基于建模思想的初中化学教学实践研究*——以沪教版“微粒的性质”为例

李文良 施凤鹤 张丽芳

（1.福建省晋江市紫华中学 福建 泉州 362200；2.福建省晋江市教师进修学校 福建 泉州 362200；3.福建省晋江市罗山中学 福建 泉州 362200）

一、问题提出

《义务教育化学课程标准（2022年版）》指出：教师应紧紧围绕发展学生的核心素养这一主旨，积极开展核心素养导向的化学教学，充分发挥化学课程的育人功能，落实立德树人根本任务。［1］化学学科核心素养中，科学思维从领域特质对学生核心素养发展提出了具体要求，其中建模思想是一种重要的科学思维能力，是高中化学“模型认知”素养发展的内涵体现。［2］

基于“会用模型的视角观察现实世界、会用模型的思维思考现实世界、会用模型的语言表达现实世界”的模型精髓，建模过程中参与的主要科学实践活动包括感知模型、理解模型和应用模型。［3］基于建模的“微粒的性质”教学，探讨如何在化学教学中基于真实情境，通过有意义的问题链实现模型的感知、理解与应用，让学生关注模型建构过程中科学思维的发展，从而深度理解“微粒的性质”的知识本质，落实立德树人的根本任务。

二、内容分析

“微粒的性质”是义务教育教科书沪教版九年级化学上册第三章“物质构成的奥秘”的第一节“构成物质的基本微粒”的第1个课题，新课标从内容上要求学生能初步形成基于分子、原子认识物质及其变化的视角，建立认识物质的宏观和微观视角之间的关联。［1］该课题的学习是学生从微观视角认识物质的起点，从宏观层面进入微观层面，深入理解物质的结构、分类和变化的微观本质，从而丰富学生认识物质的角度，承担着帮助学生构建微粒观、分类观和变化观等化学观念和培养假想、模型、证据推理等科学思维的重要任务。

小学科学和初二物理已学过“分子作无规则运动，温度越高，热运动加快；分子和原子之间有间隔”等知识，这些知识是引领学生从微观角度认识物质的切入点，但是这些知识多数是碎片化的，属于知识层面的前概念认知。它不能促使学生对微观世界的认识形成整体而深刻的理解，更加不可能形成观念层面的思维方式。具体表现：（1）学生难以自觉从分子、原子等微粒的角度认识物质的构成及变化，即微粒观的建构及其应用；（2）物质构成具有复杂性，学生在解释物质的组成和结构时没有形成清晰的认知；（3）实际情境中，学生未形成具有持久性和迁移性的以微粒观点解决某些生活现象的思维方法。因而，本课题重点不在于复习这些先前经验，而是将采用“形成微观认识、构建微观模型”的发展过程，主要利用模型建立认识宏观和微观视角之间的关联，关注形成从微观模型分析物质构成、分类、变化的认识方式，从新的“微观视角”来学习微观知识！

基于内容分析，结合具体学情，从侧重不同核心素养的发展将教学目标确定为：（1）通过实验探究、数据分析，引导学生推论微粒的性质，形成证据意识。（2）通过实验探究及客观事实，初步形成了物质的构成、变化和类别的认知模型，能运用模型迁移并初步解决各类化学问题，并在模型建构中提升高阶思维能力。（3）利用科学家探索物质构成的科学史实，启发学生运用类比、推理、模型等思维方法，认识物质的构成，了解科学家严谨求实的科学态度，增进对科学本质的理解。

三、设计思路

在“中国知网”以“微粒的性质”“分子和原子”进行文献检索和研究，发现关于沪教版“微粒的性质”的教学设计研究仅有1 篇；而对人教版“分子和原子”的教学设计研究较多，都是侧重于由实验现象得出微粒性质的“证据推理型”教学逻辑，［4］忽略模型作为可视化工具的应用，本课题采用新的“模型认知型”教学逻辑。其中，某品牌白板中克隆功能可以将课堂上会多次使用的微粒模型，进行不限量的复制粘贴。学生可以利用克隆功能在白板进行无限制复制出微粒模型，为基于建模思想的教学实践提供了非常大的便利。

在新技术下，引导学生从感知模型、理解模型、应用模型来实现由宏入微的“模型建构”的学习过程，基于模型直观地将看不见摸不着、抽象的微观知识呈现于具象，降低学习的难度，有利于学生形成良好的微观想象能力，完成对微粒的认知由抽象到具像，再由具像到抽象的加工过程。教学思路的板块化设计如图1所示。

图1 教学思路的板块化设计图

四、教学实施

环节一视频导课情境入微

【视频】播放福尔摩斯侦探集片段：狗通过嗅一只鞋子的气味，找到了鞋子的主人。看完视频后提出疑问：狗为什么能帮主人顺利完成任务？

【图片】你还学过哪些关于分子的内容？为什么湿衣服经晾晒后变干了？学生主要从水蒸发（宏观）和分子的运动（微观）进行解释，进而从宏观视角引入微观视角，得出物质是由微粒构成的。

【问题】你能寻找哪些证据，来证明物质是由微粒构成？

【设计意图】以学生喜闻乐见的“影片缉毒犬”导入，基于问题意识唤醒学生先前经验，暴露出认知方式，学生学会转变认识视角，最大程度激发好奇心与探究欲。

环节二观察想象史实入微

侦探任务一：物质由哪些微粒构成

【游戏】学生将一张纸分成两半，哪位同学可以将纸撕到最小？这么小的纸还能再分吗？

【史实】两千多年前，庄子在《庄子·天下篇》中记载过类似的观点：一尺之棰，日取其半，万世不竭。古希腊的哲学家德谟克利特提出万物都是由极小的不可分割的微粒结合而成，这种微粒叫做“原子”。

【感知模型】英国科学家道尔顿继承古希腊朴素原子论，提出了原子学说，他认为原子是组成物质的基本粒子，它们是坚实的不可再分的实心球。道尔顿还设计出一套符号来表示他的学说（见图2），这些符号圆满地起到了模型的作用。其中像水、过氧化氢等物质的符号，道尔顿称它们为复合原子，也就是现在说的分子。

图2 道尔顿于1803年左右所用的原子符号和分子式

意大利科学家阿伏加德罗，引出了分子的概念，解释了道尔顿学说不能解释的宏观现象，并对水分子的模型，根据宏观事实进行修正，如图3。

图3 水分子的模型

【实验1】研钵里给学生准备比纸还小的高锰酸钾颗粒，请学生帮忙利用桌面上的仪器与药品，将高锰酸钾变得更小。

学生感受高锰酸钾颗粒在研磨过程中会变得更小，呈粉末状。放入水中后，高锰酸钾粉末消失，却真实地存在水中。试管中的水呈紫红色，证明高锰酸钾粉末变成更小的看不见的物质进入水中。由此说明了高锰酸钾是由非常小的肉眼看不见的微粒构成。

【史实】1982 年世界上第一台扫描隧道显微镜研制成功。这台显微镜可以看见我们肉眼看不到的微粒。学生观看扫描隧道显微镜下的苯分子和硅原子，不仅感受分子和原子的真实存在，而且体会到不同的物质构成它们的微粒是不一样的。

【感知模型】经科学家研究，构成物质的微粒有分子、原子和离子，有些物质由分子构成，如氨气、水、氮气等；有些物质由原子构成，如金刚石和一些常见的金属物质、稀有气体；也有些是由离子构成的，如氯化钠，是由氯离子和钠离子构成的。结合图片截取和色差功能，通过激活微粒模型的“最小单元”，如图4 所示，初步建立符号和模型、微粒（分子、原子、离子）之间的联系，从微粒构成的视角对物质进行分类。

图4 铜、氯化钠、水的“宏观—微观—符号”三重表征图

【设计意图】用简单的实验和推理，分析从宏观到微观的角度理解物质可分性，初步形成微观粒子的行为表象。从史实猜想到实际证据、从颗粒到微粒将学生引入微观世界，一方面，初步认识科学的发展有传承，更有开拓和创新，接受假说、推理、模型等科学研究法的熏陶；另一方面，学生亲身感受到“物质是由微粒构成”的证据意识，初步形成微观认识。从道尔顿的原子符号体到铜、水和氯化钠的宏观图片，以及构成该物质的微观模型，且在相应物质处标出了化学式，相对有序地解释物质的构成，帮助学生形成“宏观物质—微观模型—符号表达”的三重表征，初步形成模型意识，从构成的视角对物质进行分类。

侦探任务二：微粒有哪些基本性质

【过渡】介绍人体新陈代谢会产生多种物质，也就是有多种微粒。狗能根据气味追踪目标，当然也与这些微粒有关，那微粒有哪些性质呢？我们继续侦探！

学生聆听水分子的自述，如图5。

图5 水分子的自述

【设计意图】通过水分子的拟人化自叙，引起学生和分子“做朋友”的兴趣，进而想去了解；用具体数据和形象对比，引导学生感知分子的质量和体积都很小，使抽象知识形象化。

环节三 科学探究模型入微

【实验2】教师演示：浓氨水与酚酞的实验探究。

1.向1 mL酚酞溶液中滴入2滴蒸馏水，观察溶液的颜色。

2.向1 mL酚酞溶液中滴入2滴浓氨水，观察溶液的颜色。

实验探究中，蒸馏水不能使酚酞变色，而浓氨水与酚酞溶液直接接触会产生溶液变红的现象的对比实验，引导学生从蒸馏水、氨水中的微粒进行解释，进而得出微粒不同、性质不同。

【实验3】如果不让两者直接接触，是否也能产生相同的现象呢？学生将一端蘸有浓氨水的棉签棒，一端蘸有酚酞的棉签棒，按如图6所示进行实验，小组完成实验后展示实验现象，讨论得出的分子的性质。

图6 学生分组实验：分子的运动实验

【分析】蘸有酚酞的棉签棒变红，说明一定是与浓氨水接触了。可实验过程中，没有人为地让两者直接接触。由此得出，氨分子由一端运动到了另一端中，使酚酞变红。

【问题】蘸有浓氨水的棉签棒没有变色，是不是就说明酚酞分子不会运动呢？学生从“未接触的两个棉签”所产生的不同现象进一步发现不同微粒的运动速率不同，或者不同微粒的性质也各不相同。

【实验4】教师演示同屏实验如图7 所示，有什么现象发生？

图7 教师演示实验：分子的运动实验

这一现象说明了什么？

【分析】学生观察到A溶液变红，B没有明显现象，说明C中的氨气分子运动到了装有酚酞的A的烧杯中，并基于模型以某白板蒙层功能展示氨分子的运动，以箭头从不同方向更加形象地说明分子在不停地运动。

【问题】实验3和实验4都能证明分子在不停地运动，哪一个实验更优化？

【分析】与实验4相比，学生感受实验3药品用量少且过程清晰；在相对密闭的环境中进行，对环境影响小。

【设计意图】采用逐步引导、抽丝剥茧的方法将学习推向深入，使“分子不断运动”的抽象、枯燥化为生动形象的画面，利用模型演示使深奥的知识变得浅显易懂，同时感悟对比实验，培养学生对对比实验的分析能力。教学中，通过实验探究得出结论，增强证据推理的意识，形成尊重事实、善于质疑的学习态度；增设改进实验，药品用量少，培养学生节约药品、减少环境污染等环保意识，从而肩负更多的社会责任，提升化学学科核心素养。

【实验5】高锰酸钾在冷水与热水中扩散。学生感受温度越高、微粒运动得越快。

【过渡】“1+1=2，一定成立吗？”请学生完成实验。

【实验6】分别往两端加入酒精和红墨水至刻线上，塞紧塞子并用手指堵住开口的两端，颠倒数次，让一端的液面刚好位于刻线上，观察并记录另一端发生的现象，如图8 所示。

图8 分子的空隙实验

【理解模型】平板蒙层功能展示蒸馏水与酒精混合的微观模型，如图9所示。基于图9所示微粒模型，教师利用平板克隆功能画出酒精和蒸馏水混合后的微观构成模型，并思考为什么两种液体混合后总体积变小。

图9 蒸馏水与酒精混合的微观模型

【分析】学生发现混合后液体总体积变小原因是微粒之间有空隙，酒精分子和水分子会相互占据微粒之间的空隙，造成总体积缩小。

【问题】从物质类别上看，容器D、容器E（混合前）和容器F（混合后）分别属于哪一类？

【理解模型】根据模型，从微粒的角度分析纯净物和混合物的区别，如图9 所示。学生感受相同的微粒聚集得到的是纯净物（烧杯D），不同的微粒聚集得到的是混合物（烧杯E）。

【问题】那是不是构成所有物质的微粒空隙都一样大呢？

【实验7】学生分组实验：水和空气的压缩实验。

学生感受气体微粒间的空隙比较大，所以容易被压缩，且压缩后的气体微粒间的空隙比较小。

【实验8】观看加热含有水的玻璃注射器的视频实验。

【应用模型】学生利用平板克隆功能以模型画出“加热后，注射器的活塞向上移动”的原因，如图10所示。学生从中感受分子间的空隙在一定条件下可以改变，且空隙改变到一定的程度，会引起物质状态的改变。

图10 加热前后蒸馏水的微观模型

【应用模型】物体热胀冷缩，这是在物理中的原理。体温计测体温时，汞柱上升的原理是什么？学生以模型画出汞柱上升的微观示意图，如图11所示，从中感受物质发生物理变化时，微粒的体积与数目不会发生改变，即图11 中I 和H 是错误的；微粒的运动是无规则的，图11 中G 是错误的，物理变化的本质是微粒间的空隙发生改变，如图11中L所示。

图11 体温计测温前后汞原子变化的可能微观模型

【设计意图】采用类比法研究化学，实验与模型相结合，将抽象知识化为生动形象的画面，帮助学生把微观现象宏观化，引导联想与启迪思维，促进学生对分子空隙发生改变，甚至引起物质状态变化的认识，进一步突破“能用微粒的观点解释某些常见的现象”的难点，同时从微观视角感悟物质的类别和变化，自然形成微粒观。

环节四 联系生活应用入微

【课堂练习】从微粒的角度分析并解释下列问题及现象。（1）视频中狗为什么能帮助主人顺利完成任务？（2）阳光下湿的衣服干得更快。（3）25 m3的石油气在加压的情况下，可装入容积为0.024 m3的钢瓶中，变成液化石油气。

【应用模型】课堂总结：从微观视角画出一杯水，并用语言描述，如图12所示。

板书设计：

一、模型的作用

二、物质的结构

【设计意图】用微粒的观点解释身边的生活问题和化学现象，促使学生进一步形成微粒观。初步形成从微粒角度分析物质及其变化的思维方式，培养化学来源于生活、应用于生活的理念，并在熟悉的生活情景和社会实践中感受化学的重要性。教学过程中，板书逐渐呈现，有助于学生构建知识体系，同时为后续从微粒视角认识化学变化埋下伏笔。

五、教学反思

1.优化情境促进核心素养的形成

教学中“狗通过嗅一只鞋子的气味找到鞋子的主人”视频情境，激趣设疑，感悟化学的现实应用；“撕纸游戏、高锰酸钾的研磨与溶解实验”实验情境，搭建微粒与颗粒的联系；“化学史实和原子、分子的STM 照片”史实情境，认识科学研究的曲折与艰辛。一系列的情境，帮助学生建构“物质的微粒性”基本观念。

分子运动实验的教材实验与改进实验并行的实验探究情境中，“无线同屏的应用”，一方面实现教师演示实验更广域、更细致、更全面的展示；另一方面关注学生的实验活动与实验操作，实时展示真实的化学实验课堂，并基于“拍照上传”生成的典型错误进行分析与点评，使得学生产生思维碰撞，提高课堂的生动效果，发展学生的科学探究与实践、科学态度与责任等核心素养。

2.模型建构注重核心素养的落地

本课题教材内容中没有对用模型表示分子和原子作单独介绍，但是初中学生要形成对分子和原子等微粒更深刻的感性知识和空间结构的表象，直观的“模型”是必要且有效的。

从道尔顿的符号模型到对构成铜、水、氯化钠的模型进行观察分析后，利用截图与克隆功能，让学生迅速找到原子模型与其他两种微粒的区别，原子模型与元素符号之间的联系，从而形成自己的认知模型。随后在“分子运动实验”“等体积的水和酒精混合总体积变少”“观察水受热后，体积变大中水分子的变化”“测量体温时，汞原子的变化”的教学中，学生初步利用模型分析微粒的性质、物理变化、物质的类别等，进而形成“宏观物质—微观模型—符号表达”的三重表征，初步形成了物质构成的认知模型，能运用模型迁移并初步解决各类化学问题，多角度培养学生的核心素养。

基于建模思想的课堂教学中，教师通过引导学生应用模型解决问题和获取知识，不仅使模型认知得到进一步深化，而且对知识本质认识更加清晰，使化学知识或问题解决的方法变得更加简约、形象，最终让模型具有解释力，成为了真正具有价值的模型，形成了基本的微观认识视角。