基于模型与建模的教学过程设计

薛琳 周青 张晖英

摘要：台湾学者基于对建模能力的研究提出，个体建模能力的高低会极大影响个体的学业成就。本研究在对模型、化学模型的分类，化学建模内涵以及弱电解质的电离在教学中的地位阐释的基础上，提出了适合该教学内容的化学建模教学步骤，以期促进学生的模型识别与建模能力，整体提升学生的问题解决能力。

关键词：模型;建模;弱电解质的电离;教学过程设计

文章编号：1008-0546（2019）12-0073-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.12.022

一、问题的提出

学生的模型建构是当前科学教育研究和实践的重点，Franco等人在对文献进行分析后指出，模型在科学教育中扮演着重要角色，其主要价值在于为我们提供了认识世界的方式。对于科学教育而言，模型与建模是科学发展的元素，也是在科学学习中不可缺少的认知与能力。新课标中也明确提出了应培养学生模型认知的化学学科核心素养，但在对2017年陕西省学业水平考试试题分析过程中，我们发现学生对化学模型的识别和建构化学模型解决问题的能力仍有待提高，相当一部分学生仍没有成功建构正确的化学模型。以下面两题为例进行分析：

【题1】8¹⁸O的原子核内中子数是（ ）

A.8 B.26 C.18 D.10

该题主要考查核素、原子的结构以及构成原子的各微粒之间关系的化学模型，该题的满分值为2，平均分为1.41，难度为0.71，区分度为0.67。通过对学生作答的分析，发现学生没有成功构建核素、原子结构及其各微粒间关系的化学模型。在教学过程中，应多利用图片、动画或实物模型，让学生对化学模型有更为直观的感受，培养学生的化学建模能力。

【题2】下列物质中，只含有离子键的是（ ）

A.NaCl B.CH4 C.NaOH D.C12

该题主要考查学生对离子键、化学键的化学模型的建构水平，该题满分值为2分，平均分为1.25，难度为0.63，区分度为0.73。能正确理解离子键的概念模型以及离子键与共价键的类比区分模型是正确解答该题的关键。数据表明，学生对基本概念模型的掌握仍存在问题。在教学过程中应有意识地培养学生对模型的认知以及学生主动建构化学模型的能力。因此，本研究基于模型与建模对化学教学过程进行设计，以期帮助学生掌握建模的学习方法和思维方式，建构科学的模型。

二、模型与建模

1.模型及其分类

关于模型的定义，许多的研究者均有不同的解释，但在诸多定义之中，有一个共同的核心观点，即模型通常被视为是对一个物体、事件、想法或现象的表征。通常学生所认识的模型与科学家所认知的模型存在很大差异，学生通常将模型视为将具体物质等比例放大或缩小所获得的实体模型，如地球仪。而科学家建构的模型通常是复杂抽象的，包括数学模型、理论模型等。因此，如何培养学生建构科学的模型是教师在教学过程中需要思考的问题。

Buckley和Boulter依据对模型的表征方式来区分模型，将模型分类为具体的模型，即三维空间的实体模型，如一个塑料的心脏;言语的模型，指用语言描述的、解释的、陈述的、辩论的、类比和隐喻的模型，如心脏像一个泵;视觉的模型，指被看到的模型，例如图表、动画、影像;数学的模型，通常指数学方程式;动作的模型，指物体或部分的移动，例如以学生相互围绕的运动来表示太阳系;混合模型，包含语言和数学的视觉模型，例如附有诠释的心脏结构图。

石鹏从化学学科知识体系建构的视角，对化学中的模型进行了分类，分别为化学微观模型，如分子、原子、中子等粒子模型及其运动状态;根据量化研究的需要开发的质量、体积、物质的量、反应速率、平衡常数、标准摩尔焓变等一系列的化学计量模型;化学分类模型，例如物质的分类，以便于我们认识复杂的物质世界;化学理论模型，如勒夏特列原理、理想气体定律、阿伏加德罗定律等;化学认识模型，如王磊、张颖在对化学平衡教学研究中提出的化学平衡认识发展模型。

2.建模歷程

Halloun和Hestenes从问题解决的角度认为建模历程是一个相当复杂的过程，包括许多的活动与技能，如确认问题、模型选择、模型建构、模型效化、模型调度以及模型应用与模型再发展或再建构。台湾学者邱美虹在此基础上发展了建模历程的六个序列向度，即模型选择、模型建构、模型效化、模型应用、模型调度、模型重建，各建模历程内涵及所处阶段见下表：

本文依据建模的历程及其特点，提出化学建模教学的步骤：

（1）创设情境，通过联系学生已有的生活经验，激发学生的学习兴趣和探究欲，从而引入本节课的建模目标;（2）确立建模目标，通过教师引导，学生小组合作探究，使学生自主确立建模目标;（3）模型选择，选择恰当的模型解决化学问题;（4）模型建构，通过假设、推断、验证等一系列逻辑思维方式，以及对宏观一微观一符号三重表征方式的运用，构建问题解决的模型;（5）模型分析，分析已建构的模型，检验模型的内部一致性;（6）模型应用，将建构的模型应用到相似的情境中，证实模型的适切性;（7）模型重构，修正、完善模型，使模型具有更强的解释力。

三、弱电解质的电离在教学中的地位

“弱电解质的电离”在人教版教材中是高中化学选修模块4《化学反应原理》的教学内容之一。根据现行的《普通高中化学课程标准》，在学习这个内容之前，学生应该已经通过必修模块的学习“知道酸、碱、盐在溶液中能发生电离”，在选修模块4《化学反应原理》中已经先期学习了“化学反应速率和化学平衡”。弱电解质的电离是对“化学平衡”教学的继续与深化。弱电解质的电离平衡是高中化学的教学重点之一。通过该部分内容的教学，不仅可以加深对强弱电解质、离子反应和离子方程式等知识的理解，而且还可以进一步指导高三有关电解和物质的检验等知识的学习。同时，该部分内容的学习有助于发展学生的微观辨析能力，也有利于学生发展变化观念与平衡思想的化学学科核心素养，同时，在教学过程中与生产生活实际的紧密联系，有利于培养学生解决实际问题的能力。

在先前对弱电解质电离部分学生心智模型的测查中发现，学生对该部分内容仍存在较多迷思概念，主要表现在（1）学生在处理问题时不能抓住问题的本质特征，对概念的理解局限在问题的表现层面;（2）学生对化合物溶于水后，微粒间的相互作用缺乏全面、系统的认知;（3）学生较为孤立的理解电解质、电离等概念，没有建构其全面系统的知识网络。鉴于以上问题，我们可以发现，学生在学习过程中，缺乏对化学模型的认知能力以及建构化学模型的能力，因此，设计基于模型与建模的教学过程就显得尤为重要了。

四、化学建模教学过程设计

【学习主题】弱电解质的电离。

【学习方式】基于模型和建模学习。

【设计思路】通过生活情景创设，组织学生小组合作学习，设计探究实验，并结合微观动画模拟等课堂教学活动，促进学生对化学模型的理解以及促进学生主动建构模型，帮助学生建构科学的心智模型。

【学习过程】

活动1：创设情境

在日常生活中，我们知道利用食醋可以除去水壶上的水垢，向学生提出利用食醋能否除去马桶上的污渍？生活中我们一般选用洁厕灵来清洁马桶污渍。引导学生指出洁厕灵的主要成分是盐酸，从而引出问题，为什么盐酸可以去除马桶上的污渍而醋酸不行呢？

教师干预：联系学生的生活经验，激发学生的学习兴趣和探究欲，学生依据已有的学习经验指出盐酸酸性强于醋酸，教师提问：“是什么原因导致盐酸酸性强于醋酸？”引发学生对导致两种酸的酸性不同的原因进行思考。同时，教师向学生展示活动2中呈现的问题，组织学生以小组为单位交流讨论，并设计实验验证盐酸酸性强于醋酸。

活动2：确立建模目标

用化学符号表示盐酸和醋酸溶液中存在哪些微粒？用化学用语来描述、解释这些微粒是如何产生的？微粒的种类决定溶液具有何种性质？

教师指导：学生以小组为单位进行讨论，教师对巡视学生讨论情况，对存在问题的个别小组进行指导，引导学生用化学用语表示溶液中微粒的来源，讨论结束后请一位代表回答上述问题。

设计意图：首先检验学生对水溶液中存在的微观粒子以及各种离子间存在怎样的相互作用等一系列化学微观模型的识别情况，同时也培养了学生的微观表征能力，帮助学生明确溶液的酸性不同是由电离出的H⁺浓度决定的，进而使学生确立建模目标，即建构弱电解质的概念模型。

活动3：模型选择和模型建构

学生设计以下实验方案验证假设，并填写表2。

依据实验现象，回答下列问题：（1）盐酸与醋酸与镁条反应的剧烈程度？（2）盐酸与醋酸pH是否相等？

（3）导致二者pH不等说明了什么问题？

设计意图：导致两种溶液与镁条反应速率不同以及pH不同的本质因素是溶液中的H⁺浓度不同，盐酸溶液中电离出的H⁺浓度大于醋酸电离出的H⁺浓度。因此构建弱电解质的概念模型的主要模型变量即为H⁺浓度，相同浓度的盐酸和醋酸溶液，醋酸电离出的H⁺浓度小于盐酸，说明醋酸未完全电离，从而引导学生逐步构建出弱电解质的概念模型，即在水溶液中只能部分电离的电解质。也就是说，弱电解质在水溶液中不能完全电离。通过设计实验验证假设，是学生选择已有模型解决问题的建模历程，通过选择正确的模型变量建立新的模型。

活动4：模型分析

用PVT呈现盐酸和醋酸在水溶液中存在的微观粒子，发现醋酸分子的确没有完全电离，溶液中既存在醋酸根离子、氢离子又存在醋酸分子。那么，如何从微观的角度解释这种“不完全电离”的现象呢？通过课堂教学实践发现学生回答存在两种情况：（1）不完全电离就是只有一部分醋酸分子发生电离，另一部分醋酸分子不发生电离;（2）不完全电离是指醋酸分子电离生成醋酸根离子和氢离子，而生成的醋酸根离子又与氢离子结合生成醋酸分子。针对以上两种回答，组织学生以小组为单位进行探讨论证哪种说法正确，是否存在不同的见解。

教師干预：（1）提供逻辑分析模型，如指导学生类比化学平衡这个可逆过程;（2）组织学生对逻辑分析结果进行口头表征;（3）对于资优生，不给予提示，让他们直接建构心智模型和表达模型;对于中等生和学困生引导他们建构可逆过程的心智模型，并组织他们对模型进行解释和论证。最后，利用PPT动画模拟弱电解质在水溶液中的电离过程，从而使各水平学生均能从宏微符三个角度成功建构弱电解质的电离平衡过程。

活动5：模型应用

向0.1mol/L的HCl溶液中加入CH3COONa固体，溶液pH如何变化？并说明原因。

教师指导：鼓励学生交流合作学习，对个别问题进行个别指导。关注学生讨论过程中遇到的问题，及时给予学生反馈。

活动6：模型重构

依据解题过程中遇到的问题，是否需要对本节课中所建构的模型进行修订、完善和补充？为什么？

教师指导：鼓励学生在解题过程中不断应用模型，检验模型内部一致性，从而不断地完善修订模型。通过对模型建构历程的不断循环往复，不仅可以帮助学生巩固知识，同时有利于学生掌握建模的学习方法，为以后的学习奠定基础。

五、结论与展望

运用模型思想，能使学生突破感官和时空的局限，充分发挥他们的想象、抽象和推理能力。应用这种思维方法，可以拓宽学生的思维领域，从而提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。因此，教师应基于模型与建模的思想精心设计好每一堂课，通过建模教学，使学生自主地建构完备的知识体系，将建模思想内化到学生的认知结构当中。

建模教学作为一种高效的教学方式已广泛应用于数学、物理学科，但在化学教学中的研究还很少。此外，台湾学者还对学生的建模能力进行了研究，以期通过测查发现诊断学生的建模能力水平，从而有针对性的培养学生的化学建模能力。我国大陆地区虽有少部分学者对此方向进行研究，但仍存在研究方法不科学，研究手段不成熟等诸多弊端，我们期待未来可以对该方向进行更为深入和系统的研究。