基于模型认知的课堂教学策略

何兆铭

【摘要】  通过对普通高中化学选择性必修模块1《化学反应原理》中“原电池”（第1课时）教学研究，以建构主义教学理论为指导，认为促进学生模型认知素养发展的课堂教学策略为： 创设问题情境，初步建构模型;开展实验探究，发展模型认知;深入微观探析，深度理解模型;迁移应用模型，解决实际问题。

【关键词】  模型认知 课堂教学 策略

【中图分类号】  G633.8                   【文献标识码】  A 【文章编号】  1992-7711（2020）13-151-02

一、问题的提出

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出课程的基本理念第一条是：以发展化学学科核心素养为主旨。模型认知是化学学科核心素养的重要方面，化学学科核心素养具体体现了化学学科育人价值。学生通过化学的学习，逐步形成正确价值观念、必备品格、关键能力。因此，化学课堂教学要积极探索有效的教学策略，促进学生学科核心素养的发展。

模型认知素养的内涵可以理解为：通过分析、推理、归纳、论证等思维方法，认识研究对象的本质、特征，认识构成各要素及其相互关系，建立认知模型，运用模型去解释相关现象，应用模型揭示现象的本质或规律。

二、模型认知的课堂教学理论依据

建构主义理论认为，知识是在一定的情境下，通过教师、同伴的帮助，利用一定的学习资源，通过协作、对话等方式，学习者主动建构知识意义的过程。建构主义教学观认为：在教师指导下，以学生为中心的学习，既发挥学生的主体作用，又发挥教师的指导作用，教师是意义建构的促进者。

学习包含新旧知识经验的冲突，引发认知结构的重组，是新旧知识经验之间相互作用的过程。根据建构主义理论，模型认知的课堂教学思路：教师创设真实问题情境，启发学生联想已有的知识、经验，引导学生主动探索、主动交流讨论;引导学生主动发现问题，主动建构模型，应用模型解决问题。

三、模型认知的课堂教学策略探究

本文通过对普通高中化学选择性必修模块1《化学反应原理》中“原电池”（第1课时）教学为例研究，探讨基于模型认知的课堂教学策略。

（一）创设问题情境，初步建构模型

任务一：分析问题，初步设计原电池模型。

1.试判断下列装置，是否能构成原电池？

2.什么是原电池？构成原电池的条件是什么？

通过学生思考分析以上两个问题，让学生联想原有的必修模块中原电池相关知识，初步总结原电池的模型是：原电池把化学能转化为电能的装置;构成原电池的条件是：（1）两个导体做电极，（2）有电解质溶液，（3）形成闭合电路，（4）有自发的氧化还原反应;这些要素共同作用构成原电池。

（二）开展实验探究，发展模型认知

任务二：实验探究，改進原电池。

1.提出实验探究问题：

能否以反应Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu为原理设计原电池？提供实验用品：锌片、铜片、硫酸铜溶液、电流表、烧杯、盐桥、导线等。

学生自主设计原电池实验，进行实验探究活动，实验完成后，进行讨论分析。

2.实验探究过程与分析：

（1）发现问题：学生按图1装置进行实验，发现电流不稳定，

电流逐渐变小，锌片上有红色物质析出。

（2）提出问题，进行猜想与假设：锌片有铜析出导致电流不稳定。

（3）交流讨论，设计实验：如何设计可以提供稳定电流的原电池？

经过学生交流讨论，设计出如图2的改进原电池装置。

（4）进行实验，收集证据：改进原电池装置观察到电流稳定，铜片有红色物质析出。

（5）解释与结论：改进原电池装置锌片无铜析出，

改进后的原电池可以提供稳定电流。

（6）得出结论：图1原电池装置锌片有铜析出导致

电流不稳定假设成立。

（7）改进原电池实验对比电解质溶液的温度变化。

用手持技术实验，测试对比图1、图2原电池装置中电解质溶液的温度变化（如图3）。

通过实验对比图1、图2实验装置中电解质溶液的温度变化，让学生直观理解：图1电池装置，负极Zn可与CuSO4直接发生反应，导致部分化学能转化为热能。图2电池装置，负极不与所接触的电解质溶液反应，化学能在转化为电能时损耗较小，电流保持稳定，能量转化效率更高。从能量转化度，深化单液原电池与双液原电池能量转化的模型认知。

通过学生探究实验活动，设计单液原电池改进为双液原电池，提高了化学反应的能量利用率，充分将化学能转化为电能，培养绿色化学思想，原电池模型的建构简单从到复杂，促进学生的认知能力和实验探究关键能力的提升。

（三）深入微观探析，深度理解模型

任务三：用微观视角，理解原电池模型。

将图2实验装置设计成动画，演示电子、离子的运动与流向。通过动画演示，对原电池工作原理进行讨论、分析、归纳，从本质、规律深度理解原电池模型。

1.电极判断及电极反应：

负极：失去电子，发生氧化反应;负极反应式：Zn-2e-=Zn2+.

正极：得到电子，发生还原反应;正极反应式：Cu2++2e-=Cu.

2.电流方向：由正极流向负极。

3.电子定向移动方向：由负极流出，经过导线，流入正极，形成外电路，与电流方向相反。

4.离子定向移动方向：在电解质溶液中，阳离子向正极定向移动，阴离子往负极定向移动，形成内电路。

构建原电池模型如图3.

通过对原电池工作原理的微观视角的分析，让学生认识原电池发生氧化还原反应的本质，图2实验电池总反应为：Zn+Cu2+=Zn2++Cu，从具体的化学反应，认识构成物质的分子、原子、离子、电子等微观粒子在原电池中的变化规律。认识化学变化的本质是：化学键的断裂和形成，化学变化都伴随能量变化，在化学变化过程中，质量和能量守恒，多视角全面理解原电池原理，促进学生对原电池模型的意义建构。

（四）迁移应用模型，解决实际问题

任务四：迁移应用原电池模型，解决社会实际问题。

学业质量评价：试以铝、铂网、空气、海水为材料，设计一个燃料原电池，试写出有关电极反应式、电池反应总式，分析Al3+和电子的流向。

分析：运用图3原电池模型，解决相关问题。燃料原电池设计为：用铝作负极，空气和铂网作正极，海水作电解质溶液组成原电池：

负极反应式：4Al-12e-=4Al3+

正极反应式：3O2+6H2O+12e-=12OH-

电池反应总式：4Al+3O2+6H2O=4Al（OH）3

Al3+在海水电解质溶液中流向正极（铂网），电子由外电路流向正极。

通过学生设计铝空气燃料原电池，运用刚学过的原电池原理和原电池模型，去解决实际问题。我国以铝-空气-海水为能源的新型电池，已经应用于海上做航标灯，让学生增长见识，学以致用，从化学走向社会。认识化学是创造性的科学，化学推动了现代社会文明进步，让学生感悟化学的发展，领会化学给社会创造文明。

四、结语

（一）知识与技能是模型建构的基石

化学基础知识与基本技能是模型建构的基石，没有丰富的化学知识的作为基础，思想、方法就成为空中楼阁，學习是在原有的认知基础上建构，由浅表知识上升为模型认知，需要将基础知识、基本技能、基本方法等关联起来，找到相互联系，找到规律，这就要学生的研究物质及其变化时，积极参与，运用基础知识与基本技能去发现问题。当学生认识水平在学习活动中不断提升，才能容易从具体的知识中提炼出方法，认识物质及其变化的本质，上升为模型认知。

（二）思维方法是模型建构的关键

学习是在一定的问题情境下，进行意义建构的。基于模型认知的教学，教师根据教学内容创设真实的问题情境，用问题驱动引导学生进行探究性实践活动。在学生学习实践活动，运用科学的分类组合、分析推理、分析猜测、归纳论证等思维方法，去发现问题、分析研究问题、解决问题。通过高阶思维活动，找到事物的本质规律，抽象到理性认识，建构模型，促进学生深度学习。

（三）活动体验是模型建构的有效途径

化学是以实验为基础的科学，学生亲身参与实践活动、动手操作实验获得感性认识，在感性认识的基础上，经过分析、比较、抽象、推断、预测等高阶思维加工，对事物获得深刻的认识，对知识的本质、规律有深度的理解，从感性认识上升到理性认识。学生参与实验与探究活动，体验知识建构、模型建构的过程，将相关信息整合到自己原有的认知当中，促进学生模型认知素养的提高。

[ 参  考  文  献 ]

[1]教育部.普通高中化学课程标准（2017版）[M].北京：人民教育出版社，2018：2，3，4.

[2]李志厚.变革课堂教学方式——建构主义学习理念及其在教学中的应用[M].广州：广东教育出版社，2010：13.