基于核心素养的高中化学建模教学分析

郭春波

为落实立德树人的根本要求,高中化学教学应重视学生学科核心素养的培养,完成学科育人的基本要求。开展高中化学建模教学,引导学生建模和分析,能够充分发挥学生想象力和培养学生思考力,有助于学生化学核心素养的形成。从核心素养培养角度探索高中化学建模教学方法,能够有效推动学生的全面发展。

一、明确建模教学目标,提高学生核心素养

在现代科学中,建模是学科学习需要掌握的重点方法,同时也是高中生应当掌握的基本科学探究能力。按照新课程改革要求,培养学生的核心素养,要使学生通过学科学习形成适应个人和社会发展需要的解决问题的关键能力和必备品格。在高中化学学习方面,要求学生形成证据推理、模型认知等学科素养,即将化学事实当成证据完成推理论证,获得相应结论,并在认识化学现象本质、构成要素及相关关系基础上构建认知模型,为复杂化学问题的解答提供思考框架和方法[1]。为此,学生应通过生活和实验等场景分析物质变化事实,完成证据定性或定量收集,并据此提出假设,寻求验证途径。根据证据实施对假设证实或证伪,能够将证据与结论的关系理清。根据现象和模型关系,能够结合物质及其变化等信息完成模型构建、评价和修正,通过模型对物质性质、结构等变化进行推测,进一步提高模型认识。在高中化学教学中,通过建模方法引导学生分析化学问题,能够加强学生认知思维能力,引导学生通过问题表征查找认知体系中是否存在匹配模型,学会运用模型或建立模型解决问题[2]。在教师引导下建立化学认知模型,推理和解析化学问题,可以使学生形成建模思维和问题意识,掌握化学推理和论证方法,提高解题效率的同时,促进学生理解能力、思考能力的发展,达成培养学生化学核心素养的目标。

二、遵循化学建模原则,合理开展教学活动

通过建模教学培养学生的化学核心素养,要遵循建模原则,科学设计教学程序,并运用驱动策略保证教学活动顺利进行,为教学目标达成提供保障。在教学设计方面,首先,应遵循自主建构原则,将培养学生化学核心素养当成是目标开展基础教育活动,引导学生自主思考和学习。例如,在学习“碳酸钠和碳酸氢钠”时,不同于过去侧重讲解两种物质的化学性质等知识,遵循自主建构原则,可以先抛出辨别实验室中两种无色溶液的问题,引导学生结合相关信息完成化学实验设计和过程验证,学会主动构建模型和学习知识。其次,应遵循直观简洁原则,运用建模思维将复杂化学知识进行简化,直观呈现各种知识间的关系。化学模型带有直观性特点,能够将复杂内容简洁化处理,激发学生学习欲望的同时,方便学生理解。如对物质微观结构、化学原理等关系进行呈现,应引导学生使用图像、实物等模型,为学生建立完整知识结构体系奠定扎实基础,确保学生达成模型认知等核心素养培养目标。最后,应遵循全面发展原则,在引导学生建构和运用模型的过程中,时刻关注学生学科素养发展情况,对学生信息收集、分析推理、整理归纳等各方面能力进行培养。化学教学不仅需要指导学生建立模型,还应融合化学问题对学生模型分析、改进等能力进行考查,确保学生可以通过相互交流、合作探索等方式突破模型思维局限性,最终取得全方位发展[3]。

三、理清建模教学思路,科学设计建模程序

首先,应结合教材内容明确教学目标,理清教学思路,建立化学模型体系。例如,在学习“化学反应原理”这一单元的内容时,教学目标是要求学生通过理解化学反应机理掌握反应发生的本质原因,培养学生逻辑思维的同时,引导学生形成环保等意识。从教材内容组成上来看,包含化学能与热能、化学反应速度和限度、电解质溶液微观变化、电化学四部分内容。而根据教学重难点,能够完成模型分类,得到对应的单元教学模型,如表1 所示。通过整体性分析,可以围绕重难点合理运用各种化学模型,完成教学思路的整体规划,确保设计的教学内容和教材板块对应。

表1 “化学反应原理”化学学习模型

其次,围绕教学目标完成建模活动设计,以任务分配等形式促使学生主动参与教学活动。为引导学生建构模型,还应实现任务具体化处理,可以利用实物模型对抽象化学现象进行直观化展示。例如,学习“分子和原子”时,可以安排学生利用各种颜色废纸揉捏成多个小球,用以代表各种原子,并通过胶水黏合方式组成各种分子。在模型制作过程中,学生可以探索如何运用化学符号完成分子多重表征,初步认识模型的同时,把握化学知识与实践生活的联系,深刻体会化学知识的重要性。将建模看成是科学探究活动,可以激发学生的探究欲望,通过实验等方式完成证据收集和推理。例如,在学习“金属钠与硫酸铜反应”时,学生联系之前学习的知识将判断二者发生置换反应,意味着学生将完成模型选择。在此基础上,应指导学生验证模型,开展将小块钠投入硫酸铜和盐酸溶液的实验,完成模型检验。通过观察实验现象,发现钠在溶液表面游动、融化,伴随着声响,溶液中形成蓝色絮状物,可以得到“钠先和水发生反应,生成氢氧化钠后与硫酸铜反应,最终产生氢氧化铜沉淀物”的结论,达到模型修正目标。

四、运用教学驱动策略,增强学生推理欲望

在化学建模教学活动设计中,师生是教学系统中的重要元素,需要通过双向互动保证活动顺利开展。采取驱动策略调动学生主动性,使学生与教师、学习内容有效互动,才能有效培养学生核心素养。一方面,教师应创设真实情境,使学生在问题探究中建立和完善模型。教师选择与学生生活息息相关的场景,能够激发学生兴趣,从专业化学视角探寻问题,加深化学知识和模型认知素养的关联。例如,学习“氮的循环”时,可以结合“雷雨发庄稼”情境指导学生探寻氮元素物质家族,基于“价-类”二维模型探寻氮元素如何由游离态转化为化合态,为庄稼提供氮肥。后续遇到相似问题和情境,学生也能自主尝试建立模型,运用化学知识解决问题。另一方面,教师应强调学生的主动性,督促、引导学生提出问题、假设、猜想后才能自主收集证据,进行分析推理,通过开展大量思维活动,丰富模型认知,完成知识内化和迁移应用,达到核心素养发展要求。例如,在学习“乙醇的结构”时,比较乙烷和乙醇的化学分子式,能够发现乙醇分子仅多了一个氧原子。安排学生开展搭建乙醇模型的任务,学生将自主思考多出的氧原子的连接位置,搭建出氧原子在两个碳原子间、氧原子连接在一个碳氢键上等不同的模型。根据各自的猜想,学生将尝试设计钠与乙醇反应等实验,根据收集的实验证据,最终判断乙醇化学分子结构。

五、发挥模型持续作用,提高学生模型认识

为逐步加深学生对模型的认识,使学生形成模型分析和运用能力,教师应关注模型认知发展的持续性,通过教学一体化评价引导学生不断丰富模型思维。例如,学习“铁及其化合物”时,为使学生形成系统化认识,在学生利用“价-类”认知模型完成相关元素化合物学习后,教师可以提供陌生元素及其化合物学习任务,检验学生能否运用模型完成相关知识学习。以新课程标准为指导,从学生知识掌握情况、技能运用、情感体验等各方面进行评价,可以将学生学习过程与教学评价紧密结合,完成学情诊断的同时,对建模教学效果进行反馈。例如,学习“氮元素物质家族”时,应确认学生能否从“价-类”两个角度对氮元素物质进行探寻和归类整理,利用二维模型完成物质转化实验设计和推理论证,最终形成物质性质与转化的认知模型。通过持续性评价,可以指引学生完成模型认知思维发展,从单纯关注微粒物质逐步向关注微粒间相互作用类型的物质分类方向转变,继而能够根据共价键的键能等对分子化学键强弱、空间结构等进行描述[4]。

六、开展建模教学实践,科学实施课程教学

为探寻高中化学建模教学实施方法,以人教版选修教材中的“原电池”为例,对教学过程和效果展开分析。通过对教材内容的分析可知,学生之前已经通过高中化学必修教材了解锌铜原电池的原理、构成等内容,掌握了化学能与热能相互转化的化学反应理论,可以进行相关实验探究。在教学中为引导学生从微观层面出发,深入理解原电池原理,可以结合工业场景介绍盐桥原电池结构,通过建立相应认知模型完成思维进阶与发展[5]。按照这一思路,可以将铜锌原电池作为案例,引导学生通过实验找出双液原电池正负极,确定电极棒上发生的化学反应。结合实验内容建模,能够使学生进行科学探究,分阶段完成双液原电池模型构建,运用化学专业知识解决实践问题。表2 所示为学生的认知模型进阶过程。

表2 学生“原电池”认知模型进阶

在教学活动中,首先设计教学导入环节,拿出学生常见的各种电池,创设情境,引导学生回想之前学习的知识,认识到电池实际就是通过化学反应将化学能转化为电能的装置。在此基础上,教师提出“原电池将发生怎样的化学反应?”“离开电子转移,电池中是否还有电流?”等问题。根据已有知识,学生能够推理出发生电子转移的反应为氧化还原反应,尝试设计锌与硫酸铜溶液反应的实验。在实验过程中,学生将记录电流表的数值,并观察锌损耗,发现铜片周围析出金属铜。尝试将锌片与溶液分离,发现锌片损耗减少,供电更加稳定,学生将进一步分析原因。在学生开展学习活动过程中,教师应适时干预,指导学生合理建模。如围绕锌和硫酸铜反应建立原电池图像模型,教师可以提出“反应过程中溶液温度升高了吗?”等相关问题,引发学生思考。以小组为单位,学生可以讨论相关问题,思考原电池反应与之前学习的电池反应差异,思考现象成因。通过系统分析,部分学生认为“原电池中只要发生化学反应,电流不会发生过大起伏”,部分学生认为“部分化学能转化为热能,导致溶液温度升高”。学生建模后,教师从原电池电解质溶液物质成分、电极成分等角度与学生讨论,能够帮助学生完善图像模型和实验模型。最后教师可以提出“盐桥电池构成特点是什么?”等问题,引导学生思考和总结,确认自身在化学学习中存在的不足,做到及时改进。

为了更好地开展高中化学建模,提高学生的化学核心素养,教师要加强对学生的引导,帮助学生逐步形成建模能力,确保学生可以通过模型构建、分析、运用等方法完成化学问题推理和解答。在高中化学教学实践中,教师还应运用建模教学模式完成情境设置,促使学生自主尝试运用类别、假设等方法建立模型,并借助文字、图形等方式进行表达。结合化学问题对模型进行分析,把握模型与问题间的联系,通过应用模型深层次分析问题,使学生形成建模思想和论证能力,最终达成培养学科核心素养的要求。