建构认知模型 提升思维能力——以苏教版化学必修《物质的聚集状态》为例

汤学铃, 徐万华

(1.连云港市田家炳中学， 江苏 连云港 222500； 2.连云港市灌南县教师发展中心， 江苏 连云港 222500)

证据推理与模型认知是化学学科核心素养的思维核心[1]。基于证据推理和模型认知来解释化学现象，揭示现象背后的本质和规律，是学生必须具备的关键能力和品格。什么是“模型认知”？化学学科核心素养下的“模型认知”有哪些内涵和外延？《普通高中化学课程标准》(2017年版)，把模型认知素养描述为“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”，对“模型认知”的水平要求见表1。

表1 普通高中化学课程标准中模型认知素养水平要求

化学学科核心素养下的模型认知有广狭之分：狭义上的模型认知指的是化学模型层次，比如分子结构模型、原子结构示意图等；广义上的模型认知，更多是指心理学认知层面，是一种思维框架或思维方式。在化学教学中，教师需要引导和帮助学生根据证据进行推理，构建知识模型、思维模型和答题模型等多种认知模型[2-3]，引导学生运用认知模型来描述化学现象、揭示化学原理，解决实际问题。这有利于提高学生的化学思维能力，促进学生化学核心素养的全面提升。

本文以笔者执教的《物质的聚集状态》为例，阐述“气体摩尔体积”这一抽象概念的教学思路，探寻教学中如何建构认知模型，提升学生化学思维能力，进而促进学生化学学科核心素养的形成。

1 研读教材，吃透课标，确定建构认知模型的难点

苏教版化学必修1《物质的聚集状态》[4]这一课的内容编排顺序是：宏观物质具有不同的聚集状态→不同聚集状态的物质微观结构上有差异→1mol不同聚集状态的体积是否相同→影响物质体积的因素有哪些→1mol气态物质的体积取决于什么→气体摩尔体积→气体的物质的量、体积和气体摩尔体积之间的关系。《普通高中化学课程标准》对于该内容的学业要求是：能基于物质的量认识物质组成，能运用物质的量、气体摩尔体积、物质的质量、体积等之间的关系进行简单的计算。

“气体摩尔体积”是高中阶段比较难理解的一个抽象概念，需要教师引导学生建立起对气体的模型认知。如何去理解气体摩尔体积、物质的聚集状态？如何建立起宏观与微观的联系，认识到物质的聚集状态与微观结构之间的联系？这些问题需要我们授课老师去思考和解决。另外，物质的聚集状态是在学习了物质的量和摩尔质量概念的基础上学习的，这样安排有利于学生加深理解、巩固和运用有关概念，特别是深化了他们对物质的量及其单位的理解，为今后学习有关气态反应物和生成物的反应，以及学习化学反应速率和化学平衡的知识作铺垫。

基于以上几点，可以确定这一课中认知模型构建的难点是“气体摩尔体积”的理解与运用。如何“化难为易”，应根据学生的认知水平和认识发展顺序，设计“气体摩尔体积”的认识发展线。

2 整合教材，优化结构，设计模型认知的认识发展线

笔者设计的教学思路如下：学生通过课前预习和课堂分析讨论，再加上教师的引导等，推理得出影响物质体积的因素，找到影响物质体积的微观因素，进而发现影响气体物质体积的微观因素，在此基础上引出气体的摩尔体积的概念。在概念教学之后，安排适量概念辨析题目，然后引导学生“再识气体摩尔体积”，水到渠成地引出气体体积与物质的量、气体摩尔体积的关系。

根据上述的设计思路和结合本校学生的实际知识、能力水平，笔者设计了三个学习任务：1)物质的聚集状态及影响物质体积的因素；2)气体摩尔体积的概念及理解；3)气体体积、物质的量、气体摩尔体积之间的关系及简单计算。这样以层层深入的活动线索展开教学，学生在理解了“物质的聚集状态与微观结构的联系”之后，知道“1 mol气态物质的体积主要取决于气态物质中微粒之间的距离”，而1 mol气体物质中微粒之间的距离由外界的温度和压强决定，如果温度、压强再确定，那么1 mol气体物质中微粒之间的距离确定。因此，学生很容易接受“在温度、压强一定时，1 mol任何气体都具有大致相同的体积”这一结论；接着自然过渡到“气体摩尔体积”概念的学习，在学生自主学习完概念之后，进行概念辨析，加深他们对气体摩尔体积概念的理解；随后安排“再识气体摩尔体积”，通过提问与追问，引出气体的物质的量、体积和气体摩尔体积之间的关系。这样遵循学生的认知发展规律，学生会比较容易理解和接受新的知识，在提高学生的逻辑推理能力的同时，提升学生的化学思维能力。

3 创设情境，搭建台阶，促进对模型认知的理解

有关模型认知的教与学，一直是化学教学的难点之一。细究难学与难教的原因，笔者认为，其一，模型认知教学中涉及的概念，很多很抽象，日常生活中一般用不到，学习时需要学生的理解和想象，需要抽象思维和形象思维的融合；其二，日常教学中，概念类的知识缺乏具体直观的教学手段或实验。比如：很多同学觉得“同温同压下，相同体积的任何气体都具有相同的分子数”等定律难以理解。

在有关模型认知教学中，教师可以为抽象知识的学习找一个合适的背景知识或者说引子，搭建台阶，架设新旧知识的桥梁，逐步实现学生对新知识的掌握与应用。这也符合美国教育心理学家奥苏贝尔(David Pawl Ausubel)提出的“先行组织者”策略[5]，能够帮助学生更加顺利地学习新知识，提高学习效率。《物质的聚集状态》这一课的难点在于如何构建认知模型，理解温度、压强影响微观粒子的间距，进而影响物质的状态。物质的状态是初中化学学过的知识，物质由微粒构成也是初中学习的知识。那么，如何架设新旧知识的桥梁，在旧知识的基础上实现新知识的学习，在知识上有所加深，在思维上有所拓展？如何建立体积与物质的量的关系？关键是找到影响体积的因素。而如何找到影响体积的因素？关键在于找到证据，进行证据推理。

笔者采用的方法是情境创设，在情境中搜集证据。比如：用伸缩球和自制的微观结构模型，演示物质不同状态的微观结构，使得微观结构变得形象和直观，便于学生理解。对于影响物质状态的外界条件，做碘升华的实验，学生可以直观地看到温度的变化对体积的影响。另外，用注射器装气体，通过手推加压，学生看到体积的变化，就会明白压强的变化对气态物质体积的影响。宏观的温度、压强的改变，不会改变物质的分子、原子或离子的大小。那么，微观角度的什么变化才会在宏观上表现出体积的变化？通过创设情境，学生就能理解宏观状态和微观结构的联系。

4 知识问题化，问题层次化，逐步建构起认知模型

学习始于问题[6]，真正的学习一定是在解决问题中进行的。在知识的学习中，如果直接给出具体的知识，缺乏思考和建构的过程，死记硬背或者机械式的模仿，很难进行知识的迁移和应用。建构认知模型的过程就是寻找问题答案的过程。在解决问题的过程中，学生始终处于一种“求知若渴”的状态，主动去建构自身的知识体系，掌握核心知识，锻炼思维能力。

对于问题的设计，“最近发展区”理论提出，教师应该以学生的最近发展区为起点，设置的问题要难度适宜，要让学生感觉有一定的难度，但是通过教师的帮助和学生的努力能够得以解决。教师通过问题情境的设置，激发学生的求知欲，引导学生去积极探索问题，在促使学生主动解决问题的同时，使学生将所学的知识内化，从而拥有更高的知识水平。

在课堂上，笔者通过设计一系列的问题，一步一步引导，层层深入，帮助学生建构起“气体摩尔体积”的认知模型。

通过此课例，笔者认为，可以用“任务驱动，问题引导”建构认知模型，提升化学思维能力。主要流程为：首先研读教材和课标、调查学情，确定教学目标和学生的学习困难点；然后根据教学目标和学生实际水平设计学习任务，从主要的学习任务中分解出“子任务”，每个“子任务”要具体、可操作。在每个“子任务”中设计一系列的问题，让学生看清学习要解决的问题，从而纲举目张地完成学习任务，达成学习目标。

对于每个任务中设计什么样的问题，需要教师去思考“什么样的问题才能够帮助学生的学习”。笔者觉得设计问题主要有以下几个要求：首先，问题要带有启发性，能够引发思考；其次，问题要具体，不能太宽泛；要指向精准、有梯度，梯度要适合学生，不能低也不能高，在学生的最近发展区；再次，如果问题有情境，而这个情境又能贴近生活或社会，也更能激发学生的思考和学习兴趣；最后，问题一般要反映出核心知识，解决问题就意味着学生已经理解问题所包含的知识，只要稍加练习，即可将知识内化，建构起认知模型。

除了这些，还需要教师在课堂教学活动中清晰地讲解或演示，组织学生探究活动，用问题启发学生的思考，用图片、实物、视频、实验等支撑教学活动的开展，以学生为本，提升学生的化学思维能力，最终实现学生化学学科核心素养的形成。