核心素养导向的化学模型教学研究

[摘 要]

“模型认知”是化学学科核心素养之一。教师通过在真实情境中引导学生建立模型、运用模型，可以有效地帮助学生建立解决问题的思路和方法，发展学生“模型认知”素养，提升学生的“模型认知”能力。

[关键词]

高中化学;模型认知;建模教学

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出要培养学生“模型认知”素养。化学学科核心素养的培育是一个循序渐进的过程，需要化学教师在对有关模型、科学模型、化学模型以及认知模型等概念研究的基础上，深刻理解模型方法的内涵，将模型方法渗透到化学教学实践中，逐步培养学生构建各类模型并运用合适的模型来解决化学实际问题的能力。

一、模型方法是化学研究的重要工具

模型是对事物本质的抽象的概括。在科学研究中使用模型即“透过现象看本质”。科学模型是科学家依据大量的实验事实、相关数据等证据素材创造出来的，用于解决问题的一种研究工具，在科学研究中具有描述、解释、预测等功能。化学模型是科学模型的一种，既有科学模型的典型特征，又有其自身特点，即化学模型是为了更好地解决化学问题而建立的，带有鲜明的化学特征。学生在学习化学的过程中，既要从宏观层面上观察现象，又要从微观层面上分析解释，借助化学模型，去研究看不到的化学世界，解释物质的宏观表象，预测物质可能的性质。

在化学教学中使用的模型，不仅仅局限于科学模型层面的化学模型，例如，原子、分子、晶体结构模型等，还有在认知心理学层面上建立的认知模型（也称为认识模型）。化学模型是被化学界公认的模型，认知模型是由教师和学生共同建构的思维路径和认识框架，例如，元素化合物认知模型、电化学认知模型等。在化学教学实践过程中，教师要构建和运用各种模型，帮助学生建立解决化学问题的思路、方法，用方法指导实践，使学生通过实践积累解决问题的经验，培养学生形成未来社会发展所需的正确价值观念、必备品格和关键能力。

二、“模型认知”素养的培育途径

教师在真实情境中引导学生建立模型、运用模型是发展模型认知素养的基本途径。笔者在教学实践中尝试通过情境式建模教学流程（图1）提升学生的模型认知能力。下文以“‘钠么神奇”实验探究课的两个教学环节为例，进一步阐述如何落实“模型认知”素養。

“钠”么神奇之一：钠的保存

【问题情境1】比较生活中常见的钠盐与实验室里的钠单质的保存方式，有何区别？可能是什么原因？

【猜想假设1】钠盐相对稳定，无需特殊保存;金属钠不能暴露在空气中，可能会跟空气反应。

【探究实验1】取一小块金属钠，用滤纸吸干表面的液体，用小刀切去一端的表层，观察表面的颜色;将其放置在空气中，继续观察表面颜色的变化。

【证据素材1】刚用小刀切开钠时有明显的金属光泽，只间隔几秒钟切面就失去金属光泽，变成白色物质。

【得出结论1】金属钠是一种很活泼的金属，在常温条件下就能与空气（主要是氧气）反应。

【解决问题1】实验室在保存金属钠时一定要隔绝空气。

【问题情境2】保存金属钠的瓶中的液体是什么？

【猜想假设2】液体可能是水（像白磷的保存一样），也可能是油（用滤纸吸收时像油渍）。

【探究实验2】先用滴管取一些瓶中的液体滴加到盛有水的烧杯中，观察现象;再取一小块金属钠，用滤纸吸干表面的液体，切绿豆大小的一块放入另一只盛有水的烧杯中，盖上玻璃片，观察现象。

【证据素材2】瓶中液体不溶于水，且浮在水面上;金属钠放入水中后，浮在水面上立即熔成小球四处游动，反应非常剧烈直至全部消失。

【得出结论2】金属钠很活泼，遇水很容易反应。瓶中液体是油，密度比水小，比钠大。

【解决问题2】实验室在保存金属钠时不仅要隔绝空气，还要隔绝水。

设计意图：引导学生选择并建立与之相匹配的模型，例如，可以选择钠离子和钠原子结构示意图等化学微观模型来表征物质的宏观性质，形成钠离子与钠原子在微观结构上的不同导致两者性质差异的化学思维;也可以建立化学分类模型对金属钠的性质进行预测，钠是金属单质，具有金属的通性，有金属光泽、能导电导热、有延展性，一般能与氧气反应。模型具有解释和预测功能，学生根据钠原子的最外层只有1个电子的化学微观模型，可以预测金属钠容易失去电子变成钠离子而体现出还原性，也能解释金属钠需要隔绝空气保存的原因是因为容易与空气中的氧气反应。通过探究实验，学生检验了化学微观模型和化学分类模型的一致性和适用性;通过探究实验2，学生发现金属钠与水能反应，所以保存金属钠的液体不是水，与白磷的保存方式不同，根据钠与水反应时钠是浮在水面上的，而在保存金属钠的液体中钠是沉在底部的，可以推测这是一种密度介于钠和水之间的油状液体，最后，教师再指出这种液体是煤油。

“钠”么神奇之二：钠与硫酸铜溶液的反应

【问题情境3】金属钠能从硫酸铜溶液中置换出铜吗？

【猜想假设3】金属钠可以置换出铜，就像铁可以从硫酸铜溶液中置换出铜一样。

【探究实验3】将绿豆大小的金属钠放入盛有硫酸铜溶液的烧杯中，盖上玻璃片，观察现象。

【证据素材3】金属钠在硫酸铜溶液中反应非常剧烈，有蓝色絮状沉淀生成，但是没有紫红色金属出现。

【得出结论3】金属钠是很活泼的金属，根据置换反应的化学理论模型，钠应该能置换出铜。但是实验结果显示与预测不一致，可能是硫酸铜溶液中有水的缘故，需要再做一组无水条件下的实验，再次验证。

【解决问题3】金属钠不能从硫酸铜溶液中置换出铜。

【问题情境4】金属钠能从无水硫酸铜中置换出铜吗？

【猜想假设4】在无水条件下，金属钠应该能置换出铜单质。

【探究实验4】切取绿豆大小的钠块放置在裁剪好的易拉罐底部，取适量无水硫酸铜粉末将金属钠覆盖，用酒精灯在底部加热，观察实验现象。

【證据素材4】钠与无水硫酸铜粉末反应剧烈，产生暗红色带有金属光泽的物质。

【得出结论4】金属钠可以在无水条件下置换出硫酸铜中的铜单质。

【解决问题4】置换反应化学理论模型：活泼金属单质A+化合物BC=较不活泼金属单质B+化合物AC，在无水条件下是适用的，在有水条件下适用于不与水或难与水反应的金属单质。

设计意图：学生根据已有认知，选择和建立活泼金属可以通过置换反应制备较不活泼金属的化学理论模型是合情合理的。通过探究实验3的检验，学生发现金属钠与硫酸铜溶液的反应不遵循置换反应的普遍规律，即活泼金属可以从盐溶液中置换出较不活泼的金属，置换反应这一化学理论模型不适用于该反应，需要寻找其他证据素材以便修正模型;通过探究实验4的检验，学生认识到置换反应这一化学理论模型是有局限性的，需要根据证据素材对模型进行修正和调适，使之更完善。建模教学可以拉近学生与真实科学探究之间的距离，让学生意识到在科学领域没有完美无缺的模型，也没有一成不变的模型，当旧的模型无法解释新的实验事实时，就要进行修正、完善甚至重构。情境式建模教学不仅能够提升学生建模、用模的能力，也培养了严谨踏实、敢于批判和勇于创新的科学精神。

三、化学模型教学实践策略

（一）建立与运用多种模型有助于学生深入理解化学知识

例如，学生通过钠原子和氯原子的原子结构示意图（化学微观模型），可以解释金属钠与氯气在点燃条件下生成大量白烟的实验现象，理解离子键形成的本质特征，建立结构决定性质的化学思维;学生根据氧化还原反应原理（化学理论模型），猜测钠与水反应的产物并书写化学方程式;学生构建金属钠及其化合物之间的转化关系（化学认知模型，如图2），有利于知识的结构化。素养的落实需要以知识为载体，而知识转化为素养的重要途径是情境，学生只有亲历、体验、参与对知识的认知和探索过程，才能真正理解和运用知识。真实的问题情境可以激发学生的情感和认知等活动，促进深度学习的发生。从教学实践效果来看，采用“模型的选择与建立→模型的检验与修正→模型的应用与重构”的情境式建模教学流程有助于提高学生思维品质。

（二）及时开展学习评价有助于教师掌握学科素养的落实情况

“模型认知”素养分为由低到高的四个水平：水平1，能识别模型;水平2，能理解模型;水平3，会运用模型;水平4，会优化模型。情境式建模教学流程有没有提升学生的模型认知能力，教师需要在教学过程中开展持续性学习评价，才能及时诊断学生的此项素养水平，并根据诊断情况调整学习进程与学习活动。学习评价可以是回答、讨论、汇报等口头形式，可以是做实验等操作类形式，也可以是练习、作业、测验等笔头形式。在此列举两例：例1，主要诊断学生理解模型（水平2）的能力;例2，主要诊断学生运用模型（水平3）的能力。

例1：下列关于Na和Na+的叙述中，错误的是（  ）

A.均为同一元素 B.相差一个电子层 C.化学性质相似 D.焰色反应都呈黄色

例2：金属钛具有比重轻、强度高、耐热耐腐蚀的优点，是优异的结构材料和功能材料[1]。海绵钛是制备钛合金的重要基础原料，工业上生产海绵钛的方法之一是采用钠热还原法，其原理是在700 ℃～800 ℃条件下利用金属钠还原四氯化钛，写出该反应的化学方程式。

四、结语

在化学教学中开展建模教学对化学教师提出了较高的要求。教师只有不断加强理论研究和教学实践，在实践中反思、改进自身教学，才能让学生更好地学习、理解化学知识，更深入地研究、解决化学问题，才能真正让素养落地生根。

[参 考 文 献]

[1]刘挥彬，石涛，郭树虎.海绵钛生产现状及发展展望[J].化工管理，2017（5）：112-114.

（责任编辑：赵晓梅）

作者简介：华丽芬（1981-），女，江苏常州人，中学一级教师，大学本科，研究方向：中学化学教学实践。

基金项目：本文系常州市教育科学“十三五”规划重点课题“高中生化学模型认知能力培养的实践研究”（课题编号：CJK-Z2020002）的阶段性研究成果。