模型认知在元素化合物教学中的运用

福建省霞浦第一中学（355100） 刘 瑾

元素化合物知识是高中化学的一个重要组成部分，其内容较多且零散，所以学生识记比较困难。为了让学生能够更高效地学习元素化合物知识，教师需要采用合适的方法去讲解这部分知识。模型认知就是一个很好的方法。通过建立各种模型把元素化合物知识形象化，让学生更加直观地认识元素化合物的结构，从而更好地掌握元素化合物知识，提高学习效率。

一、元素化合物的教学特点

元素化合物知识点多、涉及面广，其中大部分都是描述性知识和识记性知识，具有难、杂、散、乱的特点，所以学生很难全面准确地掌握。同时元素化合物知识又具有逻辑性和连贯性，若旧知识掌握不扎实，会对新知识的学习造成阻碍。在元素化合物教学中，教师往往都是从原子结构入手，根据结构推测元素化合物可能具有的性质，然后通过实验验证推测的科学性，最后依据“结构决定性质，性质决定用途”引出物质的存在和应用。对于该部分知识，学生上课虽然听懂了，但是课后却不会应用。

二、元素化合物教学中存在的问题

（一）教师的教学方法不够恰当

化学教学中对模型认知的运用相对其他学科来说较少。相关研究表明，大多数化学教师仍然以课本中的知识框架为主，缺乏对模型认知的运用，忽略模型的构建，导致学生只能被动接受、机械记忆，因此学生的学习效率较低，教学质量难有提升。当前的化学教学，重心偏向如何让学生在考试中获得高分，这一应试教育理念已成为学生学习路上的绊脚石。部分教师的教学方法单一、落后，让学生逐渐失去学习化学的兴趣；部分教师的教学模式比较死板，使学生成为只会做题的“机器”，无法运用所学知识解决生活问题。这样的课堂教学偏离了化学教学的初衷，导致学生失去探索新知识的乐趣，难以体会学习化学的价值。

（二）学生的学习方法不够恰当

化学学科以实验为基础，知识点多且分散，大量的知识需要识记，特别是元素化合物知识涉及面广，既和反应原理及物质结构等知识相关联，又与现代生活紧密联系，这就需要学生具备一定的逻辑推理能力，所以这部分知识是学生学习的难点。在学习元素化合物时，学生因为没有运用模型认知的方法进行分类整理，只是进行生搬硬套，所以很难厘清元素化合物知识结构，经常记混、记漏，解题时也不知从何入手。

三、模型认知在元素化合物教学中的运用

《普通高中化学课程标准（2017 年版）》将“证据推理与模型认知”列为化学学科核心素养之一。“证据推理与模型认知”核心素养要求学生根据所学知识提出问题，然后通过各种途径收集证据，再根据证据提出假设并进行推理论证，最后根据所学的化学物质的性质和特点构建模型，并运用模型解决实际问题［1］。模型认知有助于学生理解化学抽象知识，揭示化学客观规律。

（一）建立物理模型

学生对新知识的学习是建立在原有知识的基础之上的。只有当学生将知识与经验联系起来，在头脑中建立形象的模型，对知识既有感性认识又有理性认识，才能形成完善的知识体系。物理模型的建立可以使抽象的概念变得直观，借助物理模型学生可以较好地建立知识链接，更好地学习元素化合物知识［2］。

在引导学生学习元素化合物时，教师可以让学生准备一些由橡皮泥捏成的小球和一些小棍，然后利用这些材料构建球棍模型，把化合物表现出来，由此让学生更加直观地了解元素化合物的结构特点。例如，在教学“甲烷”时，教师让学生试着拼出甲烷的球棍模型并进行观察，通过观察学生可以更好地掌握甲烷的结构特点，同时得出甲烷是正四面体结构，其中四个氢原子是等效的，它的二氯取代物只有一种。这样，通过构建物理模型，学生加深了对概念的理解，同时提高了动手操作能力。

（二）建立概念模型

概念模型主要是用概念图来表示。概念图最早是在20世纪60年代由美国康奈尔大学诺瓦克教授等人提出的。概念图是把基础的知识概念结构化，并用结构图的方法表现出来的一种模型认知方式，目的是更好地帮助学生理解和掌握概念。学生通过建立概念模型，可以清楚每个概念之间的关系，把相对琐碎的概念系统化。需要注意的是在概念图中每个概念只出现一次［3］。

从元素化合物和中心元素的特性来分析出每个元素化合物的特点，并且根据元素化合物的特点来分析元素化合物的性质及其与其他化合物反应的性质。例如，对于钠及其化合物，可以将钠作为中心元素构建钠及其化合物的结构网络图，同时把钠和其他能够与其反应的物质（如氧气、氯气、盐酸等）相联系，再把反应得到的化合物对应填上，以便归类记忆。

（三）建立抽象模型

化学教学的终极目标是让学生习得化学知识，掌握化学思维方法，并能灵活运用化学知识解决生活问题，从而形成化学专业素养。在解答化学题目的过程中，教师要教会学生依据题目提炼出关键点，建立好模型，或者直接运用自身比较熟悉的模型去解题，实现高效教学。

教师在讲授元素化合物知识时，可以与氧化还原的知识相结合，帮助学生建立学习物质的性质认知模型，厘清元素化合物性质的学习规律，并把此认知模型迁移运用到碳、氮、硫等元素知识的学习中。例如，教师在讲授“二氧化硫”这节课时，可以把物质类别作为横坐标，把核心元素硫的化合价作为纵坐标建立二维平面图像，它直观、形象地体现了以二氧化硫为中心的“分类观”“转化观”“元素观”。将硫及其化合物知识系统化、结构化，有助于学生形成学习二氧化硫的基本思路。学生可以通过“价类二维图”，根据“二氧化硫的类别是酸性氧化物”得出酸性氧化物的性质：可以与水反应，可以与碱性氧化物反应，可以与碱反应。再根据硫元素的价态有-2、0、+4、+6，而二氧化硫的价态是+4，既可升高又可降低，从而可以预测、分析二氧化硫具有氧化性和还原性。最后学习二氧化硫的特性“漂白性”，并尝试运用所学知识解决实际问题。

（四）建立数学模型

教师在元素化合物知识的教学中要重点帮助学生建立起知识框架，注重培养学生的化学专业素养。围绕知识本身的特点和内在特质而建立的数学模型，可以帮助学生更好地学习知识。数学模型能够促进学生利用数学知识分析化学问题，让学生可以理顺和计算出题目中的关键量，提高学生对图形的辨别能力以及图文转换能力。

教师教学元素化合物知识时，可用曲线图呈现某一化学过程中的变量关系，并找出其变化规律，这样有助于提高学生的解题效率。例如，向氢氧化钠溶液中通入二氧化碳，其溶质的成分是什么？对于此问题，可通过图像来加以判断。根据方程式2NaOH+CO2＝Na2CO3+H2O，NaOH+CO2＝NaHCO3，设CO2与NaOH 的 比 值 为a，若a=0.5，则 溶 质 为Na2CO3；若a=1，则溶质为NaHCO3；若a在0.5与1之间，则溶质既有Na2CO3又有NaHCO3；若a小于0.5，则溶质为NaOH 和Na2CO3。如果就这样直白地讲解，学生可能无法理解透彻，而借助数学地坐标轴则可以直观地看出不同比例的反应物相对应的溶质，有助于学生对相关题目的理解和计算。

（五）建立思维模型

元素化合物这部分知识还可以通过建立思维模型来进行学习。思维建模的过程主要包括分析、建模和解模三个过程，即对研究对象进行分析，抓住它的主要信息及相关对象的共性问题，舍弃一些次要信息，对主要信息做一些必要的简化、假设和一般化处理，并用适当的文字、公式、实物等去再现原型的各种复杂结构、特征、功能和联系，建立相对固定的思维模型，从而去研究未知对象和解决实际问题［4］。

例如，在书写陌生情境下的氧化还原反应离子方程式时，可引导学生建立思维模型（一审四看快速书写法），让学生能够快速书写方程式。以2018年全国Ⅰ卷第27题第（4）小题为例：Na2S2O5可用作食品的抗氧化剂。在测定某葡萄酒中Na2S2O5的残留量时，取50.00 mL 葡萄酒样品，用0.01000 mol·L-1的碘标准液滴定至终点，消耗10.00 mL。写出滴定反应的离子方程式。这道题考查的是一个滴定实验，要求写出滴定反应的离子方程式。因为这类题目往往与社会生产生活以及高科技相结合，所以对于学生来说陌生度较大，学生看到题目不知道从何下手。因此，帮助学生建立思维模型就非常重要，思维模型可以助力学生快速解题。首先认真读题，根据题给信息知Na2S2O5是一种抗氧化剂，可作还原剂，写在反应物中，根据价态的变化，S 从+4 价升高到+6 价，所以对应的氧化产物为硫酸根。因为碘作为标准液进行滴定，所以氧化剂为碘单质，根据价态的变化，碘从0 价降到-1 价，对应的还原产物为碘离子，这样就找出了氧化剂和还原产物以及还原剂和氧化产物，从而确定方程式中的反应物和生成物:。接着根据氧化还原反应原理，通过化合价的升降进行配平：，发现电荷不守恒，可根据溶液环境补充氢离子或氢氧根离子使方程式守恒。因为本题中I2参与反应，所以不能选择氢氧根，只能选择氢离子，由此得出：6H+。最后根据原子守恒补上H2O进行配平：。这种思维模型可归纳为“一审四看快速书写法”。“一审”：审清题干找两对；“四看”：一看化合价升降配系数，二看反应前后电荷数，三看溶液环境找平衡，四看原子守恒再配平。这种思维模型还可用于解答类似的题目。

四、模型认知在元素化合物教学中运用的重要性

（一）能提高教学效率

模型认知可以帮助学生明确学习内容和学习目标，帮助教师了解每个学生的学习情况，从而进行针对性教学。在教学元素化合物知识时，教师可引导学生建立化学模型直观呈现化合物的结构，使学生更加清楚地了解元素化合物知识，从而提高教学效率。例如，利用球棍模型让抽象的元素化合物具象化，让学生直观感受化学物质的结构，使教师的教和学生的学变得更加轻松。

（二）能调动学生学习的主动性

教学既要有高效的教，也要有高效的学。传统教学中，教师往往只注重教，而忽略调动学生的学习主动性。教师在讲台上滔滔不绝地讲理论知识，学生只能被动地接受。这种枯燥的教学方式，使学生容易走神，不能真正地参与学习的过程，教学效果较差。而运用模型认知可以让学生真正地参与化学学习，调动学生的学习主动性，增强学生的自主学习能力。在元素化合物知识教学中，教师可以引导学生小组合作进行模型构建，从而得出相关数据和结论，这样更能充分调动学生的学习主动性。模型认知还可以让师生进行更多的互动交流，拉近师生之间的距离，同时可提升教师的教学效率和学生的学习效果，实现教学相长。

（三）能提高学生的解决问题能力

模型认知可以让学生发现元素化合物的核心内容，并通过构建模型在复杂的问题中找出关键信息进而顺利解决问题。构建模型可以把比较笼统的元素化合物的概念清楚地表现出来，让学生对元素化合物的学习产生兴趣。如分子结构模型可以形象地展示物质分子中各原子的空间排列情况，帮助学生记忆和理解物质分子的空间结构，使学生可以更清楚地看到分子的空间结构，从而牢固掌握分子空间结构知识。一些概念、原理、数据是学生通过构建模型进行验证推理最终得到的，因此印象深刻。模型认知，不仅可提高学生的建模能力，还能提高学生的解决问题能力。

综上所述，在元素化合物知识的教学中，应用模型认知可以提高教师的教学效率，调动学生的学习主动性，提高学生的解决问题能力。学生通过构建知识模型可以厘清思路，便于学习和记忆，同时了解知识的内在联系，形成知识结构图，从而达到高效学习的目的［5］。