王澄 孟獻華

摘要：在化學基本概念教學中，以“模型認知”為學科思維方法，關注學生對核心概念的認知程度和思路，給出高一化學“氧化還原反應”的教學案例，引領學生模型認知，樹立學生模型意識，為指向化學學科核心素養(yǎng)的高中化學概念教學提供參考。

關鍵詞：模型認知;學科核心素養(yǎng);氧化還原;概念教學;證據推理

文章編號：1008-0546（2021）02-0034-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.02.009

2017年版的普通高中化學課程標準基于經驗和理論的有機融合，提煉了化學本質特征，建構了學科核心素養(yǎng)的內容及發(fā)展水平體系。“模型認知”是學科核心素養(yǎng)的思維核心。課程標準提出了“模型認知”的釋義，即“通過分析、推理等方法認知本質特征、構成要素、相互關系，建立模型”。這說明了在化學概念教學中需要充分基于“模型認知”展開教學，揭示概念的本質和發(fā)展規(guī)律，解釋化學現象。相對于學科核心素養(yǎng)的其他維度而言，一線教師研究者對“模型認知”的理論定義和內涵解析并未形成統(tǒng)一的見解。本文結合課程標準（2017版）和已有相關文獻，在解析“模型認知”涵義的基礎上，應用模型認知進行教學實踐、開展實驗探究、建立知識體系，利用模型認知突破概念教學的困難點、評價學生學習效果，探尋氧化還原教學中的認知模型及建構途徑，形成引領學生模型認知的主要策略。

一、“模型認知”的內涵解析

《辭?！分姓J為“模型”是具有原型相似特征的替代物，是系統(tǒng)或過程的簡化、抽象和類比?！霸汀笔侵缚陀^存在的客體，根據原型的不同方式，將模型分為物質模型和思想模型兩大類?！罢J知”作為科學術語釋義是指人認識外界事物的過程，它包括感覺、知覺、記憶、思維、想象、言語。分析課程標準（2017版）對“模型認知”的釋義和“中國知網”相關文獻語境，“模型認知”的涵義是指基于“模型”的“認知”，這里的“模型”并不僅僅是狹義的實物模型，還是一種重要的科學操作和科學思維。與之相對應，課程標準將“模型”分為“物質模型”和“理論模型”。

“物質模型”可理解為實物模型，這類模型是以原型為基礎，利用按比例放大或者縮小的物化過程，對原型進行模仿建構，能以實物或者圖形的形式呈現，例如課堂中常用的球棍模型、比例模型、雜化軌道模型、工業(yè)制備的設備模型等，這類模型的優(yōu)點是直觀形象地反映了原型的本質特征，有利于學生對原型的可視化理解。

“理論模型”可理解為與科學操作和科學思維的結構化表達，常常包括語義模型、思維模型、數學模型等。語義模型是指用特定的化學語言描述的模型，如概念、原理、規(guī)律的表達模型，也包括元素符號、結構示意圖等特定化學抽象模型;思維模型是指概念理解的思維過程，如概念體系模型、概念關系模型等;數學模型是指用數學語言描述的模型，如描述離子放電順序的數軸模型、描述不同物質間化合價變化的坐標模型、化學反應方程式的等式模型等。其相互關系如圖1所示。

二、基于“模型認知”的氧化還原反應教學分析

1.氧化還原反應的教學模型分析

氧化還原反應是化學基礎理論的重要組成部分，是由化學現象、事實抽象出來的化學核心概念。氧化還原反應涉及的概念包括氧化還原反應（上位概念），被氧化和被還原、氧化劑和還原劑、氧化性和還原性、氧化產物和還原產物（下位概念）。基于模型認知的氧化還原反應的設計核心，是將模型認知融入概念教學的每個環(huán)節(jié)，分析氧化還原概念形成中的邏輯關系，對比概念的不同定義，領會論證推理的學科思維，形成科學觀念。設計的理論基礎在于，學生對概念的理解過程很大程度上和氧化還原概念的形成過程具有一致性，經歷了宏觀到微觀到本質的認知過程。課堂教學按照學生概念形成的過程設計，能更有效地實現樸素概念到科學概念的轉換（圖2）。

基于物質的氧化還原：歷史上第一次使用“還原”是描述將金屬從礦石分離出來的過程，在這個過程中礦石材料的質量在減少（單詞“reduction”兼有“減輕”“減少”“還原”的意思），所以化學家將這個過程稱為reduction（還原過程）。早期的“氧化”是描述物質和氧氣結合生成氧化物（oxide）的過程，所以這個過程稱為oxidation（氧化過程）。

基于元素的氧化還原：化學家意識到有其他非金屬單質也有與氧氣類似的反應，認為原子的氧化數為0，離子的氧化數為該離子所帶電荷數，元素的氧化數增加的過程為氧化過程，氧化數減少的過程為還原的過程，在反應過程中氧化數有升高必然有降低。

基于微粒的氧化還原：現代化學中氧化反應是指物質失去電子的反應，還原反應是指得到電子的反應。由于電子是從一個微粒轉移到另一個微粒，因此反應過程中氧化反應和還原反應同時發(fā)生。

對高一學生“氧化還原反應”學習前的已有認知調查表明，滬教版上冊125頁定義金屬和氧氣反應生成金屬氧化物的過程叫氧化，金屬氧化物和一氧化碳等物質反應生成金屬的過程叫還原。學生認為和O2發(fā)生的反應為氧化反應，H2、CO等是還原劑，能還原金屬氧化物，這和最早期的氧化還原的定義的一致的。高中化學1第5頁定義有化合價的變化的反應為氧化還原反應，高一學生能通過化合價變化判斷氧化還原反應，但不能跟初三已有的氧化和還原之間建立聯(lián)系。由此可見，學生在學習這個概念之前已經形成了原有孤立的思維模型。如何幫助學生建立涵義拓展、對立統(tǒng)一的氧化還原觀是本節(jié)課需要解決的重點問題。

課程標準也對《氧化還原反應》提出相應建議：以氧化還原理論建立史料為情境素材，認識化合價變化的反應是氧化氧化還原反應，了解氧化還原反應的本質是電子的轉移，知道常見的氧化劑和還原劑?；谌N模型的一致性分析，結合課程標準，形成了解決重點問題的教學模型：以氧化還原概念變化為線索進行教學設計，用微型實驗再現樸素孤立的氧化還原觀，對比分析化合價變化形成對立統(tǒng)一的氧化還原觀，實驗探究電子轉移強化內涵本質的氧化還原觀（圖3）。

2.基于“模型認知”的氧化還原教學過程教學過程如表1所示。

三、基于“模型認知”的氧化還原教學反思

1.學科知識模型的深入理解

學科知識模型的建構強調對知識的理解而非記憶。氧化還原反應是蘇教版高一化學1第44頁內容，本節(jié)課是氧還原反應教學的第一課時，教學內容的基本成分是：（1）氧化還原的概念、特征、本質;（2）氧化還原反應、氧化劑還原劑、氧化性還原性、氧化產物還原產物之間的相互關系;（3）用雙線橋法表示電子轉移。教學基礎是初三化學對于氧化還原的會意樸素的定義。第2課時的氧化還原方程式配平、化學2中的《原電池》《電解池》及高二《化學反應原理》中的電化學都需要本節(jié)內容的學科知識和思維方式。從科學史料出發(fā)，基于宏觀實驗現象推理初三原始模型，用微觀化合價推理對立統(tǒng)一的氧化還原觀，基于探究實驗推理微觀本質模型。本節(jié)課也為后續(xù)的學習提供了參考，實物模型和理論模型在后續(xù)的學習中不斷彰顯應用價值。

2.學生認知模型的建構策略

基于認知模型的概念教學首先要幫助學習者樹立模型意識，很多時候學生在學習中已經運用了模型而不自知。學生認知模型的建構要求教師對認知模型的特點、類別、作用有一定的了解，能根據課標要求、教學內容、實際學情將學科知識和思維方法模型化，引導學生用恰當的模型來解決問題，用各種形式顯化相應模型，指導學生根據自己的理解表達模型。本節(jié)課需要學生形成涵義拓展的氧化還原反應觀，能表達模型中的“有得必有失，得失相等;有升必有降，升降等量”的認知模型。在教師指導下，學生根據自我認知形成不同的氧化還原建構模型，不同個體對同一概念的模型建構的關注點不同，對氧化還原反應的認知模型也有差異，形成不同的模型表達。對于不同的學習個體，教師應該肯定學生用適合自己的方式進行表達，從而讓學生樂于建模，勤于建模。

3.教學設計模型的有效實施

在教學過程中建立氧化還原認知模型，需要理解化學學科思想和核心觀念，表現概念建立的邏輯認知，建立相互關聯(lián)的概念群，培養(yǎng)學生邏輯推理的思維過程。教學設計模型的有效實施是對課標提出的模型認知進階的教學呈現：教學設計實施過程中將氧化還原的科學史實和理論模型之間進行關聯(lián)和合理匹配（水平1）;從基于物質的氧化還原到基于元素的氧化還原，到基于微粒的氧化還原，從不同的視角分析問題，形成合理模型，并論述其個性化模型表示的具體含義（水平2）;利用雙線橋完成對氧化還原定性認識到定量分析的轉化，學生個體能對片面理解進行評價和改進（水平3）;基于理論進行猜想，尋找充分證據，理解實驗現象和結論之間的關系;針對生活情境中的化學問題進行分析以建構相應模型（水平4）。在教學中利用板書（如圖4）恰當呈現教學設計模型的結構化生成。