì)。例如，在二氧化硫的制備中，學(xué)生要清楚地抓住兩條主線：①同種價(jià)態(tài)不同類別物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)Na2SO3→H2SO3→SO2之間的轉(zhuǎn)化；②不同價(jià)態(tài)含硫化合物的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)濃H2SO4→SO2或S（H2S、Fe2S）→SO2之間的轉(zhuǎn)化。通過分析轉(zhuǎn)化的條件及實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備，學(xué)生能夠深入理解酸堿反應(yīng)規(guī)律、氧化還原反應(yīng)規(guī)律，發(fā)展自身的分類觀念和變化思想。如此，學(xué)生在建立“價(jià)類二維圖”模型過程中，不僅可以掌握元素及其化合物的性質(zhì)與用途，提升化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，還能認(rèn)識(shí)到化學(xué)建模在學(xué)習(xí)元素化合物知識(shí)中的作用和重要性，使自身知識(shí)與技能兩個(gè)方面均得到提升，從而感受到化學(xué)的魅力。

（二）運(yùn)用實(shí)物模型，促進(jìn)宏微結(jié)合

化學(xué)是在原子、分子等微觀層次研究物質(zhì)組成、性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的一門自然學(xué)科，其特征是從微觀層次認(rèn)識(shí)物質(zhì)，具有較強(qiáng)的抽象性。在教學(xué)過程中，教師可采用抽象概念具體化的建模思想優(yōu)化概念教學(xué)，將抽象的微觀結(jié)構(gòu)通過圖片、動(dòng)畫及實(shí)物模型等方式進(jìn)行展現(xiàn)，由此將微觀的化學(xué)結(jié)構(gòu)直觀化、宏觀化，降低理解難度，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)變得有形化和簡單化，使其更好地理解與掌握化學(xué)知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)宏觀辨識(shí)與微觀探析能力[3]。

例如，在必修一“電解質(zhì)概念”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)知道了NaCl 晶體熔融狀態(tài)下能導(dǎo)電，而HCl 晶體則不能。但深究其原因，學(xué)生不甚了解。而在學(xué)習(xí)了化學(xué)鍵及晶體類型后，學(xué)生可以借助晶體模型發(fā)現(xiàn)，在熔融狀態(tài)時(shí)，NaCl 晶體中的離子鍵被破壞，產(chǎn)生了自由移動(dòng)的Na+和Cl-，具備了導(dǎo)電的條件；而HCl 晶體熔融時(shí)，由固態(tài)HCl 變成了液態(tài)的HCl，拉大了HCl 分子間的距離，破壞了分子間作用力，但HCl 分子結(jié)構(gòu)并沒有變化，體系中并不存在自由移動(dòng)的帶電粒子，因而不能導(dǎo)電。借助晶體模型，學(xué)生實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電這一宏觀性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)之間的良好結(jié)合，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)這一特有的化學(xué)觀念。

在同分異構(gòu)體的教學(xué)中，教師可以借助于球棍模型，在學(xué)生了解了甲烷的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，要求學(xué)生增加C 原子的個(gè)數(shù)，從甲烷演變?yōu)橐彝椤⒈槟酥炼⊥?，學(xué)生會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)到丁烷時(shí)，出現(xiàn)了兩種不同的連接方式，這樣就自然而然地建立了同分異構(gòu)的概念。同樣，學(xué)生借助模型也可以發(fā)現(xiàn)二氯甲烷只有一種結(jié)構(gòu)。這種抽象概念具體化的建模教學(xué)，有助于提升學(xué)生的微觀探析能力。

（三）建立化學(xué)模型，培養(yǎng)證據(jù)推理意識(shí)

化學(xué)是一門基于實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的認(rèn)真觀察和對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析處理，去偽存真，建立符合化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的學(xué)科模型，是研究化學(xué)的常用方法[4]。也就是說，模型是在合理的證據(jù)推理的基礎(chǔ)上建立起來的。在模型建立的過程中，學(xué)生的證據(jù)推理意識(shí)和能力能夠得到很好的培養(yǎng)。

以原電池模型建立為例，由于學(xué)生具有“電荷定向移動(dòng)形成電流”和“氧化還原反應(yīng)中有電子轉(zhuǎn)移”的認(rèn)知基礎(chǔ)，教師可以讓學(xué)生思考：“如何讓氧化還原反應(yīng)中的電子發(fā)生定向移動(dòng)從而形成電流，讓化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能？”同時(shí)提供銅片、鋅片、碳棒、導(dǎo)線、水果、稀硫酸、硫酸銅溶液等儀器和藥品，讓學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究，并基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)，得出形成原電池的條件；根據(jù)銅片或碳棒上產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象，推理得出鋅片失去的電子移向銅片或碳棒并被H+所得，再用電流計(jì)檢驗(yàn)電流的產(chǎn)生；將電解質(zhì)改為硫酸銅，觀察兩極附近溶液顏色的變化，得出溶液中離子移動(dòng)的方向等實(shí)驗(yàn)事實(shí)，并形成證據(jù)推理，構(gòu)建原電池模型。

（四）完善化學(xué)模型，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

建模作為科學(xué)性與假定性的辯證統(tǒng)一體，不僅要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，還要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)、糾正與擴(kuò)充[5]。要想通過模型認(rèn)知培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，教師在指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)與完善模型的過程中，就要充分利用現(xiàn)有的素材與資源創(chuàng)設(shè)情境，盡量啟發(fā)其感性思維，助推其進(jìn)行化學(xué)模型的建構(gòu)，發(fā)展其創(chuàng)新意識(shí)與尊重事實(shí)的科學(xué)素養(yǎng)，并鍛煉他們的思維概括能力，從而推動(dòng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[6]。

例如，學(xué)生基于對(duì)銅鋅原電池的結(jié)構(gòu)、電荷移動(dòng)方向和化學(xué)反應(yīng)的分析，抽象構(gòu)建出了最原始的原電池模型。這時(shí)，教師可設(shè)計(jì)一些新的問題情境，激發(fā)學(xué)生分析、解決問題的興趣，并完善模型。

問題1：鐵生銹被腐蝕實(shí)際上是發(fā)生了原電池反應(yīng)，請同學(xué)們回顧初中化學(xué)中鐵生銹的條件并結(jié)合“銅鋅原電池”模型，探究鐵被腐蝕的電化學(xué)原理。

問題2：已知H2的熱值很高，請?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)2H2+O2=2H2O這一反應(yīng)中化學(xué)能向電能的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)氫能的利用。

問題3：如何避免單液電池中氧化劑與還原劑直接接觸而造成的能量損失？

學(xué)生通過結(jié)合原電池模型，分析鐵在生銹過程中得失電子的情況，由溶液中的陽離子在正極得到電子的認(rèn)識(shí)上升到溶解在水中的氧氣得到電子這一新的認(rèn)識(shí)上，初步建立氧電極的雛形。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生自然能夠建立氫電極的模型，實(shí)現(xiàn)氫氧燃料電池的設(shè)計(jì)，明白電極材料可以不作為電極反應(yīng)物、可以是同種金屬(Pt)或石墨，明白電極反應(yīng)物可以是外界通入的一組可以進(jìn)行燃燒反應(yīng)的氣體。如何避免氧化劑與還原劑直接接觸？這一問題必然會(huì)促使學(xué)生思考雙液電池、離子交換膜的使用原理。一系列組合問題，促進(jìn)了學(xué)生思維的發(fā)展，讓學(xué)生感受到探究過程的復(fù)雜性，并在情境中建構(gòu)、完善化學(xué)模型，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力。

結(jié) 語

在高中化學(xué)教學(xué)活動(dòng)中，教師充分借助模型認(rèn)知方法，能夠幫助學(xué)生理解事物及其變化的本質(zhì)特征和規(guī)律，解釋或描述有關(guān)的化學(xué)現(xiàn)象，預(yù)測物質(zhì)間的變化結(jié)果；通過構(gòu)建化學(xué)模型，為學(xué)生提供解決復(fù)雜的化學(xué)問題的思路和方法，提高他們分析和解決問題的能力；通過建構(gòu)化學(xué)模型，加深學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)與現(xiàn)實(shí)生活之間聯(lián)系的認(rèn)識(shí)，全面培養(yǎng)他們的化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，使其掌握解決化學(xué)問題的技巧與思路，讓他們深化理解所學(xué)內(nèi)容并學(xué)會(huì)實(shí)踐運(yùn)用。