基于“模型开发-模型应用”框架的高中化学建模教学探析

穆雯星 严文法

摘要：2017版课程标准提出要重视学生模型建构及应用能力的培养，而化学建模教学能够有效促进学生建模能力的提升与核心素养的发展。在分析模型涵义及功能、建模教学涵义的基础上，以“化学平衡常数”教学为例，结合其选题意义设计建模教学过程。

关键词：化学学科核心素养;建模教学;化学平衡常数

文章编号：1008-0546（2021）04-0002-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.001

《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确提出要发展学生“模型认知”素养，要求学生能够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[1]。如何理解“模型认知”？不同的研究者给出了不同的认识，陈进前在对已有研究进行分析的基础上认为基于课标、结合当前中学化学教学实际可以从化学模型（科学模型层面）和认知模型（认知心理学层面）两个视角来理解，认为“认识化学现象与模型之间的联系”“识别物质模型与理论模型”“运用理论模型解释或推测物质的组成、结构、性质及变化”等可以从化学模型视角来理解，“建立认知模型”“运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化”等可以从认知心理学层面的认识模型视角来理解，“运用模型解释化学现象”“对模型和原型的关系进行评价以改进模型”等则可能需要从上述两个视角同时理解[2]。而关于如何理解建模教学也有不同的认识，学者刘恩山等人认为凡是涉及模型构建、模型使用、模型评价和修正的教学都称之为建模教学[3]。“模型认知”中包括模型识别、模型建构、模型修正、模型应用等过程，与刘恩山等人对建模教学的界定具有较高的一致性。已有研究表明，学生很少意识到他们正在建构模型或者使用模型来解决问题，学生对于模型的功能和本质缺乏清晰的认知，学生无法通过科学知识的建构历程从而达到对知识全面而深刻的理解[4]。本文在阐释模型本质及建模教学意义的基础上，以“化学平衡常数”教学为例，展开基于“模型开发-模型应用”框架的建模教学过程的设计，探讨将建模理论与实际教学相结合促进学生“模型认知”素养的发展的路径。

一、相关概念界定

1.模型涵义及功能

目前教育界对模型的定义未作统一说明，但综合已有研究可以发现大致有两种定义：（1）《教育大辞典》、钱学森、海斯特森（Hestenes）（2010）[5]等人均认为模型是对原型的一种简化的表征。（2）邱美虹[6]、吉尔伯特（J.K.Gilbert）[7]等人提出模型是主体认识外界客体的一种思维方式。

关于模型的作用，不同的学者提出了自己的看法。如海斯特森（Hestenes）[8]提出可以利用模型以解释、预测和描述物理现象。施瓦尔茨（C.V.Schwarz）[9]认为模型不仅可以用来描述、解释、预测现象，还可以用来沟通观点，帮助人们产生新的观点。吉尔伯特（J.K.Gilbert）[10]认为模型作为科学理论与现实世界之间的桥梁，具有以下三个功能：可以使抽象的事物具体化;可以簡化复杂的现象;可以为现象进行科学的解释和预测提供依据。由此可见，对于模型的作用几乎都有一个统一的认识：模型的作用是为了更好地描述、解释和预测现象。

2.建模教学涵义

建模教学，即为基于模型的教学（Modeling-basedTeaching，简称MBT），是理解复杂动态系统的一种手段，也是一个获取概念知识和学习科学推理的过程。该理论强调以学生的已有经验为基础，在掌握学科知识的基础上，发展学生的真实问题解决能力和对科学本质及过程的理解能力，通过师生之间的问答，加深对模型的认识，同时将所建模型应用于不同的情境中，提高模型的解释力度，直至达到教师预期的课程目标[11]。

2008年，海斯特森等人共同提出建模教学框架周期：模型开发和模型发展两个阶段。模型开发阶段分为描述（描述情境中的问题）、公式（利用公式解决情境中的问题）、分歧（学生和教师共同讨论发现不同的分歧）和验证（进行相应的实验验证结论提出共有模型）四个阶段。模型发展就是将模型应用于新的情境中去，不断地检验模型，从而提高模型的解释力[12]。具体可理解为：在模型开发阶段，教师可首先为学生进行情境创设，提出研究问题，学生尝试使用公式去解决该问题，在这个过程中教师和学生共同讨论在这个过程中产生的分歧，之后教师采用“苏格拉底式”对学生进行提问，直至彻底解决问题，模型得以建立。在模型应用阶段，教师进一步为学生创造不同的情境，通过教师提问，鼓励学生清楚地表达他们所知道的和他们是如何知道的，加深学生对于问题的理解，在这个过程中，学生不仅要解决问题，而且要简要说明他们的解决问题的策略，最后进行测验，完成模型的循环提升。

二、化学平衡常数建模教学设计

“化学平衡常数”是高中化学教学中的重难点。新课标提出要“引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程，结合具体实例，促使学生体会化学平衡常数在判断平衡状态、反应方向，分析预测平衡移动方向等方面的功能价值”。同时“化学平衡常数”部分要求学生“认识化学平衡常数是表征反应限度的物理量，知道化学平衡常数的含义。了解浓度商和化学平衡常数的相对大小与反应方向间的联系”[13]。新人教版将“化学平衡常数”这一知识点设计在了选择性必修1第二章第二节“化学平衡”第二课时，教材中直接给出“H2+I22HI”不同投料下平衡时各物质的浓度、生成物浓度和反应物浓度幂之积的比值进一步得出化学平衡常数的计算过程和概念，提出了浓度商的概念，但并未区分和化学平衡常数之间的区别与联系，之后以常见例题讲解为总结，增进学生对于化学平衡常数的理解。

王磊教授认为“化学平衡常数”为学生定量分析化学平衡的移动方向提供了依据，而化学平衡移动规律始终是高中化学学习的难点之一[14]。根据皮亚杰认知发展理论，高二年级的学生抽象思维能力已经达到成熟的水平，但辩证思维能力仍有待发展。可见，作为定量表征化学反应进行限度的物理量，化学平衡常数的学习对学生的高中化学学习意义重大，如何更好地开展其教学过程具有一定的研究价值。

1.“化学平衡常数”教学目标和评价目标设计

通过对新课标、教材和学情的分析，本文将“化学平衡常数”教学目标设计为：

（1）通过开发化学平衡常数计量模型，能够书写化学平衡常数的计算过程并会判断温度对化学平衡常数的影响，发展“证据推理和与模型认知”“平衡思想”素养;

（2）通过化学平衡常数和浓度商的计算比较，能判断出可逆反应在任意时刻的移动方向，发展“证据推理”素养。

根据“教学评”一体化教学理念，将评价目标相应地设置为：

（1）通过化学平衡常数计量模型的推理过程，诊断并发展学生定量认识化学水平（基于经验水平、基于数据水平）;

（2）通过对化学平衡常数和浓度商的比较和移动方向的判断，诊断并发展学生对化学平衡的认识水平（基于概念原理水平、系统水平）。

2.“化学平衡常数”教学过程

按照上文的建模教学框架，本文将在“模型开发-模型应用”的框架基础上展开“化学平衡常数”的建模教学设计。

（1）模型建立

模型建立的四个主要阶段为：描述、公式、分歧和验证。

描述：教师可通过带领学生回顾上节课讲过的化学平衡的含义，进一步提出问题，既然平衡是可逆反应进行的最大限度，我们已经学过定性判断化学平衡状态，那能否用定量的方法判断化学平衡状态呢？紧接着，教师通过展示“H2+I22HI”在同一温度下不同投料时达平衡时各物质的浓度，让学生自己去尝试提出该定量关系式。

公式：学生分小组讨论，提出可以通过比较生成物浓度和反应物浓度的比值、可以比较生成物浓度幂之积和反应物浓度幂之积、可以通过12和HZ的平衡时浓度的比值等多种计算方式，最终发现只有用生成物浓度幂之积除以反应物幂之积得出的数值在不同起始投料下是大约相同的，其余的比值均会随着起始投料的改变而改变。由此，学生初步获得化学平衡常数的计算模型。

分歧：既然获得了计算模型，教师继續追问，在计算的时候，我们发现这些数据都是在同一个温度下获得的，那是否意味着化学平衡常数受温度的影响呢？你能提出你的看法吗？学生讨论，部分学生认为温度不会影响化学平衡常数的数值，部分同学认为温度肯定会影响平衡常数的数值，还有部分学生表示对两者之间的关系不清楚，可能也没有关系。

验证：教师展示不同温度下“H2+I22HI”不同投料下达平衡时各物质的浓度，学生通过判断发现温度会影响化学平衡常数，结果表明，随着温度升高，对于“H2+I，2HI”的反应，该反应的平衡常数减小。教师继续追问，这难道就表明对于任何反应，随着温度的升高，化学平衡常数均会减小吗？紧接着，教师向学生展示不同温度下“2HIH2+I2”不同投料下达平衡时各物质的浓度，发现随着温度升高，该反应的化学平衡常数在增大。由此，引发学生思考，两个反应的区别是什么？为什么会出现相反的结果？通过对比，学生发现：第一个反应正反应方向是放热反应，第二个反应正反应方向是吸热反应。由此得出结论，对于吸热反应，温度升高，化学平衡常数增大;对于放热反应，温度升高，化学平衡常数减小。由此学生在“K、△H、T”之间建立了联系，使化学平衡常数的计量模型更为完善。

设计意图：通过教师提供情境，提出驱动型问题，引导学生逐步思考，由学生自己推出化学平衡常数的计算模型，并通过温度对化学平衡影响因素的讨论，完善化学平衡常数的计量模型，获得K（T）计量模型。在这个过程中，学生的“证据推理与模型认知”化学学科核心素养得以培养。

（2）模型应用

在这个阶段中，学生已经成功建立了化学平衡常数计量模型，渴望将该模型应用到具体的情境中去解决真实问题。教师此时继续进行追问：既然我们得到了定量模型，那如何用它来判断化学平衡状态呢？迫使学生不断思考如何根据所建模型解决课程刚开始提出的问题。学生猜想：既然平衡时存在生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积比值恒定，那么是否可以通过已知某温度下的化学平衡常数数值，再根据此刻的生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比值和平衡常数数值进行比较，如果相等的话，就是平衡状态，如果不相等，就不在平衡状态，学生开始根据教师做提供的表格数据展开计算，计算完成后，发现自己所提出的想法是正确的。此时，教师继续追问：如果不相等话，会有两种情况出现，要么比值小于平衡常数，要么比值大于平衡常数，能不能推导出来比值小于或者大于平衡常数时可逆反应的移动方向？学生继续回答：如果小于，代表生成物浓度要增大，反应物浓度要减小，则此时正在往正反应方向进行;如果大于，代表生成物浓度要降低，反应物浓度要减小，可逆反应正在向着逆反应方向进行。教师最后总结，该任意时刻的比值称为浓度商（Q），通过Q和K的大小判断，我们能顺利地获得某一时刻可逆反应的反应方向，由此，学生成功地建立了“Q、K、可逆反应的反应方向”之间的关系。

设计意图：通过为学生提供类似科学家探索的过程，教师逐步提出问题，迫使学生在问题下不断思考，不断提高其所建立的化学平衡计量模型对可逆反应方向判断的解释力度，同时，在不断的解释过程中，学生对模型的理解逐渐增强，学生的建模和用模能力得以提升，推理能力得到发展。

三、总结与讨论

基于对建模教学的分析和“化学平衡常数”的建模教学设计可以发现，建模教学展现出了一定的教学优势：

1.建模教学有利于核心素养的落实

建模教学倡导学生学习的主动性，让学生在问题的逐步解决过程中理解科学知识的本质，虽然在“化学平衡常数”建模教学设计中主要体现和发展的化学学科核心素养为“证据推理和模型认知”，但化学学科核心素养息息相关，通过整个化学平衡常数的探究过程，体现了“科学探究与创新精神”素养的培养、通过可逆反应反向的判断，体现了“变化观念与平衡思想”素养的落实。可见，建模教学有助于高中生化学学科核心素养的培养。

2.建模教学有助于改变教学路径

从“化学平衡常数”的建模教学设计历程可以看出，与传统教学相比，教师不再需要刻意去设计问题引发认知冲突，解决学生原来头脑中的错误观念。在模型开发和模型应用的过程中，学生通过研究问题，自主开发模型，明确化学平衡常数的计算原理，自然而然地修正了自身原本对于化学平衡常数的计算方式理解不清的迷思概念，达到对化学平衡常数的深刻认识，再通过“Q与K”的大小比较，积极地将化学平衡常数与可逆反应的进行方向联系在一起，学生不再孤立片面地对化学平衡常数进行学习，提高该模型的解释能力。

3.建模教学有助于发展学生的综合能力

在“化学平衡常数”的建模教学过程中，学生需要先从宏观现象物质之间的反应中找到定量分析化学平衡问题的本质，学生的抽象能力和逻辑分析能力得以培养;在对模型进行谈论和检验的过程中，学生的推理能力和归纳能力得到明显提升;在交流讨论过程中，学生的交流与合作能力、表达能力得以发展;在模型应用的过程中，学生的知识迁移能力得以锻炼。由此可见，学生的综合能力得以发展，终身学习能力得以培养。

相比于传统的“传授接受式”教学方式，建模教学将学生作为教学的中心，教师从教材“转述者”转变为学习“促进者”。这种转变使学生能够成为知识建构的积极参与者，为学生提供更有意义的学习。同时，建模教学更注重利用问题，促进学生对科学本质的理解，注重知识的生成过程以及概念之间的关系，使学生对概念的理解更加深度化。教师通过驱动型问题连续设问，引导学生集中讨论和思考，为学生提供了思维延伸与模型“试错”的机会，为学生的概念获得搭建了“脚手架”，为新知和旧知之间建构起“桥梁”，使学生能够成功地从旧知走向新知，实现概念的层级发展，从而在整个建模教学活动中逐步实现化学学科核心素养的发展。

参考文献

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[14]支瑤，王磊，张绪妹北学平衡常数对促进学生认识发展的功能价值分析及其教学实现[J].化学教育（中英文），2010，31（6）：29-34

*本文系陕西师范大学2019年度基础教育改革项目“核心素养视域下中学教师‘素养为本的教学设计能力提升策略与实践”（项目编号：JCJY021）和陕西师范大学2020年度研究生教育教学改革研究项目“基于核心素养发展的化学专业学位案例教学与案例库建设研究”（项目编号GERP-20-38）阶段性研究成果。

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