車建偉 陳霞 潘永根

摘要：從化學模型的教學功能出發(fā)，提出了基于問題驅動建構化學模型的教學模式，闡釋了其內涵和意義，以“建構水解模型”為例，設計并實施了教學案例，對教學實踐進行了總結和反思。

關鍵詞：問題驅動;化學模型;水解

文章編號：1008-0546（2022）03x-0020-05??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.005

模型是認識和研究自然科學的重要工具?；瘜W模型作為科學模型的一種，是認識物質、改造物質和應用物質過程中所體現(xiàn)出的具有化學學科特征的具體或抽象的表征[1]。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）將“模型認知”作為學科核心素養(yǎng)之一，并多次對此進行了闡述?！墩n程標準》在課程目標中提出“能認識化學現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果;能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架[2]?！笨梢?，化學模型的建構和應用是化學學習中最基礎、最核心的方法，也是落實核心素養(yǎng)和培育科學思維的重要手段。

在課堂教學中，尤其是在復習課中，學生更多關注于零散孤立的知識本身，難以形成系統(tǒng)化的知識框架，這是制約學生建構化學模型的瓶頸。如何引導學生通過自主構建模型來整合已有知識，應用模型深入地理解知識本質，形成解決問題的思維框架，是值得探討的問題。

一、問題驅動建構化學模型的內涵及意義

化學模型建構不是知識的堆疊和梳理，而應是針對問題的理解和解釋。問題驅動是建構化學模型的重要途徑?；趩栴}驅動建構化學模型的教學是在學生已有的知識基礎上，將知識轉化為若干問題，學生通過對問題進行深入思考和分析，將知識進行關聯(lián)和運用，同時將解決問題的思維過程形成可視化的具有指導意義的模型，并進一步在新的問題情境中對現(xiàn)有模型進行評價和完善。以問題驅動建構模型有以下幾方面的意義。

1.問題驅動培養(yǎng)建模意識

核心素養(yǎng)強調對知識的深度理解。不同類型和層次的問題，能將學生置于解決問題的情境中，激發(fā)學生的求知欲，調動已有知識內存。學生在此過程中可以更加深入地理解知識，了解知識的產生和發(fā)展歷程，從而搭建起完整清晰的知識脈絡?；瘜W知識所涉及的物質結構、性質和變化規(guī)律以及知識之間的邏輯關系，是初始建模所需的基本要素。因此，問題驅動知識整合，為進一步抽象提煉模型奠定了基礎，培養(yǎng)學生樹立建模意識。

2.問題驅動強化建模能力

建構化學模型需要具備觀察與分析、分類與比較、證據與推理、歸納與總結等多重能力。在解決問題的過程中，學生將不同程度地鍛煉上述能力。面對復雜和陌生的化學問題情境，學生能夠逐步學會提取、加工信息，分解、關聯(lián)問題，建構起解決問題的思維框架并將其外顯可視化。此外，新的同類問題能促發(fā)學生應用模型，根據模型預測結果，同時分析模型中可能存在的不足并予以修正和完善。由此可見問題對于學生建模能力的培養(yǎng)具有重要意義。

3.問題驅動提升建模素養(yǎng)

高質量的問題是素養(yǎng)發(fā)展的場域。優(yōu)質問題驅動可得到優(yōu)化模型，以解決更富有挑戰(zhàn)性的問題，從而形成良性循環(huán)。建模過程，事實上也是科學探究和創(chuàng)新思維發(fā)展的過程。學生能在其中體會建模對化學理論發(fā)展的作用，收獲模型方法解決問題的樂趣和成就感，進而促進建模素養(yǎng)的提升。

二、問題驅動建構化學模型的教學設計

水解觀是高中化學的核心概念和原理之一?，F(xiàn)有教材中的水解反應涉及鹽類的水解和酯（油脂）、酰胺（蛋白質）的水解。這三類物質的水解概念在日常教學中關聯(lián)度不大“建構水解模型”復習課則提出廣義的水解概念，即物質原子（離子）的分解和水之間的一切化學反應，力圖將無機和有機的水解原理貫通與整合，并將其模型化。學生能在建立廣義水解觀的過程中，理解化學反應的內在本質，訓練化學學科思維，同時也能體會到建模在解決化學問題中的重要作用。

1.教學目標

（1）通過宏觀實驗現(xiàn)象（乙醇鈉溶于水能使酚酞變紅），分析微觀反應的過程，進一步認識水解的本質。

（2）根據已有知識（元素周期律、共價鍵極性等）和信息提示（實驗證據、事實證據等），推斷陌生水解反應的產物。能從價鍵角度，分析化學鍵的斷裂和形成，歸納出水解反應的一般規(guī)律，從而建構水解模型，并將其應用于完全陌生物質的轉化。

（3）能設計合理的實驗方案驗證水解模型的正確性，并能根據模型本質對模型進行完善和推廣。

（4）在建模過程中，體會科學家探究物質轉化的思路，建立問題一假設一證據一結論的良好邏輯，訓練科學思維和解決問題的能力。

2.設計思路

本節(jié)課是針對已學習必修內容的高二選考學生所開展的復習課。本節(jié)課從化學藥品的保存切入，引導學生思考藥品密封保存（無水環(huán)境）的原因，從而引出化學物質會發(fā)生水解的事實。再通過乙醇鈉水解實驗，宏微結合分析水解產物，與學生熟悉的“鹽類的水解”概念作比較，從而將水解概念擴大化。學生在問題鏈的驅動下建構離子化合物的水解模型。其次，結合實例分析共價化合物在水解過程中的斷鍵和成鍵行為，調動學生回顧元素周期律和價鍵知識，搭建知識框架，由此建構共價化合物的水解模型。緊接著，學生通過觀察過氧化鈉和水反應的實驗，判斷反應產物并設計實驗驗證產物，從而印證水解模型的合理性。最后，分析陌生物質環(huán)氧乙烷的水解過程，加深對模型中斷鍵和成鍵動力的理解，并通過知識遷移將水解模型拓展至醇解和氨解，進一步掌握復雜情形下的模型建構。本節(jié)課所包含的情境、問題、知識、模型和素養(yǎng)五個維度的設計內容如表1所示。

三、教學實錄

1.建構離子化合物的水解模型

【導入】水是生命之源，是自然界最豐富的物質。雖然水很重要，但是在保存一些固體藥品的時候，我們卻不希望有水的環(huán)境。

【問題驅動】教師：請同學們回顧下哪些固體藥品需要隔絕水密封保存？

學生根據已有知識回答氫氧化鈉、氧化鈣、漂白粉、過氧化鈉、金屬鈉、無水硫酸銅、五氧化二磷、硅膠等。教師引導學生分類：①物理上溶于水，即潮解;②化學上與水反應。教師順勢引出同樣需要密封保存的物質乙醇鈉。

【信息提示】乙醇鈉為白色或微黃色粉末，易燃，有腐蝕性，可致人體灼傷。乙醇鈉應密閉、避光存于陰涼處，應與氧化劑、酸類分開存放，尤其要注意避免與水接觸。

【問題驅動】

教師：為什么乙醇鈉要避免與水接觸？乙醇鈉在水中只是物理的溶解還是發(fā)生了化學反應？

【實驗】向無水乙醇和鈉反應后的溶液中滴加2-3滴酚酞試液，觀察實驗現(xiàn)象?，F(xiàn)象：溶液變紅。結論：乙醇鈉和水反應生成堿性物質。

【問題驅動】

教師：堿性物質是什么？

學生：NaOH。

教師：NaOH中的OH^-來自哪里？H₂O電離出的H⁺又去了哪里？

學生在教師引導和提示下書寫化學方程式：CH₃CH₂ONa+H₂O→CH₃CH₂OH+NaOH。

【信息提示】教材中關于鹽類的水解反應的定義：在水溶液中鹽電離產生的離子與水電離產生的氫離子或氫氧根離子結合生成弱電解質的反應。

【問題驅動】

教師：該反應是否為鹽類的水解反應？

學生1：根據定義，乙醇并不是弱電解質，是非電解質，因此該反應不是鹽類的水解。

學生2：雖然不符合定義，但是乙醇鈉電離產生的CH₃CH₂O^-和水電離產生的H⁺結合生成乙醇，這和鹽類水解的原理很相似。

教師：為什么CH₃CH₂O^-和水電離產生的H⁺結合，而不是和水電離產生的OH^-結合？生成的物質電離程度如何？

學生：帶相反電荷的離子更容易結合。生成的乙醇在水中不能電離。

教師：為什么乙醇鈉的水解反應方程式寫“→”而不是“?”？

學生：水解程度很大，幾乎完全水解。

教師：為什么乙醇鈉水解能完全？能否從水解規(guī)律上解釋？

學生：根據水解規(guī)律，越弱越水解。乙醇是非電解質（弱電解質的極限），所以CH₃CH₂O^-的水解程度非常大，幾乎完全水解。

教師：上述過程與鹽類的水解非常相似。只不過生成了非電解質而不是弱電解質。但是從電離角度看，弱電解質弱到極限即為非電解質。由此，我們可以將鹽類的水解概念拓展到離子化合物的水解：在水溶液中鹽電離產生的離子與水電離產生的氫離子或氫氧根離子結合生成弱電解質甚至非電解質的反應。另外，離子結合遵循異電相吸的規(guī)律。

【模型建構】離子化合物的水解模型

X⁺Y^-+H⁺OH^→HY+XOH

斷鍵：電離。

成鍵：異電相吸。

設計意圖：先通過實驗從宏觀角度分析乙醇鈉水解后的產物，再從微觀角度思考水溶液中的微粒行為。當學生用已有的定義解釋乙醇鈉和水反應出現(xiàn)疑義時，層層遞進的問題驅動下，離子化合物的水解概念可以順理成章地引出，讓概念的拓展和演繹顯得不那么突兀。已有知識的挖掘、整合和遷移，使建構水解模型水到渠成。

2.共價化合物的水解模型建構

【信息提示】四氯化硅是一種無色透明的液體，極易水解，在軍事上常用來制造煙幕彈，形成能迷惑敵人的白霧。在第一次世界大戰(zhàn)期間，英國人就曾用飛機向自己的軍艦投下了含有四氯化硅的煙幕彈，從而巧妙地把自己的軍艦隱蔽起來，避免了敵機的轟炸。

【問題驅動】用化學方程式表示四氯化硅用作煙幕彈的原理。學生可根據白霧推斷出其中一種反應產物是HCl，但對另一種產物可能存在疑惑。教師引導學生從反應斷鍵和成鍵角度分析產物，提出以下幾個小問題：SiCl₄中存在什么化學鍵？Si—Cl鍵是極性鍵還是非極性鍵？Si—Cl鍵中的共用電子對偏向哪個原子？Si和Cl元素哪種非金屬性強？

學生在教師引導下分析出Si和Cl的電性，同時類比分析H₂O中H—O鍵的極性以及H和O的電性，能夠用符號δ+表示原子相對正電，δ-表示原子相對負電，從而依次寫出以下反應的化學方程式：

教師：我們通過分析元素的非金屬性判斷共價鍵的極性，進而分析出共價鍵兩端原子的電性。有了電性結果，就可以依照異電相吸的規(guī)律書寫出反應產物。請同學們在離子化合物的水解模型基礎上，寫出共價化合物的水解模型。

【模型建構】共價化合物的水解模型

X^δ+—Y^δ-+H^δ+—O^δ-H→HY+XOH（HXO）

斷鍵：元素非金屬性——共價鍵極性——原子電性。

成鍵：異電相吸。

【練習鞏固】書寫下列物質的水解反應方程式：（1）BrCl;（2）PCl₃。學生作答，教師對學生書寫情況分析講評。

設計意圖：共價化合物水解問題的分析難度有所加大。給予學生的事實證據信息有時候往往不夠全面，此時引導學生從反應本質和微觀角度思考問題顯得尤為重要。在教師一系列小問題的驅動下，學生復習了化學鍵和極性、元素周期律等知識，并將這些知識運用于新問題的解決中。這一過程也在引導學生分析原子的電性差異，從而可與離子化合物的水解相聯(lián)系，再次運用異電相吸建構共價化合物的水解模型。

3.模型應用、評價與推廣

【問題驅動】請書寫Na₂O₂和H₂O反應的化學方程式。

學生1：2Na₂O₂+2H_O====4NaOH+O₂↑（學生回憶課本知識所得）。

學生2：Na₂O₂+2H₂O====2NaOH+H₂O₂（學生應用水解模型所得）。

教師：哪一個反應的化學方程式正確？如何證明？

學生小組討論，設計實驗方案分別證明產物O₂和H₂O₂。

【問題驅動】

教師：環(huán)氧乙烷斷什么鍵？C—O鍵還是C—C鍵？為什么？

學生：根據極性斷鍵可知極性鍵比非極性鍵更容易斷，因此C—O鍵比C—C鍵更易斷。

教師：該反應是否可用水解模型解釋？

學生對該問題的分析存在困難。教師將問題分解并再次引導學生用水解模型的建模角度去分析。

教師：乙醇分子斷裂什么鍵？C—O鍵還是O—H鍵？為什么？

學生1：斷C—O鍵，形成—CH₂CH₃和—OH。依據是類比水斷鍵形成氫原子和羥基，都斷鍵形成羥基（學生根據水解模型的表達形式進行簡單模仿）。

學生2：斷O—H鍵，形成—OCH₂CH₃和—H。依據是O—H鍵的極性比C—O鍵的極性大，極性大的鍵更容易斷（學生根據水解模型的建模思維進行邏輯分析）。

教師：兩種不同的斷鍵方式得到的產物是否一樣？

學生：一樣。

教師：那么如何通過實驗方法驗證乙醇究竟是哪種斷鍵方式呢？引導學生思考驗證反應機理的方法：同位素示蹤法，如圖1所示。

【模型推廣】

1.醇解模型X^δ+—Y^δ-+H^δ+—O^δ-R→HY+XOR

2.氨解模型X^δ+—Y^δ-+H^δ+—N^δ-H₂→HY+XNH₂

設計意圖：此環(huán)節(jié)是對學生模型應用、評價和推廣能力的考察。選取過氧化鈉和水的反應，在訓練學生進行模型應用的同時，讓學生學會驗證模型的合理性。選取環(huán)氧乙烷這個同時具有極性鍵和非極性鍵的共價化合物，引導學生分析斷鍵的位置，加深學生對極性和電性的理解。由此進一步衍生至乙醇的斷鍵分析。當遇到兩個極性鍵時，學生需要分析不同共價鍵的極性的差異，而不是簡單地模仿水解模型中水的拆分形式。學生只有在充分認識和理解原理的基礎上形成科學的建模思維，才能進行有效的知識遷移，順利完成模型的完善和推廣。

此環(huán)節(jié)中，問題設置直指學生認知上的潛在模糊節(jié)點，給予學生更多思考和討論的空間。面對陌生問題情境，學生的錯誤回答能向教師反饋模型應用中的漏洞，便于及時彌補。在問題驅動下，學生不斷優(yōu)化原有認知，理解模型本質，學科高階思維得到訓練。

四、教學反思

建構化學模型的教學關鍵在于精心設計問題。結合以上課例，我們認為教學中可以關注以下幾點。

首先，教師應充分了解和分析學生學情，貼近學生的實際，從具體簡單的問題出發(fā)作為建模的起點。初始問題多圍繞實驗現(xiàn)象、事實結果等展開，能促使學生用已有知識進行類比聯(lián)想和證據推理，搭建認知的基本框架。其次，遵循最近發(fā)展區(qū)理論，為學生設置具有難度梯度的問題，調動深度學習的積極性。此過程中，教師可以為學生分解問題，逐步引導學生將知識串線成面，從個別到一般，宏觀到微觀，形象到抽象，促使模型建構思路的形成。再者，教師可以在建模過程中提出一些認知沖突問題。當原有知識結構與化學模型不匹配時，應當鼓勵學生交流討論、反思質疑，對沖突的一方進行調整和修正。這不僅能夠鍛煉學生思維外顯的表達能力，而且能使學生對模型的理解和掌握更準確深刻。最后，建立的模型需要不斷地應用在解決新情境問題中才能得到內化[3]。因此，教師應當在建構模型之后繼續(xù)設置新的問題情境，以供學生應用和鞏固，彰顯化學模型落實核心素養(yǎng)的作用。

參考文獻

[1]張發(fā)新.利用模型建構促進學生化學學習[J].化學教學，2017（5）：24-28.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]韋新平.基于“模型認知”的高三化學實驗“主題串聯(lián)式”復習研究——以“無水氯化鋁的制備實驗”為例[J].化學教學，2020（1）：37-42.