发展学生“模型认知”素养的单元整体教学

白建娥

摘要： 在深入研究课标、学情的基础上，从2020年版鲁科版教材第二章提炼出“共价键与分子结构”教学单元，教学目标确定为发展学生的“模型认知”核心素养。详细阐述该单元整体教学中的驱动性问题与学生活动的设计，课堂即时评价全程跟进。后测结果表明，学生“模型认知”核心素养获得明显提升。

关键词： 模型认知; 单元整体教学; 共价键; 分子结构

文章编号： 10056629（2022）09003505

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

“证据推理与模型认知”是化学学科五大核心素养之一，新课标对“模型认知”的定义是“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关联，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]。对学生而言，“模型认知”包括运用科学家已经建构的科学模型分析解决问题、像科学家那样运用模型方法，通过建构模型分析解决问题等[2]。“共价键与分子结构”内容涉及的共价键模型、杂化轨道理论、价层电子对互斥理论（以下简称VSEPR模型）、氢键等均为科学家已经建构的科学模型，从“能将事实与模型进行关联和匹配”，到“能理解、描述和表征模型”，再到“能认识到模型和研究对象的异同以及模型使用条件”，体现了化学学科核心素养中的“模型认知”水平由低到高的发展顺序。

单元整体教学有助于教师突破“只见树木不见森林”的课时思维，打通知识到素养的通道，通过让学生完成具有挑战性的任务促进对化学核心知识和学科思想方法的深刻理解，实现迁移应用，培养学生的关键能力、必备品格和正确的价值观，是“素养导向”下一种有效的教学模式[3]。单元整体教学的关键是确定教学单元、制定单元及课时教学目标、依托情境素材设计驱动性问题和学生活动、全程进行诊断与评价等。下面以2020年版鲁科版教材“共价键与分子结构”为例，阐述发展学生“模型认知”素养的单元整体教学设计过程。

1 深入解读课标及教材，确定教学单元

“共价键与分子结构”是从2020年版鲁科版教材选择性必修2《物质结构与性质》第二章提炼出来的内容。新课标中“物质结构与性质”模块分三个主题，着重突出结构与性质的关系，同时也强调了研究物质结构的方法与价值。2020年版鲁科版教材以主题2作为第二章的标题，下设四节内容对微粒间的相互作用进行诠释。教材具体

内容与课标要求之间的对应关系如图1所示。

由图1可以看出，教材的四节内容中，第1、 2、 4节内容具有递进关系，可以从整章中剥离出来，自成一个相对独立的单元。而第3節内容的作用是丰富微粒间相互作用的类型，使学生形成一个相对完善的知识体系，可以另成一个教学单元。

第1、 2、 4节内容形成的教学单元，始终围绕共价键模型（价键理论）及其发展和分子结构与性质展开，故单元主题确定为“共价键与分子结构”。单元知识之间的内在逻辑关系如图2所示。

原子之间通过共价键形成分子，分子具有一定的空间结构，杂化轨道理论和VSEPR模型可以解释和预测分子的空间结构。共价键的极性和分子的空间结构决定了分子中的电荷分布与极性。分子之间通过分子间作用力（范德华力和氢键）形成宏观物质，依据分子结构可以解释物质某些方面的性质（如熔沸点、溶解性等）。整个单元内容从微观到宏观，将结构与性质建立关联，体现了研究物质结构的价值。

2 立足课标与学情，制定单元教学目标

教学过程中发现，学生对模型尚缺乏科学的认识，不能时刻意识到模型是科学家为了认识世界中的特定对象（原型）而构想出来用于表征目标对象的一种简化、抽象或近似的描述[4]，常把“模型”与“研究对象”混为一谈。乙烯分子中的C原子为什么不采取sp3杂化方式？计算中心原子周围的价电子对数时，多重键为什么只计其中的σ键电子对，不计π键电子对？非极性分子中正负电荷重心重合，为什么相互之间还有范德华力（本质为静电作用）？令学生困惑的上述问题表明，“模型”与“原型”的主客体地位、因果关系常被颠倒，模型还常被误认为是静态的实体。基于上述学情分析，参照新课标的“内容要求”与附录1“化学学科核心素养的水平划分”[5]，笔者将“共价键与分子结构”单元教学定位在发展学生的“模型认知”核心素养。单元教学目标的具体内容如图3所示。

将单元目标按照素养发展水平具体到每一种模型，即为课时目标。例如，对于共价键模型，课时目标是： （1）知道共价键模型是科学家基于量子力学理论建立的科学模型，能描述共价键的形成过程，说出共价键的实质;会识别σ键和π键;能结合H2O、 NH3等具体实例论证共价键的饱和性和方向性;（2）能运用共价键模型解释相应的分子结构与物质的性质;（3）知道共价键模型在解释O2有顺磁性、甲烷分子组成、分子空间结构方面的局限性。其他模型的课时目标制定参照共价键模型，因篇幅所限，不再赘述。

3 基于目标选取情境、设计问题和活动

制定了教学目标，就有了方向。教学目标的实现需通过每一课时进行落实。而在每一课时中能够将学生快速带入学习状态的最佳方式就是利用真实的问题情境。重视真实问题情境的运用，以此促进学生化学学

科核心素养的形成和发展，正是新课标在“实施建议”中特别提倡的有效教学策略。鲁科版教材设置的“联想·质疑”“观察·思考”“交流·研讨”等栏目，在学生已有经验或者熟悉的事实和现象的基础上创设学习情境，是能够引起学生学习兴趣的绝佳素材。本单元教学中，主要利用现有的情境素材，设计驱动性问题，激发学生强烈的求知欲或引发其认知冲突;同时设计与驱动性问题相匹配的学生活动，让学生在活动的体验过程中认识模型、理解模型，最终会应用模型解释客观事实。

图4呈现了本单元的课时内容、情境素材、设计的驱动性问题以及学生活动。

5课时的内容紧紧围绕本单元先后呈现的五个科学模型展开，考虑到知识的逻辑顺序、学生的认知发展顺序与课堂容量，将教材共价键模型部分的“极性键与非极性键”调整到VSEPR模型之后与“分子的极性”合并。每个课时既相对独立，又彼此关联。整个单元沿着“分子内原子之间的相互作用→分子的空间结构→分子之间相互作用→物质的性质”顺序推进，外显了“结构决定性质，性质反映结构”的化学学科观念。其中，结构可通过技术手段（如分子光谱）测定，也可通过VSEPR、氢键等科学模型预测和解释。模型形象、直观、理想化地反映结构，并能较令人满意地解释分子和物质的部分性质。

本单元的驱动性问题直接指向科学模型的价值和模型所包含的要素。例如，必修阶段学生已经学习了经典的共价键模型，知道共价键是原子间通过共用电子对形成的化学键。但是，原子之间为什么要进行电子配对？学生只知其然不知其所以然。第1课时，直奔主题，驱动学生思考电子配对的合理解释，使学生迅速达到“心求通而未得，口欲言而弗能”的愤悱状态，强烈的求知欲旋即产生。为什么水分子中H和O个数比为2∶1？为什么H2O不是直线型分子？两个问题直接指向共价键的特征： 饱和性和方向性。再如，科学家是如何发现分子之间存在范德华力和氢键的？有哪些证据作为支撑？与共价键相比，范德华力与氢键的强度怎样？是否也有饱和性和方向性？第5课时的这些问题驱动学生去思考微粒间相互作用的相通之处，共价键是原子之间的相互作用，分子是由原子组成的更复杂的微粒，作为分子间作用力的范德華力与氢键，是否与共价键有某种关联呢？相同与不同之处在哪里？带着这些问题去学习，有助于学生透过表象看本质，在深入反思中形成统摄性的观念。可见，驱动性问题是学习和思考的起点，也是课时指向的目标与归宿。

学生活动的设计围绕着驱动性问题的解决，本单元主要分为对模型的理解和应用。指向模型理解的学生活动有： 图4中课时1（1）（2）、课时2（1）、课时3（1）及课时5（2）。其中，根据教材图示描述H2、 CH4分子的形成过程;模拟H2O、 NH3、 N2分子中原子的成键方式，使多个磁力棒围绕一个磁力球尽可能最大远离;拼搭冰的氢键模型，目的分别是理解共价键的本质、类型，杂化轨道模型的思维过程;VSEPR模型的核心要素以及氢键一定程度的饱和性和方向性（传统上认为氢键具有饱和性和方向性，然而氢键的形成不像共价键的形成对方向性的要求那么高[6]）。其余的学生活动则指向模型应用，用科学模型预测、解释分子结构及物质的性质。对学生来说，理解科学模型是一个输入过程，理性思维之前最好要先有感性认识，因此设计的多是观察思考、动手体验类活动;而应用科学模型是一个输出过程，主要参照课标的“学业要求”进行设计，多为口头表达与动手书写类活动，紧跟在指向模型理解的学生活动之后，以诊断学生对模型的掌握情况。设计学生活动时考虑了学生的心理发展进阶，例如课时3的四个活动： 先拼搭磁力棒以理解VSEPR模型的要素;接下来预测能够写出电子式的微粒的结构;然后结合计算预测较复杂微粒的结构;最后既预测又解释微粒的结构和组成。学生活动由感性到理性，从简单到复杂，循序渐进，逐渐增强学生的获得感和自信心。

4 即时评价，促进“模型认知”素养提升

新课标提倡实施“教、学、评”一体化，有效开展日常学习评价[8]，还特别强调发挥评价促进学生化学学科核心素养全面发展的功能。可见，评价不是目的，是一种手段，目的是促进核心素养的发展。课堂即时评价是最直接、最便捷的评价形式，是“教、学、评”一体化理念落地的基本途径[9]。那么，核心素养的发展在教学过程中如何得到有效评价和促进呢？

由图4可以看出，在“共价键与分子结构”单元整体教学过程中，设计的活动包括“描述、论证、解释、书写、拼搭、实验”，需要学生高频次地动手操作、动脑思维和动口表达。活动中学生的情意态度可以被观察、感知;表达、书写与实验的结果可以被诊断与评价。作为教学活动的组织者，教师通过不断巡视，可以把控课堂教学节奏;通过不断追问，可以发现学生暴露的问题并做出补救性调整;通过点人上台板演，可以使典型问题聚焦放大，并鼓励同伴互评互助。在师生和生生多轮次的交互碰撞中，在教师获得及时反馈后的进一步点拨中、在受到教师肯定后备受鼓舞的进一步探索中，学生对科学模型的理解和应用水平不断提升，模型认知素养逐渐获得发展。

后测中呈现了前文提及的三个问题： 乙烯分子中的C原子为什么不采取sp3杂化方式？计算中心原子周围的价电子对数时，多重键为什么只计其中的σ键电子对，不计π键电子对？非极性分子中正负电荷重心重合，为什么相互之间还能产生范德华力？对于第一个问题，92%的学生达成共识： 首先承认乙烯为平面结构的事实，再用相应的理论或模型进行解释。若从杂化轨道理论解释，C原子只有采取sp2杂化方式才可以符合事实。对于第二个问题，75%的学生能关联到第3课时开始围绕一个磁力球拼搭磁力棒的活动，两棒一球为直线形，三棒一球为平面三角形，四棒一球为正四面体，五棒一球为三角双锥，六棒一球为正八面体（如图5所示）。中心原子周围几“堆”电子，就像几个磁力棒，彼此之间形成“最大远离”的空间结构。而中心原子与某个配体之间不管单键、双键还是三键，都只能算作“一堆”电子，相当于只有σ键对“电子堆”有贡献。VSEPR模型原本就是Sidgwick等科学家在归纳了许多已知分子的几何构型后提出的经验模型[10]，只有不计π键电子对时才能与事实吻合。

图5 学生用磁力球与磁力棒模拟价电子对拼搭的分子空间结构

第三个问题，课堂上教师用原子结构的“电子云”模型结合微观粒子永不停息地做无规则运动的特点进行了生动形象的讲解，绝大多数学生能提到“瞬间正负电荷不重合”、“随时会产生极性”等字样，不再把微粒看成静止不动的存在。

“共价键与分子结构”涉及的五个科学模型都是上世纪二十年代后期随着量子力学理论的发展而建立起来的。量子力学是研究微观粒子运动规律的科学，微观粒子最显著的特点是具有波粒二象性，即所谓的“行为诡异，难以捉摸”。因此，科学家基于实验事实，通过分析、推理等方法认识微观世界的本质特征、构成要素及其相互关联，建立了科学模型。通过本单元的整体教学，如果学生对科学模型有了科学的认识，能应用模型解释通过科学技术手段测得的分子结构，并能够预测某些分子结构，在结构与性质之间建立联系，那么，发展学生“模型认知”核心素养的目标就已基本达成。

参考文献：

[1][5][8]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 4， 74， 90.

[2][4]吴星等. 化学学科核心素养中“模型认知”的解读[J]. 化学教学， 2020， （6）： 3～8.

[3]胡久华. 以深度学习促核心素养发展的化学教学[J]. 基础教育课程， 2019， （2）： 70～78.

[6][7]陈光巨等. 普通高中教科书·物质结构与性质[M]. 济南： 山东科学技术出版社， 2020： 37， 45～47.

[9]赵春梅， 陆艳. 高中化学课堂“教、学、评”一体化的实践问题与策略思考[J]. 化学教学， 2021， （6）： 37～41.

[10]华彤文等. 普通化学原理（第4版）[M]. 北京： 北京大学出版社，2018： 290.