素养为本的四阶段八环节模型建构教学设计

赵莹莹 林美凤

关键词：核心素养;平衡体系;勒夏特列原理;建模思维

1建模历程的“四阶段八环节”

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中明确提出要把“核心素养”培养落实到课堂教学过程中，倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，帮助学生形成化学学科核心观念，培养其创新精神和实践能力，引导学生关注与化学相关的社会问题，提升参与意识与决策能力。其中，建立认知模型是化学核心素养的重要组成部分。关于“模型”的定义研究学者众说纷纭，其核心要素为：它是人们为达到对目标对象进行解释、认识或研究等特定目的而对其所作的一种简化的、直观的、定性或定量的文字或图形的描述。而建构模型则是指基于对研究样本进行实践分析和证据推理后，利用简化、类比和抽象的方法，将研究样本的本质特征和内在关联形成概括性描述或认识思路，反映出原型的功能、结构、属性、关系以及过程等本质特征的物质或思维形式。认知模型是解决复杂问题的思维框架，建模是化学教学中构建认知模型必不可少的重要手段。

建模历程是一个相当复杂的过程，台湾学者邱美虹教授基于Hestenes和Halloun等人在建模研究的基础上提出将建模历程分为四阶段八环节，如表1所示。环节之间并不是独立发挥作用，而是交互运作进行的。

本文以沪教版高三拓展型课程中“勒夏特列原理的应用”复习课教学为例，应用四阶段八环节的建模历程进行教学实践，旨在提升学生核心素养，重点突出建模思维的培养。

2教学要求与学情分析

化学平衡移动是高中化学教材体系中重要的基础理论之一。沪教版高三拓展型课程将四大平衡体系融合在一起，要求学生能应用勒夏特列原理分析和解决生活生产中的相关问题，具体的教学要求如表2所示。

高三学生经过高一高二的学习，已经积累了电解质、离子反应和四大平衡等知识，在生活中对平衡现象也有所认识与思考，思维上具有主动性以及观察、比较等能力。通过这部分内容的教学，有助于进一步发展和建立学生的变化观念与平衡思想。但学生对于现象的分析、问题的解决、比较条件的控制，归纳的思维严密性等方面都存在不足，需要教师加以引导形成全面完整的认知，提升建构模型解决实际问题的能力。

3教学设计与基本思路

教学设计围绕建模历程的四阶段八环节，实现情境线、素养线、结构线和知识线并联，将与生活、生产、生物、自然等密切相关的CO2水溶液作为载体切入，创设一系列情境，深入探析“CO2-H2CO3-HCO3”在平衡体系中的行为。教学内容将各平衡体系进行比较与归纳，深刻认识其规律与内在联系，着重强化运用勒夏特列原理分析平衡移动的变化规律，解决具体问题。通过情境创设，引导学生进行思考、讨论、实验、归纳、总结、评价等教学活动，使学生对平衡的认识逐渐由化学学科内的“小”平衡走向自然环境中的“大”平衡，认识到勒夏特列原理的普适性并了解其适用范围与条件，从而构建自己个性化的知识体系与认知模型，提升学生的建模能力，促进学科核心素养落地生根。教学设计基本思路如图1所示。

第一阶段：模型发展。创设生活中熟悉的情境引入建模对象，引导学生探究思考，帮助学生确立建模目标，初步架构模型。

第二阶段：模型精致化。引导学生完成小组合作实验探究的任务，通过假设、验证、分析等思维方式，构建解决平衡类问题的模型，并基于实验证据预测分析与结果的一致性。

第三阶段：模型迁移。依次创设相似的与不同的新问题情境，引导学生交流思考，验证模型的适切性并突破局限性。

第四阶段：模型修正。通过交流、评价等环节鼓励学生应用模型辩证地分析思考问题，认识勒夏特列原理的适用范围与条件，从而修正模型并达到延伸模型作用的目的。

4教学实录与活动评价

4.1模型发展

[创境引入]展示一瓶未拆封的冰可乐，晃动瓶子，打开瓶盖。描述现象，阐明原因，并说出如何检验瓶中气体的具体操作。

[生]（1）描述现象，解释原因。（2）簡述检验操作——将可乐倒入盛有澄清石灰水的烧杯中;用导管将逸出的气体通入澄清石灰水里等。

[师]鼓励学生评价他人的方案，同时展示一支装有澄清石灰水（浓度为0.01mol/L）的针筒。

[生]修正方案：将针头扎入可乐瓶上方无液体的部位向外抽气，发现澄清石灰水变浑浊。

[师]将冰可乐倒入杯中，引导学生结合化学平衡的知识观察并思考为何要在饮料中添加C02。

[生]交流、讨论、回答、补充。

作用1：调节口感

CO2溶于水后能生成碳酸：CO2+H20=H2C03，对人体略有刺激，产生爽快的口感。

作用2：消暑清凉

学生A：可乐中还存在溶解平衡：C02（g）=CO2（aq），打开瓶盖饮用过程中，压强变小导致溶解平衡向左移动，大量CO2逸出，带走热量，给人凉爽感。

学生B：人体口腔和胃温度高，使化学平衡CO2+H20=2C0，+Q向左移动，CO：逸出带走热量。

作用3：抑菌防腐

[师]通常情况下CO：在水中的溶解度不大，溶解的体积比仅为1：0.8（25℃，101.3 kPa）。根据平衡移动原理，思考如何增大CO2的溶解量。

[生]温度降低、增大压强均能使上述平衡右移，增加溶解量。

[师]评价：没错，工业上正是在4℃低温加压条件下，增大CO2的溶解度，增强碳酸化作用。这会导致除耐酸菌以外其他的微生物均难以繁殖和生存，二氧化碳为容器内创造缺氧和压力环境，使微生物生长条件被破坏，因此有抑菌防腐作用。

活动评价：以“可乐中的CO2”创设熟悉的生活情境，迅速调动起学生的好奇心和求知欲，在联系可乐喷出、品尝冰可乐获得激爽快感的宏观现象和探讨CO2水溶液体系的微观平衡中，提升宏微辨识能力。进一步设置问题引导学生思考饮料中添加CO2的原因并即时评价他人方案，充分调动学生的思维活动。回顾解决平衡问题的一般思路，进而帮助学生确立建模的对象（C02水溶液平衡体系）和模型成分（影响平衡的因素），初步构架基于勒夏特列原理解决平衡问题的认知模型。

4.2模型精致化

[师]问题1：CO2能使石灰水（0.01 mol/L）变浑浊，那能否使CaCl2（0.01 mol/L）溶液变浑浊呢？

[生]提出猜测——不能，若反应生成CaC03，则溶于产物HCI，故不产生浑浊。

实验验证——向盛有CaCl2溶液的试管中吹气，没出现预期“先产生沉淀，后沉淀消失”的现象。

[师]问题2：用勒夏特列原理解释：如何通过改变条件，使之产生沉淀？

[生]提出猜测——石灰水（ca（OH）2）和CaCl2的区别在于溶液中阴离子不同，考虑可通过加入碱液提供OH一来产生沉淀。

实验验证——向刚才吹过气的CaCl2溶液中滴加稀氨水或Na0H溶液，发现均有白色沉淀产生。

分析原因——原先c（CO）太小，无法产生CaCO3，而通过加入碱液可使电离平衡右移，不断产生CO2，c（CO3）增大，产生CaCO3沉淀。

[师]评价：分析得很到位，归纳上述回答我们就获得了解决平衡问题的一般方法：

第一步，找出相应平衡。解决问题的关键是要找出与问题有关的平衡，只有找准了平衡，才能运用勒夏特列原理解决有关的化学问题。在多重平衡体系中，这一步更为重要。

第二步，分析条件改变。分析条件改变将导致哪些影响平衡的因素，是温度、浓度还是压强？

第三步，辨别移动方向。根据影响平衡的因素，基于勒夏特列原理，判断平衡移动的方向。

第四步，解释相关问题。根据平衡移动的结果，解释化学问题及现象，获得合理的结论。

引导学生构建模型（见图2）。

问题3：若要让沉淀再次溶解，可滴加什么试剂？

[生]提出猜测——酸液。

实验验证——向浑浊的试管中滴加稀HCI，发现溶液再次变回澄清，验证猜测。

活动评价：以化学课堂中的经典难题设置层层递进的三个问题（能不能？如何能？再次能？），引导学生合作探究。通过假设、验证、推论等逻辑思维方式验证CO2溶液中的平衡体系，提升其证据推理能力以及实验探究意识。过程中及时对学生的回答作出归纳反馈，引导学生构建并效化解决平衡问题的模型，即“找平衡、析改变、辨移动、得结论”（见图2），结合实验证据验证与模型推论结果的一致性。

4.3模型迁移

[师]创设新情境，组织学生交流讨论，引导其基于勒夏特列原理，应用模型来解释新问题。

应用1：候氏制碱法中为什么把CO2通入氨化的食盐水里制取纯碱。

应用2：向针筒中变浑浊的石灰水（0.01 mol/L）里继续通入CO2，又变回澄清。

[生]思考、讨论（见图3）。

[师]评价：应用2的原理其实在生活中普遍存在：如碳酸饮料饮用过度将导致骨质疏松、自然界的鬼斧神工——地下溶洞的形成……

应用3：已知人体血液能稳定在7.35～7.45之间也是依靠上述C02在溶液中的平衡：CO2+H20=H2C03=H4+HC03。请结合勒夏特列原理解释：

（1）当少量酸性或碱性物质进入血液时，血液pH变化不大的原因。

（2）如果有大量酸性或碱性物质进入血液时，人体会产生什么结果？

（3）呼吸不正常可能会导致血液中的酸碱不平衡，请分析太快太深的呼吸或太慢太浅的呼吸会导致怎样的后果。

[生]解释原因：

（1）当少量酸性物质进入血液，c（H）增加，平衡逆向移动，由肺部加深呼吸排除多余C02;当少量碱性物质进入血液，c（H）减少，平衡正向移动，肺部呼吸变浅减少CO2的排出。同时血液中c（HC03）改变可由肾脏调节补充或吸收，以控制血液中HC03和H2C03維持正常比例，所以血液pH维持稳定。

（2）破坏血液中的酸碱平衡，引发人体酸碱性中毒。

（3）运用模型加以解释，见图4。

[师]评价：当人情绪过度紧张、生气或肺部功能不全患者都容易呼吸不畅导致人体内酸碱平衡失调，引发酸碱性中毒造成危害。可见，平衡除了在化学中广泛存在，与人体健康也密不可分。

应用4：请用勒夏特列理论加以解释：蚊虫叮咬感觉疼痒是因为其向人体中注入了甲酸破坏了人体内局部的血液酸碱平衡所致，一段时问后即会自行痊愈。若要尽快缓解疼痒，可涂抹什么试剂呢？

[生]运用模型加以解释，见图5。

可涂抹碱性试剂，如小苏打、肥皂水、稀氨水、碱性牙膏等。

活动评价：依次创设近迁移（应用1、应用2）以及远迁移（应用3、应用4），将模型应用于解决化学生产以及生物领域的具体问题，验证模型的适切性并突破学科的局限性，同时提升学生的学习兴趣。基于学情设置循序渐进的问题，引导学生开展积极的交流讨论，在应用巩固认知模型解决平衡问题的同时，进一步强化变化观念与平衡思想。

4.4模型修正

[师]提供资料：植物通过光合作用吸收大自然中的C02，而C02的含量又随着生物呼吸和物质燃烧等环节增加，周而复始地进行循环，从而使大气中的CO2保持稳定，整个过程即“碳循环”平衡。可随着大量森林被肆意砍伐，工厂无节制地排放C02，大气中碳循环平衡被破坏，人类也遭到了大自然的抵抗：全球变暖，冰川融化，洪水泛滥，气候恶劣，水土流失，疾病流行……请结合资料信息谈谈感受。

[生]讨论：勒夏特列原理具有普适性，不仅适用于化学平衡，同样也适用于其他平衡系统，包括人体内环境酸碱度、生物学上的生态平衡、自然界的碳循环平衡等。

[师]评价：没错，勒夏特列原理是自然辩证法在自然科学领域的具体化，它是化学、生物、大气乃至整个经济、社会等一切领域的自然法则。

追问：见表3。

[师]补充：通过今天的学习，我们发现勒夏特列原理只适用于平衡被浓度、温度或压强中一个条件改变后的移动方向判断，若多种外界条件同时发生改变则就无法使用。可见任何真理都有自己适用的范围与限制条件，若超出了这个范围和条件，真理就变成谬误！

[总结]基于勒夏特列原理的适用范围与条件，完善修正模型：

找平衡——由化学平衡普适至非化学平衡

析改变——只适用于单一条件的改变

辨移动——仅辨别移动方向

得结论——以辩证的视角分析解释问题

活动评价：引导学生聚焦自然环境问题：碳循环失衡。提供资料拓宽勒夏特列原理的适用范围，通过不断追问让学生认识其使用条件，鼓励学生亲自参与环境问题的讨论并形成正确的价值判断，学会辩证地看待问题，树立可持续发展的思想，从而提升社会责任意识。过程中采用生生评价以及师生评价，鼓励学生不断修正、强化原先的认识模型，达到延伸模型作用的目的。

5教学效果与实践反思

5.1依托真实情境，激发学习兴趣

以CO2水溶液平衡体系作为载体，创设众多真实问题情境，将相似、分散的知识板块重新整合，精心设置循序渐进的问题，引导学生通过实验探究、讨论交流等环节驱动其不断解决问题、巩固知识，拓展思维深度。这种理论联系实际，打破传统复习课的模式不仅激发了学生学习化学的兴趣，也引发了他们对生活生产、自然环境等问题的关注。从课堂效果来看，学生反馈积极，参与度很高，获得感明显增强。

5.2教、学、评一体化，提升复习效果

复习课的课程设计，教师通过布置具体的教学任务和设置循序渐进的问题，不断用提问一点评的形式让学生的思维始终处于积极活跃的状态。如饮料中的CO2如何验证、为什么CO2通入CaCl2溶液中没有沉淀产生、如何使之产生沉淀、如何维持碳循环平衡等等，这些具体的问题对学生而言不仅具有挑战性，答案也并非一蹴而就，此时将即时性点评嵌入“教”与“学”的过程中，即教即评，即学即评，充分发挥即时性评价交流诊断、反馈矫正的功能，有效提升复习效果。

5.3树立建模思想，发展核心素养

平衡知识的复习课教学要基于学生已掌握的知识，厘清思维障礙，重点关注勒夏特列原理与生活生产实际问题相结合，发展变化观念与平衡思想;迁移至自然环境问题的解决过程，强化学生的社会责任意识;教学过程中建模思想的运用，提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，强化证据推理与模型认知的思维方式，发展学生的化学学科核心素养。

如今建模教学作为一种高效的教学方式已经越来越多地应用到化学课堂中，如何诊断不同学习能力学生的建模水平，实现差异化、有针对性的培养仍是值得我们深入思考和研究的方向。