基于建模，促进化学概念的深度学习

孙岚 卢伟

摘要：本文对建模教学和深度学习路线进行阐释，设计了科学建模的教学过程，对化学概念进行深度学习。以“气体摩尔体积”一课的教学为例，按照建模教学的环节，设置一系列活动，并引入PhET仿真互动软件作为辅助工具，有利于化学概念的深度学习，促进学生化学核心素养的发展。

关键词：建模教学;深度学习;气体摩尔体积;PhET仿真软件

文章编号：1008-0546（2022）04x-0041-04

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.04x.012

一、建模教学

建模教学是20世纪90年代在美国发展起来的一种新的教学方法，它可以解决传统的“讲授-示范”教学模式中存在的很多问题[1]。科学模型和建模能够提升学生对复杂现象和问题的理解和解决能力。科学模型指的是对一个复杂系统的简化和抽象表示，目的是用来解释或者预测某些科学现象。建模即产生科学模型的过程，是一个动态的历程[2]。美国的科学建模已经走过了三十年的历程。科学建模从理论产生、发展到成熟经历了四个阶段，包括科学理论、教学理论、实践检验、实践发展[3]。从实践中最终得到的产物，对我国的教学改革也有很大的借鉴作用。美国的Samia等人提出了GEM循环教学法[4]，将建模教学分为生成模型、评估模型、修改模型三个环节。本文依据建模教学的理念，融入深度教学的思想，对“气体摩尔体积”一课进行教学设计。

二、关于“气体摩尔体积”的研究

1“.气体摩尔体积”教材分析

“气体摩尔体积”位于人教版必修一第二章第三节“物质的量”一节中的第二课时，“物质的量”贯穿整个高中知识的学习当中，对于高中化学知识来说是衔接和桥梁的作用。“气体摩尔体积”是中学化学中的基本概念，是“物质的量”概念群中的一个重要工具。这一概念的教学价值绝不仅仅只是让学生知道“在标准状况下，1mol任何气体的体积约为22.4L”。化学概念是理解、掌握其他化学知识的基础。根据建构主义，学习是主动建构知识的过程。因此在概念的学习中，要让学生主动去建构，通过自己的分析、探究、感悟，从而得到正确的概念模型。

“气体摩尔体积”一节中可通过让学生自主构建微观粒子模型，从微观角度去探究固、液、气三态物质的体积差异;运用控制变量法来构建影响气体体积因素的定量模型，最终对“气体摩尔体积”这一概念有深入认识。

2“.气体摩尔体积”教学的相关研究

“气体摩尔体积”一课的相关研究并不多，近些年主要集中于气体摩尔体积测定实验的改进。例如：荣凤娜利用手持技术来测定气体摩尔体积，利用现代科技拓展学生视野，计算得到了气体摩尔体积的具体数值，从而促进学生对概念的深刻理解[5]。而对于课堂教学设计的研究，近十年中，不足十篇。江敏引导学生从微观角度了解分子和原子的相对大小，原子排列方式，以及气体分子周围的巨大空间，从而生成气体摩尔体积的概念[6]。历晶等设计了“CPCP课堂模式”，将课堂解构为多个版块，将版块解构为多个教学行为，将教学行为解构为多个教学行为对，讨论了“气体摩尔体积”教学中的教学逻辑[7]。徐宇峰等融入化学史，讓学生感受气体摩尔体积这一概念的发展历程[8]。喻俊等基于大概念教学，梳理概念体系，提出任务主题“探究气体体积规律”，整堂课的活动均是围绕主题来进行[9]。而利用建构概念模型来对气体摩尔体积这一概念进行从浅至深的研究较少。陆余平曾在“气体摩尔体积”一课提出过“宏观—微观—宏观”的思维模型，对宏观现象在微观层面上提炼本质要素来构建模型，并通过模型来解释宏观现象[10]。但其研究年份较早，教学设计较为简单。综上，本研究基于模型建构，并利用仿真互动软件PhET进行辅助教学，具有一定的价值。

三、教学思路

依据“气体摩尔体积”的教学要求，教学主要分为两个大环节，环节一为探究影响不同状态物质体积的因素，为探究气体体积的影响因素作铺垫。环节二为探究气体体积的影响因素，生成气体摩尔体积的概念。依据建模教学的理念，本文的教学流程会将建模教学分为四个环节，分别为生成模型、评估模型、修改模型、再评估修改模型。

Eric Jensen和LeAnn Nickelsen两位学者在其著作《深度学习的7种有力策略》中提出了DELC深度学习路线。DELC深度学习路线包括7个环节：设计标准与课程、预评估、营造积极的学习文化、预备与激活先期知识、获取新知识、深度加工知识、评价学生的学习[11]。本文选用DELC深度学习路线的第四到第六环节作为课堂中学生深度学习的流程。模型建构的过程与深度学习路线相对应。其中“生成模型”的过程，即学生根据先验知识，提出自己的模型，与深度学习路线中的“激活先期知识”相对应;“评估模型”即依据各种书籍、课本、视频、实物等对自己和他人的模型进行评估，与同伴交流分享，与深度学习路线中的“学习新知识”相对应;“修改模型”即学生通过实验探究、运用综合思维来对模型进行修改;“再评估修改模型”，是对以上过程的循环重复，达到对新知识的精细加工和有效加工，最终得到正确的概念模型。

对两个环节分别建立模型，并且第一个环节的模型能够进一步帮助建立第二个环节的模型。具体设计思路如图1所示。

四、教学流程

1.探究不同状态下物质体积的影响因素

（1）生成模型

[教师]实物呈现0.1mol氧气、0.1mol水、0.1mol铁的体积。

[学生]发现其体积大小差异较大，猜测影响气、液、固三种状态物质体积的因素，并在纸上画出每一种状态下粒子分布的微观状态。

设计意图：在物质的量相同时，不同状态的物质体积大小比较才有意义。学生根据实物发现，同样是0.1mol，氧气、水、铁的体积依次减小。该设计让学生依据已有知识，建立起初步的一个模型。gzslib202204021613

（2）评估模型

[教师]提供小组间交流引导。

[学生]展示自己所画的气、液、固三种不同状态的微观模型。与同伴交流自己的模型，评估他人的模型与自己模型的优劣之处。

[评价]学生设计的模型出现的问题：第一，学生的微粒数目错误，并没有意识到0.1mol物质的微粒数是固定（不用画出0.1mol的粒子，但要体现出微粒数固定）;第二，学生只考虑到粒子的大小或者粒子之间的距离这两种情况中的任一一种。

设计意图：通过绘画，展示学生已有的认知思维。通过组间交流互质，培养学生合作、质疑的能力。

（3）修改模型

[学生]交流后，对自己纸上所画模型进行修改。用球棍搭建出修改后的模型。

[教师]为了使学生的思考更为方便，先要让学生意识到0.1mol物质的微粒数目是相等的。

设计意图：引导学生以小组合作的方式，通过“模型搭建”活动来帮助学生找出影响物质体积的因素，并理解这些因素是如何影响物质体积的。

（4）再次评估后，修改生成正确模型

[教师]引导学生用对比的方法得出每种因素对3种状态的物质体积影响程度的相对大小。

[学生]总结：固体、液体难以被压缩，粒子之间的距离小;气体容易被压缩，粒子之间的距离大。因此固体、液体的体积大小主要取决于粒子的大小，而气体的体积主要取决于粒子之间的距离。最终建立起正确的结构模型。

设计意图：再次评估使模型更加完善。最终得出的模型能帮助学生第二环节的学习。

2.探究影响气体体积的因素，建立气体摩尔体积的概念

（1）生成模型

[教师]气体的体积主要取决于粒子之间的距离，那么哪些因素会影响粒子之间的距离？

[学生]猜测影响因素可能有温度、压强，以及它们之间的关系，建立初步的模型。

设计意图：检测学生的先验知识，让学生发散思维，提出正确的猜想，从而建立一个初步的模型。

（2）评估模型

[教師]引入化学史：1662年，波义耳提出波义耳定律，密闭容器中的定量气体，在恒温下气体的压力和体积成反比关系;1808年法国化学家盖·吕萨克提出气体化合体积的实验定律，在同温同压下相同体积的不同气体含有相同数目的原子;阿伏伽德罗修正了盖·吕萨克的假说，提出“在同温同压下，相同体积的不同气体具有相同数目的分子”。

[学生]了解化学史后，对于自己的模型进行评估。

设计意图：回顾历史，让学生感受化学史的丰富内涵，可以有效激发学生兴趣。科学家提出的理论可以作为学生评估模型的依据。

（3）修改模型

[教师]以压强为例，演示PhET仿真模拟软件设置，如图2所示。

PhET仿真模拟软件包括有化学、物理、数学、生物、地球科学等一百多种实验。打开软件中的“气体性质”化学实验，在软件中设置温度相同，投入微粒数目相同的同种粒子。此时压强增大，容器的体积减小。PhET仿真模拟软件还会显示出具体的数值关系。

[学生]学生通过控制变量法来进行仿真操作，控制变量的过程见表1，分别探究温度、压强、微粒数目对于气体体积的影响。

[评价]学生实验后得到模型：PV=knT（其中，P为压强，V为气体体积，n为气体的物质的量，T为温度，k为未知常数），即为理想气体状态方程的雏形。

设计意图：通过电脑软件，可以利用数据和图像直观地展现气体体积的变化情况，从定性到定量，有利于模型的建构。

（4）再次评估修改后，生成正确模型

[教师]展示克拉贝龙方程（理想气体状态方程）的化学史：一定量气体，体积和压强的乘积与热力学温度成正比，即PV=nRT，其中R为一个常数，为8.3145J·mol-1·K-1。修正学生的概念模型。理想气体状态方程解释了气体体积的规律。从而得出当微粒的数目、温度、压强一定时，气体的体积也是一定的。那么在0°C，101kPa的条件下，1mol气体的体积为多少呢？

[学生]通过理想气体状态方程，计算在标准状况下1mol气体的体积，得到数值为22.4L。

[评价]引出气体摩尔体积这一概念，即单位物质的量的气体所占的体积。

设计意图：完善学生对理想气体状态方程的理解。自然引出气体摩尔体积这一概念。经过两个环节循序渐进的探究，学生对气体摩尔体积这一概念理解更为深刻。

五、教学反思

1.PhET仿真软件将抽象问题具体化

PhET互动仿真软件是一种模拟概念、关系、系统或现象的动态环境。该环境允许用户在其中与模型进行互动[12]。气体体积的影响因素涉及温度、压强、微粒数目等，这个探究实验在实际课堂中很难实现。传统课堂在这一课时的教学上，往往会放弃该探究，而该仿真软件则可以将抽象的过程直观地呈现在屏幕上。本课中引入PhET仿真软件，学生能够直观地看到温度、压强、微粒数等与气体体积的关系。从而帮助学生理解概念，促进学生的思考与交流。PhET互动仿真软件中还包括原子模型、pH值、分子极性、卢瑟福散射等多个化学仿真实验。因此在学习以上内容时，也可以引入PhET互动仿真软件，来帮助学生更好地理解。

2.建模与深度学习的融合

“气体摩尔体积”这一内容属于化学概念。如果只是单纯地让学生记住“标准状况下，1mol任何气体的体积约为22.4L”，那么学生的学习只停留在浅层的阶段。本课先让学生自行构建概念模型，发挥学生的主观能动性。再通过一系列学生动手活动，实验探究等在实践中评估、修正自己所构建的模型。在这个过程当中，有小组合作的形式，也有个人分享的环节，尽量让每个学生都能参与到课堂当中，不再游离于课堂之外。将建模与深度学习融合之后，对概念进行理解、深化、迁移和应用，从而使学生对于化学概念的学习从浅层走向深层。gzslib202204021613

3.建模對于概念学习具有重要意义

概念模型的建构不仅让学生掌握了化学知识，更让学生建立起科学的思维方法。学生在概念构建的过程中，首先被激发先验知识，根据先验知识，教师才知道，要想学习新知识，需要为学生构造多少条件，从而把学生的水平提高到更高的层次。学生在评估和修改概念的过程中，发现原先概念中的错误之处，对概念的内涵进行延伸和拓展，进一步掌握概念的本质。因此，建构模型对于其他概念的学习也有一定的价值。

参考文献

[1]张晋，毕华林.模型建构与建模教学的理论分析[J].化学教育（中英文），2017，38（13）：27-32.

[2]史凡，王磊.论国际化学教育研究热点：模型与建模[J].全球教育展望，2019，48（5）：105-116.

[3]翟小铭，郭玉英.美国科学建模教育研究三十年概述及启示[J].全球教育展望，2015，44（12）：81-95.

[4]Samia，Khan.Model-based inquiries in chemistry[J].Sci?ence Education，2007，91（6）：877-905.

[5]荣凤娜.利用手持技术探究“气体摩尔体积实验”[J].化学教学，2015（9）：48-51.

[6]江敏.架起宏观与微观之间的桥梁——从“气体摩尔体积”到“火箭推进剂”（下）[J].中学化学教学参考，2013（07）：1-5，8.

[7]历晶，郑长龙，娄延果“.气体摩尔体积”教学逻辑评析[J].化学教育（中英文），2011，32（10）：37-40.

[8]徐宇峰，彭小平.融入科学史和实验探究的“气体摩尔体积”教学[J].化学教学，2016（6）：52-56.

[9]喻俊，叶佩佩.关注大概念的教学设计与实践——以“气体摩尔体积”为例[J].化学教育（中英文），2020，41（9）：41-45.

[10]陆余平.以化学建模方法设计《气体摩尔体积》教学过程[J].化学教学，2007（7）：43-44.

[11]Eric Jensen，LeAnn Nickelsen.深度学习的7种有力策略[M].上海：华东师范大学出版社，2010.