高中化学“情境·模型”教学模式的实例研究
2018-03-06黄秀娟陈迪姝
黄秀娟 陈迪姝
摘要：證据推理与模型认知是高中化学核心素养的思维核心。作者将“情境问题串”和“构建思维模型”作为教学的两个轮子，构建“情境一模型”双轮驱动的课堂模式。即借助情境问题串的创设，在形成合理的化学核心知识基础上，让学生经过概括、类比，发现并构建化学思维模型，使隐性知识显性化；然后应用思维模型解决具体情境问题，找出解题的一般方法和思路，并完善与创新思维模型，形成学生自己个性化的思维模型，使显性知识隐性化，达到发展学生化学素养的目的。
关键词：情境问题串；思维模型；双轮驱动；化学核心素养
文章编号：1008—0546（2017）11—0006—05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B
doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.11.002
十余年的改革实践，人们已经意识到课程改革成败在于课堂，但课堂教学中还是普遍存在这样的困惑：关注重点、考点、热点知识落实的课堂虽知识容量很大，但吸引不了学生；通过记忆背诵、强化训练获得的知识虽记得很熟，却解决不了实际问题；强调发展学生核心素养的课程改革虽然普遍展开，可课堂转型却成为一句空话。
究其原因是由于应试教育的影响，缺乏情境体验的“静态”教学忽略知识的形成过程；死记硬背获得的惰性知识，在解决相关问题上缺失相关的思维模型认知与能力。学生习惯于模仿、依赖，泯灭了创意和创造性。本文通过从铝土矿中提取铝的课堂实例，来阐述“情境一模型”双轮驱动的教学模式在高中化学课堂教学中的应用。
一、“情境-模型”双轮驱动教学模式的内涵
“情境-模型”双轮驱动的教学模式就是借助情境设计来建构化学模型认知，解决实际问题的一种教学实践。即巧妙地创设情境问题串，让学生经过概括、类比、发现、构建化学思维模型，然后应用所构建的化学思维模型解决具体情境问题，揭示化学问题解题的一般方法和思路，并完善与创新思维模型，达到发展学生化学素养的目的。其内涵如图1。
1.“情境”主要指知识在其中得以存在和应用的整个情景、背景或环境。教师要依据课堂知识脉络，设计递进性的有利于学生思维发展的任务型情境问题串，促进学生对化学问题本质的思考。情境设计要注意情境内涵丰富，能突显问题本质，能激发学生的化学思维。
2.“模型”是指学生从具体情境任务出发，通过抽象、概括深化理解化学原理，再以情境任务为载体，通过学生自主发现化学规律，建构属于学习者自己的知识、经验、方法的思维模型。然后利用所构建的思维模型来解决实际问题，使学生检查、完善、创新思维模型，加深对原理知识的理解，达到发展学生思维的目的。
3.“双轮驱动”是指通过设计“情境问题串”和构建“思维模型”两个教学轮子，使之相互协调、持续发力。在了解学生已有知识和经验的基础上，驱动学生进入相关的教学情境，通过自主探索发现的方式，驱动学生建立个性的知识结构和能力结构的思维模型，最终实现核心知识与核心素养的双向自我构建。
二、“情境一模型”双轮驱动教学模式的课堂实施
1.“从铝土矿中提取铝”的教学目标
现实背景下的工业流程试题，题材广、信息新、陌生度大，大多数学生对这类试题感到束手无策、难以应对。但实际上苏教版《化学1》教材上，有相当一部分内容与工业流程相关，学生对相关的知识点也记得很熟。究其原因，是教学中没有让学生理解工业流程的真正含义，没有在教材基础上进一步提高学生对工业流程分析和设计的能力。
本文在充分研究教学内容与化学核心素养的基础上，以苏教版《化学1》专题3第一单元“从铝土矿中提取铝”为例，借助情景问题串创设，采用选择提取流程原型、准备提取流程模型、构建提取流程模型、应用与创新提取流程模型的教学主线，帮助学生突破工业提取流程的瓶颈，借助模型认知，从源头上认识工业流程的综合应用。
本课教学目标确定如下：
（1）通过阅读教材理解从铝土矿中提取铝的化学原理，能简单描述从铝土矿中提取铝的工艺流程过程。
（2）通过情境问题串的讨论，能构建常见金属化工提取流程的一般模型，使认识思维模型化；通过对流程模型的评价与使用，强化创新思维，提升问题探究的能力。
（3）通过中国制铝行业的生存问题的讨论活动，感受减能与减排在化工生产中的价值，初步形成绿色应用的意识，学会关注社会热点，增强社会责任感b]。
2.“从铝土矿中提取铝”的教学流程
创设情境：
材料一：在国宴上，拿破仑三世使用一套珍藏的铝制餐具，而大臣们使用的是银制餐具。门捷列夫创建了元素周期表，受到英国皇家学会的表彰，奖品是一只铝制奖杯。
材料二：我国已经成为世界铝生产、消费和出口的主要大国，《有色金属工业发展规划（2016-2020年）》指出铝是轻量化的首选材料。铝有很多优良特性：首先，铝是轻金属，用于陆海空运载工具中，可以大幅减轻自重，既节省能耗，又增加装载量。其次，铝材可以反复回收利用，且回收再生的铝与原铝性能相同，在生产环节能耗能够节省95%。第三，铝不会生锈，有很好的抗氧化、耐腐蚀性能。
材料三：一些元素在地壳中的含量如图2。
设计说明：上述三个材料从不同角度引发学生的认知冲突，起到先行组织者的作用。材料一说明铝单质很难获得，炼铝技术投入工业比较晚，学生自然会质疑为什么铝这么难冶炼？材料二让学生明白铝有优良的性能，在生活生产中用途广泛。学生会想到如何取得更加廉价的铝？材料三说明铝以化合态存在，在地壳中含量多。促使学生思考如何通过铝土矿获取铝。
环节一：概括关联型任务一选择流程原型
问题1：你知道提取金属有哪些方法？为什么19世纪中叶以前金属铝贵过黄金？
学生头脑中制取金属单质的思维原型有两种情况，一种是初中学过的置换反应，比如铁与硫酸铜反应制取铜，或是氢气还原氧化铜；一种是高中刚学的电解冶炼，比如电解氯化钠与电解氯化镁。endprint
师生共同分析两种制取金属的原理的可能性：由于铝是一种活泼金属，制取铝若采用置换原理，则要选用比铝活泼的金属。根据金属活动性顺序钠、钾等金属比铝活泼，当时人们就用白金坩埚作为容器，通过钠、钾等置换氯化铝得到铝单质，所以当时纯铝比白金更尊贵。若用电解法，MCl3是共价化合物，而氧化铝熔点很高，熔化消耗很大能量，故用电解法也不能解决铝的制取问题。直到1886年霍尔发现在氧化铝中添加冰晶石的电解法制铝工艺，使铝在生产、生活中的应用得以迅速地普及。教师指导学生选择原料要符合廉价、来源广的特点，所以工业上采用铝土矿作原料。但是铝土矿直接高温熔融通电制得铝会存在杂质，因此要把铝土矿进行提纯。
此时学生概括出提取铝的流程思维原型如图3。
设计说明：原型范畴理论亦称类典型理论。学生最熟悉的、最能体现相关概念、原理的经验，可作为新知识学习的知识“原型”。本环节起到先行组织者的作用，以真实、有意义的现实情境入手引发学习悬念，激发学生学习本课的兴趣。同时体现化学的发展对社会科学、技术的发展起到一定的作用。
环节二：分析解释型任务一准备流程模型
问题2：铝土矿主要成分是Al2O3，含SiO2、Fe2O3等杂质，当SiO2的含量较少时，可以忽略SiO2与氢氧化钠溶液的反应。请学生自主解读书本P69图3-10铝土矿制备铝的工艺流程，思考如下问题：
①从制备原理来看铝的工艺流程分成几个环节？
②每一步的操作原理与作用是什么？
③写出从铝土矿制备铝的过程中发生反应的化学方程式，思考哪些反应属于氧化还原反应？
这个环节中，学生进行分组自主学习，教师要到学生中去指导学习，各小组共同讨论，问题汇总。教师不仅要解决学生的问题，更重要的是帮助学生弄清楚各个步骤的原理与意义。
比如，学生会问为什么第一步加堿而不加酸？在向过滤后的NaAlO2溶液中通入过量CO2进行酸化处理而不加盐酸？所得滤液主要成分为什么是NaHCO3？教师指导学生解释第一步时，要指出氧化铁等杂质能与酸反应，以后还要再除杂质，步骤多、损失大。第二步要回顾盐与酸反应规律，CO2与H2O相当于碳酸，为了得到足量的Al（OH）3，CO2需通过量，产物会生成NaHCO3，如果CO2通少量时生成Na2CO3。此步骤不能用盐酸，因为盐酸能与Al（OH）3反应。接着通过化学方程式的书写，学生弄清楚各流程步骤的设计原因，同时巩固氧化铝、氢氧化铝、偏铝酸盐与铝盐之间的转化关系，掌握本课的核心知识。
设计说明：本环节把学习的主动权交给学生，让学生自己解读铝土矿制备氧化铝的工艺流程。学生在阅读、交流、讨论过程中养成自主学习习惯，培养发现与解决问题的能力。此环节以化学核心知识为中心，帮助学生梳理知识、突出核心知识、构建本课知识体系，为发现、构建流程模型奠定基础。
环节三：复杂推理型任务——构建流程模型
问题3：有资料表明，若铝土矿中SiO2含量超过8%时，铝土矿中杂质Al2o3、SiO2会与NaOH溶液生成铝硅酸钠（Na2Al2Si2O8）。
①请你利用上述资料信息，对P69图3-10铝土矿制备铝的工艺流程做出改良措施。
②现有提取氧化铝的两种工艺流程如图4，请你进行评价。
③请你说说工业上制取物质的一般思路是什么？
学生看到第一个问题时，往往认为第一步可不用碱溶解，用盐酸溶解可能会更好。但看到第二个评价问题时，他们往往会不知从哪里开始思考。这时教师讲解问题时一定要引导学生利用绿色化学的思想来选择流程：工艺流程中引入杂质要少且易去除，工艺步骤要少且产率高，涉及到的副反应要少且反应容易控制，整个流程污染要少但原料可以循环，产品易提纯易分离等原则。这样学生就很容易进行评价酸溶法与碱溶法两种方法的优缺点：碱溶法虽然会有铝硅酸钠（Na2Al2Si2O8）生成，NaOH和Al2O3，都会有损失，但是所加试剂比酸溶法用量少、种类也少，且分离步骤更加简单。因为多一步反应会消耗更多原料，多一次分离会损耗产品。这样学生就自然明白教材选择碱溶法的原因。
针对第三个问题，教师与学生要共同进行构建，共同进行归纳总结，剔除次要的、非本质的因素，采用迁移类比等方法建立金属提取的一般流程模型，如图5。
设计说明：本环节在利用学生阅读、质疑、讨论、释疑等环节，使学生在复杂情境问题面前，梳理解决问题所用的化学知识与方法，利用化学知识为解决问题的工具。通过对模型原型的抽象概括，实现由感性知识到理性认知的飞跃，提高学生的思维品质。
环节四：综合任务解决型任务——应用与创新流程模型
提问4：中国是全球最大的铝生产国，但铝行业耗能很大，对环境造成很大污染，目前电解铝行业面临生存的困境。如果你是铝厂工程师，请分析提取铝的工业流程图中每一步的耗能情况与污染情况，提出改进措施。请结合镁与碘的提取流程图，讨论提取物质的一般流程模型。endprint
教师提示学生从绿色化学的思想来讨论问题：一是提高原子利用率的角度，要求原料尽可能循环利用，减少废气、废物的排放；二是节约能源的角度，反应过程要减少电能、热能，充分利用反应热，形成热循环利用。比如讨论，第一步原料矿物的开采、粉碎与第二步鼓入二氧化碳的动力来源，第三步反应需要的热能来源，与第四步电解需要的电能来源等。另外，电解过程会产生大量CO2气体可以循环利用，废料可以回收利用等。
学生对比分析镁与碘的提取流程图，在师生共同讨论的过程中提炼出提取物质的流程思路，得出模型如图6。
设计说明：本问题引导学生对现有流程从物质和能量综合利用两个角度进行分析，结合已有提取物质的经验，进一步完善流程模型，推广到提取物质的一般模型。在这个过程中学生的隐性知识逐渐显性化，形成结构性知识。学生一旦拥有这样的知识模型，面对不同陌生度的情境问题时，心中会有应对策略，就能灵活运用知识思维模型来解决复杂问题。
提问5：海水中有取之不尽的化学资源，海边还有丰富的贝壳。假如你是一位科研人员，请你设计从海水中提取氯化钠与金属镁等工业原料的工业流程。
学生刚看到此题时可能有些恐慌，把所学的化学知识真正用于实际问题，可能无从下手，教师如果有意引导学生利用图6提取物质的经典流程模型，从物质、能量、环保三个方面综合考虑，师生共同设计流程图如图7。此外学生还可考虑在海边建风力、水力发电厂，建造生产氯碱工业的化工厂，同时可以生产盐酸等，既巩固核心知识，又能发展思维。
设计说明：本环节对于化学教学很有意义。应用学生自己个性化的模型，有效地解決相关实际化学问题，能培养学生用化学视角来解决社会热点问题的能力。同时，课堂上经过这样的反复训练，能使学生已有的显性化的结构性知识隐性化，使所构建的知识思维模型转化为方法模型，形成具有学生个性化的思维模型。这种模型迁移性更强、使用更加灵活，使知识更具永久性，真正使化学知识逐渐转化成学生的化学素养。
三、“情境-模型”双轮驱动的课堂教学效果与思考
通过笔者日常教学实践，“情境-模型”双轮驱动法在课堂教学中是行之有效的方法，这种“动态”的训练逻辑思维和创新思维的教学方法，培养了学生在具体实践活动中分析问题、解决问题的能力，使以知识导向的课堂，真正转型为以思维、能力为导向的课堂。该教学方法不光在无机元素化合物的课堂教学中有着重要作用，在化学反应原理、有机化学以及化学实验教学中同样会起到重要作用。“情境-模型”双轮驱动法能有效地提高化学课堂的教学效益，化解学生学习上的难点，使化学核心素养真正落实。但在实施该教学方法时也要注意如下几个方面：
1.情境创设要兼备激趣性、任务性、全程性的功能
借助奥苏贝尔的“有意义学习”理论，设计真实、有意义的情境，能促使学生对化学知识发生兴趣，激发学生的学习动机，进而产生认知需要。情境背后的实际问题应针对课程标准和学业要求，通过任务问题串形式，引起学生的认知冲突，维持学习动力。另外，情境创设要具有全程性的特点，有利于学生抓住探究的主线，形成清晰的知识体系。
2.模型构建要具备本质性、典型性、匹配}生的特点
奥苏贝尔的学习理论认为，采用建模思想，将化学问题中次要的、非本质的信息舍去，可使本质的知识变得清晰，更容易纳入学习者已有的知识框架中，使学生在解决化学问题时，迁移更容易。但学生抽象思维尚未成熟，教学中要先帮助学生建立熟悉的模型。这种经典模型的适应性广，不管遇到怎样陌生的情景，只要将复杂的问题与模型中的要素一一对应，进行模型匹配，就能很好地解决这类问题。如果学生拥有这样的模型，就会坚定用化学知识解决问题的自信。
3.“情境-模型”双轮驱动要注意相互协调、持续发力的作用
“情境-模型”作为上课的两个轮子，要相互协调。构建模型时，情境以任务型问题串的形式，来驱动学生实现认识的转变，将学生的认识思维结构化。这个环节使隐性的知识显性化，有利于知识的储存、提取；在应用模型解决情境问题中，学生把形象的情境问题本质化，自动搜索已构建的模型进行匹配、修正，从而解决问题。这个环节使现行显性知识再次隐性化，巩固核心知识，同时培养学生创新意识。所以认知构建的过程是由个体到一般、由典型到普遍，由易到难、由简单到综合的螺旋式上升的过程。
总之，“情境”要服务“问题”的提出，“模型”应来源于“知识”的应用。只有准确把握“情境”“问题”“知识”“模型”四者的定位及其相互联系，才能达到使学生在解决问题中逐渐发展化学核心素养的目的。endprint
