促进“模型认知"的化学教学

张礼聪

摘要：认知模型的建构过程就是学生思维模式系统化和认识方式发展的过程。化学教学要引领学生模型认知，并指导学生开展模型认知学习，以促进学生将模型认知转化为自己的一种学习方式。“化学反应中的热量变化”教学，以促进学生“模型认知素养”发展为目标，通过概念形成、模型建构、模型应用和概念表达等教学环节设计，开展了“素养发展为本”的教学实践探索。

关键词：模型;模型认知;化学反应;能量变化

文章编号：1008-0546（2019） 11-0030-03

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.1 1.008

所谓“模型”就是人们为了达到对目标对象进行解释、认识或研究等特定目的，对目标对象所作的一种简化的、直观的、定性的或定量的、文字的或图形的描述[1]。模型是认识事物本质属性和相互关系的一种科学方法，其原型可以是物质、概念、事件、过程和系统。

“模型认知”素养是化学核心素养的重要组成部分。新课标中“模型认知素养”要求是“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”[2]。认知模型的建构过程就是学生思维模式系统化建構的过程，也是学生认识方式发展的过程[3]。依据事物及其变化的信息来建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架，是化学教学必不可少的方法。

在解决化学问题时，为了揭示事物的本质以及研究的方便，用化学的语言、方法从复杂的化学问题、条件和现象中经过简化、抽象得出化学模型的过程就是化学建模[4]。化学建模不仅包括模型的建构，也包括模型的应用和发展的一个系统、复杂的过程;是人的心智活动与客观世界相互作用的过程;是多种科学方法综合运用的过程[5]。通过化学模型的建构与应用，可以促进学生的科学思维以及心智模型的改进，有利于提高学生的化学核心素养。

一、教学分析

物质变化和能量变化是化学反应的两大特征。苏教版《化学2》将“化学反应巾的热量变化”编排在“反应速率与限度”之后;从能量变化角度为学习者认识化学反应建立了新视角，帮助学习者构建“物质变化一反应快慢一能量变化”的认识体系，揭示化学反应的本质;是学习者对化学反应已有认识的延续、发展和完善，为后续发展性、全面性认识化学反应搭建基础和桥粱作用。

依据现行高中教材体系，笔者认为课时教学主要解决的问题：（1）化学反应中有能量变化吗？其主要表现形式？研究化学反应能量变化有何意义？（2）化学反应为什么有能量变化？如何从宏观和微观角度解释能量变化？（3）怎样用化学用语（符号）表征反应及其反应热？（4）不同化学反应的反应热数据是怎么来的？

二、教学思路

基于上述思考，本课时教学以“化学反应中的热量变化”概念模型构建为核心目标，将问题情景创设、学生活动探究、问题任务驱动、建模理解概念、问题解决与应用等融合于整体设计之中。设计课时整体构架为：（1）以白热饭盒为情景，提出问题，分析原理，感受化学价值，认识研究意义;（2）通过学生小组实验探究，感知化学反应中能量变化事实，概括形成放热、吸热反应概念，达成基本认识;（3）学生小组讨论，宏观分析反应放、吸热原因，初建过程模型，达成概念基本理解;（4）问题研讨，微观思考，从化学键视角解释反应本质，深化概念理解，修正、完善过程模型;（5）概念表征，化学用语书写表达，问题解决，实现概念模型的应用。教学设计各环节紧紧围绕概念模型构建目标，进行教学内容结构化处理，使抽象概念形象化、直观化，促进了学生“模型认知”素养的发展。

三、教学过程

1.实验引导，概念构建

[情景]展示“白热饭盒”实物。饭盒能“白热”真有这么神奇吗？

[实验]打开水包，将白热包（Ca0粉末）放入水中（观察、感受温度变化）;

[问题]①饭盒“白热”的化学原理是什么？

②化学能可以转化为哪些形式的能量？其主要表现为？

[实验]①镁条与盐酸反应;（触摸试管外壁，感知温度变化）

②氯化铵与氢氧化钡晶体反应;（创新设计：将药品氯化铵和氢氧化钡晶体分装于自封塑料袋上下，用夹子隔开;实验时打开夹子，将两种药品混合均匀，轻轻揉搓，感知温度变化）

[任务]请分别给放热反应、吸热反应下定义。

设计意图：以真实的生活情境引课，激发学生学习兴趣，了解化学反应中热量的应用，认识化学的价值;通过问题引导、实验探究，建立“化学反应既有物质变化又有能量变化”的基本认识，形成放热、吸热反应化学概念，构建新分类观念。

2.概念理解，建构模型

[任务]①从宏观物质变化的角度，分析反应放热、吸热的原因;

②在坐标系中画出放、吸热反应过程与能量变化的关系。

[归纳]学生交流讨论，评价分析，形成如图1的概念理解模型。

[问题]①化学反应的微观本质是什么？

②化学键断裂和形成伴随着怎样的能量变化？

[任务]以H2与Cl2反应生成HCl气体为例，结合微观化学键分析，修改、完善能量一反应过程图;

[归纳]学生交流讨论，评价分析，在图1模型基础上，完善成图2模型。

[思考]①为什么说化学反应中均存在吸热和放热过程？

②从微观化学键变化角度，怎样解释放热、吸热反应？

③在描述化学反应中能量变化时，为什么要标注物质的状态？

④点燃、加热等反应条件，能否作为反应放、吸热的判断依据？

设计意图：科学概念具有概括性、微观性和抽象性等特点，学生对科学概念的准确理解需要经历“浓缩”到“稀释”的过程。本环节通过任务驱动-宏观说理-过程建模-微观探析-完善模型-问题思辨等举措，对概念展开宏微观视角解释，对概念形成过程建模解读，使概念形象化、直观化，促进了学生对概念的理解，发展了学生的模型认知素养。

3.模型应用，表达概念

[任务]①利用表1键能数据，计算1molH2与1molCl2反应，生成2molHCl气体的能量变化。

②若用△H（焓变）表示反应吸收或释放的热量，请写出H2与Cl2反应的热化学方程式。

③说说上述热化学方程式的意义，指出它与化学方程式的异同？

④你认为正确书写热化学方程式应注意哪些问题？

[应用]已知拆开1mol氢气中的化学键需要消耗436.4kJ能量，拆开1mol氧气中的化学键需要消耗498kJ能量，形成水分子中的1moIH-O键能够释放462.8kJ能量。

①计算反应2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）的△H。

②宏微结合，用图像表示上述反应的能量变化过程。

③计算每克氢气燃烧所释放的热量。

④结合③计算对比教材P37氢气热值数据，分析差异，给热值下个定义。

设计意图：热化学方程式书写不仅仅是一种技能，它属于化学用语，具有帮助学生用符号准确表征概念、理解化学反应本质的功能。在上一环节模型认知的基础上，通过提出问题-计算焓变-尝试书写-比较归纳，帮助学生掌握热化学方程式书写这一程序性知识：变式应用、概念融合、对比分析，完善和深化概念认识，实现概念精准表达。

4.概念延伸，问题解决

[问题]①不同化学反应具有不同的反应热，人们是如何获得反应热数据？

②化学反应数目众多，结合已有化学知识和教材P35“交流讨论”栏目，讨论、分享判断放热、吸热反应规律认识。

[实验]盐酸与氢氧化钠反应;（创新：利用温度传感器测定温度变化）

[史话]瑞士化学家盖斯提出了理论计算化学反应热效应的“盖斯定律”;

[归纳]①反应热数据可以通过实验测得，也可进行理论计算;

②判断反应放、吸热要依据科学实验和理论计算，但也有一些经验规律：

放热反应：燃烧、酸碱中和、金属与酸、大多数化合反应;

吸热反应：铵盐与碱、大多数分解反应。

[应用]①已知56g Ca0与适量水完全反应，生成Ca（OH）2固体，放出热量57.86kJ，写出该反应的热化学方程式。

②约50kJ的热量能使200g饭菜温度升高80℃左右。要使白热饭盒中盛放400g饭菜加热到1OO℃，自热饭盒需要多少克Ca0与水？

设计意图：反应热（焓变）数据怎么来？判断化学反应是放热还是吸热，有无一般认识规律？利用反应热知识能否对生产生活中实际问题解决进行科学预测？等问题的提出、思考成为必然，通过引入传感器实验、盖斯定律史话手段，讨论归纳，形成“具体到一般，感性到理性”認识，既呼应了“引课”意图，又拓宽了概念科学视野。

四、教后反思

基于“模型认知”的教学关注学生分析和解决问题的思维过程。因此，化学教学要借鉴“方法理解”的实践取向，把学科知识、学科方法和思维方法融合在一起，让学生在方法的引领下解决问题和获取知识，在习得知识的同时掌握相应的学科方法和思维方法[6]。课时通过实验宏观感知，形成概念;概念微观剖析，构建模型;用语科学表征，解决问题;将概念知识、认知策略和思维方法在教学中交融，达成了课时教学目标要求，促成了学生模型认知能力的发展。

基于“模型认知”的教学要重视教学内容的结构化。教师在进行教学设计时要围绕核心教学内容“建模”;要引导学生通过建模来获取知识和解决问题;要善于整合教学资源，配合学生的思维发展，形成适合学生认知的思维模型。因此本课教学在处理上将原定于2课时教学[1]，依据学情实际，进行重新梳理整合，将“热值概念”“盖斯定律史话”“反应热测定方法”等《化学反应原理》模块的相关内容，以学生能理解且不增加学生负担的方式取舍和整合，确保了概念模型认知体系的系统性和完整性。

基于“模型认知”的教学就是要指导学生在平时学习中善于发现和提出问题，学会研究和分析问题，能够总结和归类问题，建立解决问题的模型，从而实现教学方式和学习方式的转变，促进学生化学学科核心素养的发展。本课时以情景问题、任务问题、辨析问题、问题解决为问题设计思路，将“自热饭盒是怎么回事？”“为什么化学反应具有能量变化？”“研究化学反应能量变化有何现实意义？”等生活和化学问题紧密联系，优化了教学过程，践行了“真实问题”促进学生学科核心素养发展的教学理念。

参考文献

[1]单旭峰.对“模型认知”学科核心素养的认识与思考[J].化学教学，2019（3）：8

[2] 中华人民共和国教育部制定.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018：3

[3]张俊华，康永明.运用模型认知教学促进教师专业发展[J].中国教师，2017（2）下半月：77-78

[4] 袁野.高中生化学问题解决中建模能力的研究[D].扬州大学硕士论文，2009：20

[5]张晋，毕华林.模型建构与建模教学的理论分析[J].化学教育，2017（13）：27-32

[6] 陆军.化学教学中引领学生模型认知的思考与探索[J].化学教学，2017（9）：19-23

[7] 浙江省基础教育课程改革专业指导委员会制定.浙江省普通高中学科指导意见[M].浙江：浙江教育出版社，2012：23-24