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        基于模型認(rèn)知的教學(xué)實(shí)踐

        2021-11-20 22:06:11嚴(yán)西平
        化學(xué)教與學(xué) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:模型認(rèn)知

        嚴(yán)西平

        摘要:基于模型認(rèn)知的教學(xué)理念,創(chuàng)設(shè)了數(shù)形結(jié)合的圖像模型的教學(xué)方法,結(jié)合模型認(rèn)知水平設(shè)計(jì)了初中化學(xué)溶液組成討論與計(jì)算教學(xué)過(guò)程。

        關(guān)鍵詞:模型認(rèn)知;圖像模型;模型認(rèn)知水平;溶液組成的討論計(jì)算

        文章編號(hào):1008-0546(2021)04-0054-04 中圖分類號(hào):G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        doi:10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.014

        “化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理過(guò)程,即對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過(guò)程”[1]。然而,從初中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐和中考閱卷情況來(lái)看,有關(guān)溶液組成討論與計(jì)算題的失分相當(dāng)嚴(yán)重,不少學(xué)生只會(huì)死記概念、硬套公式,碰到新情景束手無(wú)策。究其原因,是缺少對(duì)溶液組成形象化的認(rèn)知(即缺少相應(yīng)的模型意識(shí)和模型表達(dá))、不能深刻理解概念、公式表征的意義,造成對(duì)溶液組成認(rèn)識(shí)不透徹、定性分析和定量計(jì)算的能力嚴(yán)重不足。

        “模型認(rèn)知”是化學(xué)重要的核心素養(yǎng)之一[2],模型包括實(shí)物模型和非實(shí)物的形式模型兩大類,形式模型又包括數(shù)學(xué)模型、圖像模型和語(yǔ)義模型等[3]。按照學(xué)習(xí)水平又可以劃分為層次(如表1 ) [4]。

        一、教學(xué)設(shè)計(jì)

        依照對(duì)2017版高中課標(biāo)中有關(guān)“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)內(nèi)容的理解,參照表1的認(rèn)知水平劃分,對(duì)照2017版高中課標(biāo)中有關(guān)“教、學(xué)、評(píng)一體化”的要求,設(shè)計(jì)了如表2所示的教學(xué)進(jìn)階:

        二、教學(xué)過(guò)程

        1.定性認(rèn)識(shí)溶液圖像模型

        【引入】常溫下某飽和溶液(如蔗糖溶液)的示意圖如圖1所示,其中“○”代表蔗糖分子,“△”代表水分子。假設(shè)有一個(gè)隔板能將蔗糖和水完全分開(kāi),則圖1可以改造為圖2:虛擬隔板用虛線表示,稱作“飽和線”,兩邊的面積(Sa和Sb)表征溶質(zhì)與溶液質(zhì)量的大小。升溫后(不考慮水分的蒸發(fā))蔗糖的溶解度增大,飽和線右移,但蔗糖和水的質(zhì)量都沒(méi)有變化,因此圖2轉(zhuǎn)形為圖3(俗稱“凹凸形”):其中Sa'=Sa,Sb'=Sb。

        【討論】當(dāng)降溫時(shí),圖3怎樣改變?

        【結(jié)論】圖2與圖3表征的兩種溶液狀態(tài)就是常見(jiàn)的溶液圖像模型,可以借助“飽和線”的移動(dòng)來(lái)體驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程。

        2.定量理解溶液圖像模型

        【活動(dòng)】①根據(jù)氯化鈉溶解度,在圖4的燒杯1中畫(huà)出20cC飽和食鹽水的數(shù)形結(jié)合圖像模型,并說(shuō)出圖中各部分的含義;②在圖4的燒杯2中畫(huà)出20℃ 0.9%的生理鹽水的數(shù)形結(jié)合圖像模型(溶液很稀,密度可視為1g/mL)

        【展示】指導(dǎo)繪制出如下所示的燒杯1和燒杯2的溶液圖像,并分別定量描述各燒杯中的溶液組成(略)

        【思考】為方便與燒杯1比較,按照0.9:99.1的比例在燒杯2中增加0.01g的氯化鈉和0.9g的水,得到相似的燒杯2'(圖4),溶液組成仍為0.9%。這說(shuō)明了什么?同樣在燒杯1中同時(shí)加3.6g氯化鈉和10g水,飽和線會(huì)移動(dòng)嗎?

        【發(fā)現(xiàn)】對(duì)比燒杯1與燒杯2,可以發(fā)現(xiàn)“平整”和“凹凸”是飽和與不飽和溶液的圖像特征,燒杯2的溶液組成可以用“去凸補(bǔ)凹”的途徑轉(zhuǎn)換成燒杯1的溶液組成。

        【思考】通過(guò)數(shù)形對(duì)應(yīng)的方式,如何把燒杯2的溶液組成變成跟燒杯1一樣呢?哪種方式最簡(jiǎn)便?

        【討論】①“補(bǔ)凹”:向燒杯2(右面的)中添加36g-0.91g=35.lg的氯化鈉;②“去凸”:蒸發(fā)掉100g-(100g/36g×0.91g)=97.5g。顯然這樣的操作既費(fèi)力費(fèi)時(shí)又難以準(zhǔn)確把握蒸發(fā)掉的水量,實(shí)際上是不可取的!

        【思考】如何將用燒杯1的溶液組成變成跟燒杯2一樣呢?“補(bǔ)凹”的方法合適嗎?

        【討論】①“挖掉氯化鈉”實(shí)驗(yàn)中不可行;②“添加水”要添加很多,燒杯盛不下。所以應(yīng)該另辟蹊徑:取少量燒杯1的溶液(其中的溶質(zhì)質(zhì)量等于0.91g),然后稀釋就能配成燒杯2(右面的)的溶液了。

        3.應(yīng)用溶液圖像模型分析溶液組成的變化

        【例題1】將40℃的飽和澄清石灰水降溫到20℃,溶液組成和狀態(tài)會(huì)發(fā)生什么變化呢?如果改為向室溫下的飽和澄清石灰水中加入少量氧化鈣(不考慮溫度變化)又會(huì)怎樣呢?

        【解析1】因?yàn)闅溲趸}的溶解度隨溫度的降低而增大,所以這個(gè)過(guò)程溶液從飽和變?yōu)椴伙柡?,但溶質(zhì)、溶劑都沒(méi)有變化。具體分析過(guò)程見(jiàn)圖5。

        【解析1】如果向飽和氫氧化鈣溶液中加入氧化鈣,氧化鈣會(huì)跟水反應(yīng),造成溶劑減少(用陰影部分表示),進(jìn)而不能再溶解一部分氫氧化鈣(包括反應(yīng)生成的),析出等比例的溶質(zhì)(也用陰影部分表示),具體分析見(jiàn)圖6。

        【例題2】若用10.0%的氫氧化鈉溶液16.0g滴加到20.0g鹽酸(含2滴酚酞試液)中,混合液剛好由無(wú)色變?yōu)榉奂t色時(shí),可認(rèn)為恰好完全反應(yīng)。

        ②原鹽酸中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是多少?

        ②試列式計(jì)算說(shuō)明將該反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)化為20℃時(shí)飽和溶液的一種簡(jiǎn)單方法(計(jì)算結(jié)果精確到O.1g)。已知:20℃時(shí)氯化鈉的溶解度為36.0g。

        【解析】反應(yīng)前稀鹽酸和氫氧化鈉溶液是不飽和溶液,反應(yīng)后生成的氯化鈉溶液也是不飽和的。根據(jù)反應(yīng)方程式和溶液質(zhì)量守恒的原理,算出此溶液的組成。據(jù)此繪制這三個(gè)燒杯的模型圖像。前面已經(jīng)討論過(guò)了,將此不飽和的氯化鈉溶液變?yōu)轱柡偷淖詈?jiǎn)單的方法就是“補(bǔ)凹”。參照氯化鈉飽和溶液的圖像模型,可以很方便地設(shè)未知量列比例式進(jìn)行計(jì)算,從而得出答案。具體分析見(jiàn)圖7所示。

        4.建構(gòu)和精致溶液圖像模型

        【思考】一般情況下,對(duì)大多數(shù)的溶液而言,溶液的圖像模型有幾種?它們是如何進(jìn)行轉(zhuǎn)換的?請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容,分小組討論并總結(jié)繪制。

        【歸納】(學(xué)生板演)有兩種:飽和溶液(“平整”形)和不飽和溶液(“凹凸”形)。當(dāng)飽和溶液升溫或不飽和溶液降溫時(shí)它們可以相互轉(zhuǎn)換,或者說(shuō)升溫時(shí)飽和線右移,“平整”變“凹凸”;反之則是“凹凸”變“平整”。

        【追問(wèn)】如果飽和溶液蒸發(fā)溶劑時(shí)或者向飽和溶液中等比例增加溶質(zhì)溶劑呢?

        【回答】(學(xué)生板演)第一種情況飽和溶液圖像會(huì)被平齊地“切去”一塊,但飽和線不移動(dòng);第二種情況飽和溶液圖像會(huì)被平齊地“增加”一塊,飽和線仍不移動(dòng)。

        【小結(jié)】(師帶生)建構(gòu)一般情況下的溶液模型可以用圖8來(lái)表示。

        【啟發(fā)]圖7是不是包括了所有變化的情形呢?飽和溶液降溫時(shí)適用嗎?

        【討論】(學(xué)生分組)不行,降溫只會(huì)析出晶體,溶劑的量不變,模型必須調(diào)整或重構(gòu)。

        【創(chuàng)新】以40℃ 163.9g飽和硝酸鉀溶液降溫到20℃時(shí)的情況為例,繪制這一變化過(guò)程的溶液圖像模型。

        【引導(dǎo)】飽和線要左移,勢(shì)必將溶質(zhì)像“擠牙膏”似的擠出一部分(就是析出的硝酸鉀晶體,用陰影部分表示),水量不變,雖然變化后的圖像看上去與原來(lái)的相似,但是因?yàn)轱柡途€發(fā)生的位移,所以圖像性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變。反之,降溫后再升溫,圖像又會(huì)變回原樣。詳見(jiàn)圖9。

        三、教學(xué)反思

        數(shù)形結(jié)合的溶液圖像模型的創(chuàng)設(shè)填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)教學(xué)空白,也可以看作是多了一種教學(xué)模式或方法。該模型的最大優(yōu)勢(shì)就是把學(xué)生從繁重的純數(shù)據(jù)計(jì)算中解脫出來(lái),減少了學(xué)生對(duì)化學(xué)計(jì)算的恐懼感,激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算類型課的興趣。同時(shí)還可以借助模型認(rèn)知,發(fā)展學(xué)生的空間觀念,培養(yǎng)學(xué)生初步的邏輯思維能力。

        “模型認(rèn)知”雖然是高中課標(biāo)中提出的,但是初中化學(xué)教師應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)、積極實(shí)踐,這既能有效地提升教師素養(yǎng),又能身體力行地推動(dòng)學(xué)科核心素養(yǎng)早日在初中化學(xué)教學(xué)中落地生根、開(kāi)花結(jié)果。

        參考文獻(xiàn)

        [1]楊玉琴.化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)及教學(xué)[J].北學(xué)教學(xué),2013(10):6-9

        [2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)[S].人民教育出版社,2018:4

        [2]陸軍.化學(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知的思考與探索[J].化學(xué)教學(xué),2017(9):19-23

        [4]左頔.“高中化學(xué)教學(xué)基本要求”中“模型認(rèn)知”的分析與啟示[D].上海:上海師范大學(xué),2018:18-19

        *本文系2020年新疆維吾爾自治區(qū)小課題“基于核心素養(yǎng)的化學(xué)智慧課堂教學(xué)模式研究”(課題編號(hào)2011011)研究成果。.

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