浅谈核心素养视域下高中化学建模能力的培养*

李秀珍

（福建省清华大学附属中学福州学校 福建福州 350000）

引言

进入高中阶段，化学知识变得愈发繁杂，学生之所以认为学习困难主要是因为很难转化成知识体系，若想实现知识的体系化与结构化，化学教师应基于核心素养培养要求，在课堂教学中辅助学生从多维度进行建模，从而将无序的知识表面构建为科学体系。总之，通过建模教学，一方面让抽象的化学知识更加形象化，提高学生知识学习的主动性，另一方面在教学中重视思维发展过程，增强学生理解化学知识的能力、化学建模能力，而通过模型开展教学活动也可以提升整体教学质量。

一、建模教学重要作用

1.化学知识更具结构化，推动学生思维发展

进行建模教学引导学生通过已经掌握的经验知识，解决新问题，在此过程中整合原本碎片化的化学知识，依据形成的化学模型将新知识推导出来。虽然学生已具备的建模基础相对薄弱，可是在教学过程中凭借教师的科学引导，会大大激发其建模潜力。一方面学生能在模型建构中主动参与，另一方面和个人认知规律相符。学生在新情境中找出并提出问题，再进行思维整合总结出个人想法，在和小组成员合作交流后将问题妥善处理。学生在建模学习中，应对设计模型加以不断思考及完善，这样不仅能提高学生的思维认知能力，并且和化学核心素养培养要求相符[1]。

2.调动学生化学学习的积极性

教师在课堂中扮演“引导者”的角色，将学生的主体性凸显出来，通过趣味的化学探究实验，利用思维建模及设计模型处理新问题，因为学生作为主角，会拥有较高的课堂参与度。总之，建模教学通过问题情境创设、趣味化学实验等方式能够激发学生学习兴趣，提高学生的化学成绩。

二、建模教学基本原则

化学模型以及化学建模属于不同的两个概念。化学建模，主要指的是化学模型构建的一个过程，至于化学模型则是思维化学建模的最后结果与主要目的，双方之间的关系是密不可分的。而且建模过程较为复杂：（1）依据实际情境选择研究的相关问题；（2）设定假设；（3）依据“抓主放次”原则建立初步的化学模型；（4）依托实践检验模型，寻找其中的不足之处；（5）进一步修改构建的化学模型并加以检验；（6）建立最合适的模型。基于此，化学建模为按照现实需求及科学方法，构建将原型结构、特征等进行清晰表征的过程[2]。进行化学建模教学，不仅能增强学生建模能力，还能提高信息处理、问题分析等多方面能力和化学核心素养。教学基本原则如下：

1.原型和模型之间的相似性

依据教学内容构建模型，需尽可能确保原型与模型的相似性，旨在使学生看到模型后进行自我思考及推理。虽然模型具备抽象性，可抽象应将原型作为基础，若是和原型存在较大差距，学生不仅无法理解而且也会丧失建模教学的本有价值。

2.以生为主

“以生为主”是化学建模教学的主要特征，化学模型发挥“中介”作用帮助学生掌握化学本质。由此，开展化学建模教学“以生为主”是第一原则。这一原则要求教师在建模教学过程中，不要采取“灌输式”教学模式，而需按照教学内容做好化学模型的设计，正式课堂教学中让学生思考探索这一模型，通过教师的讲解，辅助学生更为深入地掌握化学原型。

3.模型具备条件性

在条件不同情况下的化学物质，比如酸碱性、压强等相关条件，有可能致使化学物质的反应、结构发生改变，可由于模型属于高度抽象的原型体现形式，所以应用模型应满足一定条件，基于化学反应、物质处在不同条件，应使用不同的化学模型。基于此，建模教学过程中必须依据条件性原则，按照化学实验条件构建针对性的化学模型，切忌一概而论，否则不利于学生掌握相关知识、增强化学建模能力、提高核心素养。

三、建模教学相关策略

1.简化模型辅助模型的理解及使用

关于模型，其属于针对现实问题的简化抽象，可以将研究对象的共性及本质准确、直观反映，避免其中非本质及次要因素。因为所遇到的化学问题多数类似于“理想模型”，由此便能将问题作为理想模型进行处理，进而最大程度简化问题难度，快速找到问题的处理思路以及方法[3]。

2.通过实验探究辅助构建化学模型

针对化学实验而言，无论对掌握化学知识还是提高科学素养，均发挥十分关键的作用，让学生体验到物质本有性质。所谓实验探究，主要是学生亲身经历探究知识的一个过程，让其依据已掌握的经验知识，建立处理问题所需的思维模型。进行实验探究帮助学生更为扎实掌握物质有关性质，一方面提高教学效率，另一方面调动学习兴趣。

3.分析问题、解题推理，构建解题模型

通常利用建模思想处理化学问题，即把化学问题建立成概念、数学或者是物理关系，化学教学过程中建模思想的应用范围十分广泛，例如某个规律、方程式、反应类型等均可以称之为思想模型。日常教学中，教师要着重引导学生通过建模思想进行问题分析以及推理解题，能够使学生建立和该题型相似的解题模型，再次面对相似题型时，能及时归入到已经形成的思维模型，进而提高解题效率及正确率[4]。

四、教学案例分析

现阶段，很多学生认为高中化学学习难度较大，此类问题发生的多数原因为未能认识到化学核心素养培养的重要性，仅对理论知识机械化输出，忽视了学生的实际学习需求及学习进度，导致其缺乏学习的自主性；另外，在化学课堂教学中，部分教师缺少必要的建模能力，致使教学内容相对混乱，一方面教学效率难以提高，另一方面不利于化学核心素养的夯实。基于核心素养培养要求，在传授化学知识的同时，还应教会其处理化学问题的方法和思路，通过建模能力引导其更好地掌握所学知识，达到学以致用的效果。接下来，本文将以“有效碰撞理论”与“原电池”为例，对建模教学策略加以分析。

1.有效碰撞理论

主要教学目标为，通过假设猜想这一反应历程，用于逻辑推理以及发散思维能力的发展，让学生针对反应历程构建起一个先验模型；进行材料分析、学习小组讨论等推理证据，逐渐修正先验模型由此构建起理论模型；分析材料并以理论模型给出合理解释，了解化学反应速率会受到基元反应活化能带来的影响[5]。

第一，教师可以为学生创设如下问题情境：在常压常温条件下，氢气和氧气混合难以观察到反应现象，但将其点燃能够生成水，而且添加催化剂有可能引发爆炸。同时给学生抛出几个思考问题：（1）化学反应过程中氧气和氢气分子如何进行原子重组？（2）所需条件有哪些？让学生以小组为单位进行头脑风暴，例如在容器内氢气和氧气分子相互接触，可是因为能量不充足无法反应，接受外界能量之后断掉分子之间旧键，并且生成新键，得以未完成反应。根据学生提出的模型，教师应提供相应的材料引导学生分析，再由证据推理对模型进行修正。

第二，模型修正。第一份材料支持。（1）资料：分子当中的能量速度和分布图；（2）资料：各种气体在标准条件下，平均碰撞频率为109S-1，即1s内1个分子和其他分子进行1亿次碰撞。学生结合教师提供的素材实施小组讨论以及组际分享：首先，温度在相同情况下，分子之间因为不同的运动速度自然能量也不同，越高能量会有更大速度；其次，分子之间发生频繁碰撞，其是发生反应的基础前提。第二份材料支持。（3）资料：已知2HI=H2+I2浓度是10-3mol/L的HI气体，973k时分子碰撞速度在3.5×1028L-1.S-1左右，如果每一次分子发生碰撞均能反应，那么反应速率5.8×104mol/L.S，可是具体速度是1.2×10-8mol/L.S。

依据对资料进行分析，会有学生提出现有论点的补充与驳斥，即并非每次碰撞均有反应发生，并且反应要求碰撞和能量，至于碰撞要求方向。

第三，模型迁移。教师可以让学生通过构建的理论模型解决并解释现实问题。（1）问题：常规反应的活化能范围在60kJ/mol-250kJ/mol，如果活化能没有超过40KJ，因为较快的反应速率所以难以通过一般方法进行测定，而超过400kJ，反应速率相对较小。通过理论模型进行数据及事实的解释说明，即反应速率和活化能之间为直接关系，较小的活化能不涉及外界能量提供支持，得以快速发生反应，因此部分反应要求有条件诱发。（2）问题：依据下表中反应的键能和活化能数据，能说明什么。

表1 问题数据表

由此能说明：首先，键能和活化能不是一个概念；其次，反应存有中间态。另外，教师还可以提出一些拓展问题，例如按照有效碰撞理论，如何改变条件和对化学反应速率进行调控。旨在让学生凭借这一理论模型进行速率调控，加深了解化学模型。

2.原电池

第一，创设情境。组织学生对已经掌握的相关原电池知识加以复习：置换反应、电解质以及正负极知识等，通过“板书+多媒体”的形式展示。

第二，抛出问题。依据Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu，构建单液原电池模型。教师通过问题驱动模式，组织学生自主进行化学建模，从而构建相应的图像模型。

第三，建立模型。依据制定的计划组织学生进行合作式学习，依据学生设计的思路，画出这一图像模型。然后让学生以小组为单位进行实验，根据图像模型进行原电池反应模型的建立，同时在实验过程中观察反应现象，然后就相关现象进行讨论分析：（1）基于原电池持续进行的化学反应，电流表上面的显示数值逐渐变小；（2）伴随进行的反应，逐渐提高溶液温度；（3）锌片和铜片均发现有铜析出。

第四，分析模型。实验模型建立之后，通过问题驱动形式组织学生学习实验模型。（1）原电池发生化学反应以及现象是否和预想存在出入；（2）导致原电池反应现象发生的原因是什么。第一个问题学生提出：未能预测会提高溶液温度；只要没有停止化学反应，则不会出现较大的电流表显示数值起伏。第二个问题学生提出：因为硫酸铜和锌发生置换反应，所以在锌片和铜片上均会看到铜析出。另外，一些化学能在化学反应过程中转换成热能，所以溶液会伴随反应发生提高温度，基于持续进行的化学反应，锌片和铜片均会被消耗，一直到其中一类物质彻底被消耗才停止。

第五，完善模型。化学教师再抛出一个问题，即通过实验和图像的形式进行原电池模型构建，其属于单液原电池且其中存在一些缺陷，让学生进一步完善这一模型，在学生修正模型之后组织分析交流：针对双液原电池而言，电极物质与电解质溶液具体是什么。学生依据提示加以完善，进行双液原电池的实验及图像模型构建，CuSO4与ZnSO4是电解质，Cu片与Zn片为电极。总之，让学生剖析单液原电池存在的不足，引导其完善模型并加以修正，依据已经掌握的化学知识培养其创造性思维，一方面有利于学生深入理解知识，另一方面有利于化学核心素养的提升。除此之外，建模教学还能应用在有机化学中。“官能团”可以反映某类有机化合物所具备的共同特性[6]。通过进行“官能团”的建模教学，让学生紧密联系相对薄弱的有机化学知识，进而达到夯实基础知识的目的。与此同时，学生也应尝试构建每个官能团的网络示图。通过学生自己构建提高自身的知识素养。以羧基（—COOH）官能团为例，选择“乙酸”作为代表物质，复习羧酸全部性质且建立起知识网络示图。

结语

高中化学教师应该与时俱进且要树立起终身学习理念。针对新事物、新方法和新理念应不懈追求，汲取当前有关化学建模教学的成功经验，形成兼具自己教学风格的模型建构思维方法。教师在正式授课前需做好教学设计，针对学生化学建模能力的提高点全面把握，课堂教学中应对学生加以科学引导，着重对其化学建模能力的培养，不仅会提高教师建模教学水平，还能强化学生的建模能力。