李嵐媛　白潔　閆春更　周寶石　周青

摘要：以化學(xué)鍵為例，基于建模教學(xué)的一般模式（情景分析、模型建立、模型分析、模型拓展、模型應(yīng)用）設(shè)計教學(xué)，試圖讓學(xué)生完成對化學(xué)鍵概念的主動建構(gòu)。作者對此建模教學(xué)進(jìn)行了實證研究，結(jié)果表明實驗班和控制班成績有顯著性差異，說明此建模教學(xué)顯著提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：建模教學(xué)；化學(xué)鍵；教學(xué)設(shè)計

文章編號：1008-0546（2017）03-0007-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.002

一、引言

模型與建模是科學(xué)發(fā)展中的重要元素，也是科學(xué)學(xué)習(xí)中不可或缺的認(rèn)知與能力[1]。所謂模型是指對問題進(jìn)行抽象、簡化、類比、概括，抓住主要特征，忽略次要特征，以不同的表征形式，例如圖像、文字、符號來呈現(xiàn)現(xiàn)象、概念、過程或是事件等，以達(dá)到不同的功能與目的。建模顧名思義即是建構(gòu)模型的過程，它是一種有效參與式的，重要的學(xué)習(xí)方式[2]。建模教學(xué)對促進(jìn)學(xué)生知識的學(xué)習(xí)和思維的發(fā)展具有重要意義：其一，學(xué)生可以通過建構(gòu)歷程了解科學(xué)知識的本質(zhì)和來源，進(jìn)而獲得對知識深刻而全面的理解[3]；其二，建模教學(xué)有利于落實以學(xué)生為主體的新課程理念，實現(xiàn)學(xué)生對知識的主動建構(gòu)；其三，建模教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生抽象、概括、類比、模擬、歸納、演繹等思維能力。建模教學(xué)相比傳統(tǒng)教學(xué)的優(yōu)越性已經(jīng)得到很多研究的證實。

建模教學(xué)是美國物理學(xué)家David Hestenes[4]針對學(xué)生學(xué)習(xí)物理時普遍存在效率低、記憶時間短等問題首次提出來的一種有效教學(xué)方式，他認(rèn)為只有當(dāng)把物理理論的結(jié)構(gòu)和物理學(xué)家的思維、心理歷程清晰地展現(xiàn)出來，學(xué)生對客觀世界的相關(guān)認(rèn)識才能實現(xiàn)由生活經(jīng)驗向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。Hestenes認(rèn)為建模教學(xué)主要包含四步：第一步，分析情境，確定建模目的；第二步，通過假設(shè)、類比等方法建立模型；第三步，分析模型的有效性、局限性；第四步，得出結(jié)論，并將模型應(yīng)用于其它新問題中。1996年Halloun[5]在此基礎(chǔ)上提出了基于問題解決的建模過程，主要包含五個部分：（1）模型選擇，根據(jù)建模目的，從已有知識和經(jīng)驗中選擇一些基本的、簡單的模型；（2）模型建立，對所選模型的成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行再次建造，并建立解決問題的數(shù)學(xué)模型；（3）模型效正，發(fā)揮批判性思維，根據(jù)具體的問題情境對模型作出適度的變型；（4）模型分析，加工數(shù)學(xué)模型，得到問題答案，并對答案作出解釋；（5）模型拓展，用已有模型去描述、解釋、預(yù)測新問題或者在此模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步建立新模型。

本文在此基礎(chǔ)上提出化學(xué)建模教學(xué)的步驟：

（1）情景分析，通過感受實驗現(xiàn)象或?qū)嶋H生活問題，明確建模的目的；（2）模型建立，根據(jù)已有知識和經(jīng)驗通過類比、假設(shè)等方法建立模型，并借助概念、數(shù)字、圖形等對所建構(gòu)的模型進(jìn)行表征；（3）模型分析，進(jìn)一步確定模型的核心部分，分析該模型的局限性；（4）模型拓展，將此模型和其它情景相結(jié)合，建立新模型；（5）模型應(yīng)用，將建立的模型應(yīng)用到其它情境中。

化學(xué)鍵是高中化學(xué)的核心概念之一，它解釋了原子形成分子或物質(zhì)的過程，揭示了化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)，有利于學(xué)生從微觀角度認(rèn)識宏觀物質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)，對學(xué)生養(yǎng)成宏微結(jié)合、變化守恒的學(xué)科思想有著十分重要的作用。在化學(xué)鍵教學(xué)中，教師一般第一課時講授離子鍵，第二課時講授共價鍵，要求學(xué)生在學(xué)習(xí)離子鍵的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識遷移學(xué)習(xí)共價鍵。然而，考慮到實際課程安排情況，將離子鍵、共價鍵分課時講授導(dǎo)致學(xué)生類比遷移效果比較差，不利于學(xué)生類比遷移能力的發(fā)展和對化學(xué)鍵概念的整體建構(gòu)。此外，教師往往忽視概念的建立過程，課堂教學(xué)僅限于介紹概念、訓(xùn)練鞏固概念，而不能引導(dǎo)學(xué)生厘清概念的來龍去脈，讓學(xué)生深入理解概念。本研究采用建模教學(xué)的方法，突出化學(xué)鍵概念發(fā)展的歷程，學(xué)生通過對比離子鍵和共價鍵形成過程的異同，完成對化學(xué)鍵概念的主動建構(gòu)。

二、教學(xué)過程

1. 情景分析

[教師活動]播放小視頻（豐富的物質(zhì)世界），引導(dǎo)學(xué)生回憶元素周期表中的元素數(shù)目，拋出問題——元素的原子如何形成物質(zhì)，引發(fā)學(xué)生思考討論。

[學(xué)生活動]觀看視頻，積極思考，小組討論2分鐘，小組代表闡述意見。

（得出原子之間存在一種相互作用力）

設(shè)計意圖：讓學(xué)生明白建構(gòu)化學(xué)鍵概念的原因，即讓學(xué)生明確現(xiàn)在要解決的問題是原子是怎樣形成分子或物質(zhì)的？

2. 模型建立

[教師活動]通過PPT展示人類對原子結(jié)合為分子的認(rèn)識過程。

（古希臘哲學(xué)家根據(jù)他們當(dāng)時已有的知識和經(jīng)驗認(rèn)為原子都是帶鉤子的球體，原子和原子相遇時，發(fā)生鉤連；19世紀(jì)中期，隨著物理學(xué)的發(fā)展，人們把原子間的結(jié)合力類比于磁鐵的吸引或太陽系中各行星間的萬有引力；近代以來，隨著對原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不斷深化，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)原子最外層電子是2（僅限于H和He）或8時，原子比較穩(wěn)定，并且每個原子都有達(dá)到外層電子充滿的趨勢。）

[學(xué)生活動]認(rèn)真觀看PPT，聆聽老師的講解。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生了解人們認(rèn)識原子結(jié)合為分子的過程和化學(xué)鍵理論的發(fā)展歷程，借助此發(fā)展史促進(jìn)學(xué)生對化學(xué)鍵概念的建立。

[教師活動]引導(dǎo)學(xué)生獨自畫出H、Na、Cl的原子結(jié)構(gòu)圖，按照2或8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模型分小組討論NaCl、HCl、H2、Cl2的形成過程。

[學(xué)生活動]先獨自畫出H、Na、Cl的原子結(jié)構(gòu)圖，再根據(jù)2或8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)模型小組討論（6分鐘，可作適當(dāng)調(diào)整）NaCl、HCl、H2、Cl2的形成過程，請小組代表發(fā)言。

設(shè)計意圖：體現(xiàn)新課標(biāo)將學(xué)習(xí)的主動權(quán)真正地交給學(xué)生的理念，讓學(xué)生去積極思考，主動完成概念的建構(gòu)。

[教師活動]通過PPT動畫展示NaCl、HCl、H2、Cl2的形成過程。

[學(xué)生活動]觀看PPT，對比自己的建構(gòu)，體會離子鍵和共價鍵的形成過程。

設(shè)計意圖：動畫一方面直觀、清晰地向?qū)W生展示原子結(jié)合成為分子的過程，另一方面也可以彌補(bǔ)部分同學(xué)想象力和理解力不足的問題。

[教師活動]根據(jù)微粒間相互作用方式的不同，幫助學(xué)生建立離子鍵、共價鍵和化學(xué)鍵的概念。

[學(xué)生活動]在老師的引導(dǎo)下，建構(gòu)離子鍵和共價鍵的概念。

設(shè)計意圖：通過NaCl、HCl、H2、Cl2四種物質(zhì)所含化學(xué)鍵的異同，讓學(xué)生在比較和對比中建構(gòu)離子鍵和共價鍵的概念。

[教師活動]講述用原子結(jié)構(gòu)圖表示化學(xué)鍵形成過程的不足之處，即表示方法復(fù)雜，不適合廣泛應(yīng)用，引出用電子式表示原子最外層的電子（板書舉例Na原子、Cl原子、Na離子、Cl離子的電子式）。

[學(xué)生活動]認(rèn)真聆聽老師的講解，學(xué)習(xí)用電子式表示相應(yīng)的原子或離子。

[教師活動]將學(xué)生分組，要求學(xué)生小組討論寫出K原子、S原子以及K+、S2-的電子式。

[學(xué)生活動]小組討論3分鐘后，每個小組抽取1個人上黑板分別寫K原子、S原子以及K+、S2-的電子式。

設(shè)計意圖：電子式的書寫對高一學(xué)生來說是一個全新的概念，需要教師通過具體實例板書說明，并通過學(xué)生練習(xí)進(jìn)行強(qiáng)化。

[教師活動]投影加板書展示用電子式表示NaCl和HCl的形成過程，引導(dǎo)學(xué)生自己練習(xí)用電子式表示KCl、MgCl2和H2S的形成過程。

[學(xué)生活動]認(rèn)真觀看投影和老師板書所展示的用電子式表示NaCl和HCl的形成過程。在老師的幫助下嘗試自己用電子式表示相應(yīng)物質(zhì)的形成過程。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生進(jìn)一步理解離子鍵和化學(xué)鍵的形成過程，學(xué)會用電子式表示原子、離子以及相應(yīng)物質(zhì)的形成過程。

3. 模型分析

[教師活動]借助PPT幫助學(xué)生回顧離子鍵和共價鍵的概念建構(gòu)過程，引導(dǎo)學(xué)生借助表1，通過小組討論總結(jié)共價鍵和離子鍵的異同并根據(jù)學(xué)生的情況進(jìn)行補(bǔ)充、完善。

[學(xué)生活動]小組討論，完成表格；小組代表發(fā)言，小組之內(nèi)，小組之間互相補(bǔ)充；在老師的幫助下，完善離子鍵和共價鍵的相關(guān)知識。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過小組內(nèi)、小組間合作的方式逐步學(xué)會自己總結(jié)知識。在教學(xué)中深入貫徹學(xué)生是主體，教師是主導(dǎo)的理念。

（4）模型拓展

[教師活動]根據(jù)化合物所含化學(xué)鍵的不同，科學(xué)家對化合物又進(jìn)行了分類，具體是怎么分類的呢？

[學(xué)生活動]通過閱讀課本，獲得離子化合物和共價化合物的定義。

[教師活動]設(shè)置兩組化合物讓學(xué)生辨別其是離子化合物還是共價化合物？第一組：NaCl、Na2O、HCl、H2S；第二組：MgSO4、Ca（NO3）2、NaOH。

[學(xué)生活動]根據(jù)離子化合物和共價化合物的定義進(jìn)行判斷。（第一組化合物皆只含一種化學(xué)鍵，學(xué)生都能正確判斷，但是第二組化合物既含離子鍵又含共價鍵，根據(jù)課本上的定義，學(xué)生認(rèn)為它們既是共價化合物又是離子化合物。）

[教師活動]指出課本上共價化合物的定義不嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)當(dāng)是“只含共價鍵的化合物叫做共價化合物”。

[學(xué)生活動]明確共價化合物的定義，重新判斷第二組化合物的種類。

設(shè)計意圖：在學(xué)習(xí)離子鍵和共價鍵的基礎(chǔ)上，豐富學(xué)生的物質(zhì)分類觀。教師首先引導(dǎo)學(xué)生閱讀課本，使其初步獲得離子化合物和共價化合物的分類標(biāo)準(zhǔn)，其次借助MgSO4、Ca（NO3）2等既含離子鍵又含共價鍵的化合物，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，隨后通過對課本共價化合物的完善改進(jìn)，促使學(xué)生完成對離子化合物和共價化合物概念的建構(gòu)。

5. 模型應(yīng)用

[教師活動]PPT展示化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)就是化學(xué)鍵的斷裂和形成，并簡要說明化學(xué)反應(yīng)的吸熱和放熱現(xiàn)象就是由化學(xué)鍵斷裂所吸收或化學(xué)鍵形成所釋放能量的不同引起的。為下節(jié)課的學(xué)習(xí)埋下伏筆。

[學(xué)生活動]通過PPT與老師的講解，從化學(xué)鍵的角度認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)。

設(shè)計意圖：讓學(xué)生初步理解化學(xué)反應(yīng)的實質(zhì)。

三、教學(xué)評價

筆者采用建模的教學(xué)方式進(jìn)行“化學(xué)鍵”的教學(xué)，教學(xué)過程關(guān)注學(xué)生的既有知識和經(jīng)驗，既體現(xiàn)了建構(gòu)主義的教學(xué)觀和學(xué)習(xí)觀，還體現(xiàn)了以學(xué)生為主體的新課程理念。該建模教學(xué)主要包括：（1）情景分析，讓學(xué)生明確了學(xué)習(xí)化學(xué)鍵的原因和意義，激發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲；（2）模型建立，借助化學(xué)史讓學(xué)生感受和了解化學(xué)鍵的發(fā)展歷程，選取合適的節(jié)點讓學(xué)生在科學(xué)家的基礎(chǔ)上自我發(fā)現(xiàn)、自我主動建構(gòu)化學(xué)鍵的涵義；（3）模型分析，學(xué)生通過思考、交流進(jìn)一步明確離子鍵和共價鍵的異同；（4）模型拓展，在學(xué)習(xí)了離子鍵和共價鍵的基礎(chǔ)上，能從化合物所含化學(xué)鍵的種類入手建構(gòu)離子化合物和共價化合物的概念，以一種全新的分類方式對化合物進(jìn)行分類；（5）模型分析，了解化學(xué)鍵在化學(xué)反應(yīng)中的作用。當(dāng)化學(xué)鍵的課堂教學(xué)進(jìn)行這樣的調(diào)整之后，不管是課堂上學(xué)生的表現(xiàn)還是后期的紙筆測驗成績，都取得了令人滿意的結(jié)果。值得一提的是平常化學(xué)學(xué)習(xí)困難的同學(xué)在課后主動找我欣喜地說，他竟然能聽懂化學(xué)課，會做化學(xué)題了，平常化學(xué)學(xué)習(xí)一般的同學(xué)也說這節(jié)課邏輯清晰，聽得特別明白。學(xué)生的真實反饋足以說明該建模教學(xué)的有效性。

四、研究結(jié)果

1. 建模教學(xué)顯著提高學(xué)生學(xué)業(yè)成績。

筆者選取陜西省渭南市某中學(xué)同一化學(xué)老師教授的兩個高一平行班為研究對象，對此建模教學(xué)進(jìn)行了實證研究?？刂瓢嘁矊⒒瘜W(xué)鍵分為兩個課時，第一課時講授離子鍵，其流程為：先以氯化鈉為例，講解離子鍵的形成過程，再分別介紹離子鍵的定義、成鍵粒子、相互作用、形成條件，然后介紹離子化合物的概念，緊接著引入電子式概念，并分別學(xué)習(xí)用電子式表示原子、離子以及離子化合物，最后用電子式表示離子化合物的形成過程。第二課時講授共價鍵，其流程為：先以氯化氫為例，講解共價鍵的形成過程，再分別介紹共價鍵的定義、成鍵粒子、相互作用，然后用電子式表示共價化合物的形成過程，并區(qū)別出極性共價鍵與非極性共價鍵，給出了共價化合物的定義，最后講解了復(fù)雜共價化合物電子式的書寫。研究的主要內(nèi)容是編制化學(xué)鍵問卷，測定建模教學(xué)的實施是否對兩個班的教學(xué)效果產(chǎn)生顯著性差異。診斷試題共7道選擇題，每道題正確賦值1分，錯誤賦值0分，結(jié)果顯示：實驗班平均分為5.75；控制班平均分為3.80。用SPSS19.0對兩個班答題情況進(jìn)行獨立樣本檢驗，結(jié)果顯示兩個班成績有顯著性差異，分析數(shù)據(jù)見表2。這表明基于建模的化學(xué)鍵教學(xué)，能有效提高學(xué)生學(xué)業(yè)成績。

2. 建模教學(xué)有利于學(xué)生理解和接受新知識。

本建模教學(xué)設(shè)計首先通過問題情境讓學(xué)生明白為什么要建構(gòu)化學(xué)鍵這一概念，激發(fā)學(xué)生的求知欲，接著利用人類對原子結(jié)合為分子的認(rèn)識過程，讓學(xué)生在近代科學(xué)家研究的基礎(chǔ)上初步體會化學(xué)鍵的形成過程，最后學(xué)生通過對比微粒間的不同相互作用，完成對離子鍵和共價鍵概念的建構(gòu)。這樣的教學(xué)組織使學(xué)生深入知識發(fā)展的過程，不但學(xué)習(xí)了科學(xué)知識內(nèi)容，還了解了科學(xué)知識的本質(zhì)和來源，有利于學(xué)生理解和接受新知識，并且避免了學(xué)生學(xué)習(xí)知識時只知其然不知其所以然的狀況。

3. 建模教學(xué)鍛煉了學(xué)生抽象、概括、類比、模仿、歸納等各種思維能力。

建模教學(xué)除了有利于學(xué)生理解和接受化學(xué)概念之外，更重要的是促進(jìn)了學(xué)生抽象、概括、類比、模擬、歸納等科學(xué)思維能力的發(fā)展。本教學(xué)設(shè)計在模型建立時讓學(xué)生通過對比微粒間作用方式的不同自主建構(gòu)離子鍵、共價鍵的概念，鍛煉了學(xué)生的類比、抽象概括能力；模型表征時讓學(xué)生模仿老師用電子式表示離子化合物和共價分子的形成過程，鍛煉了學(xué)生的模仿能力；模型分析時讓學(xué)生借助表格自主總結(jié)離子鍵和共價鍵的異同，鍛煉了學(xué)生的歸納總結(jié)能力。各種思維能力蘊涵著很高的認(rèn)識價值，學(xué)生一旦將它們內(nèi)化為自己的認(rèn)知圖式，就能更加透徹地理解科學(xué)知識，獲得認(rèn)知水平的躍進(jìn)。

4. 降低學(xué)生認(rèn)知難度，活躍課堂氣氛。

建模教學(xué)以建構(gòu)主義為指導(dǎo)原則，關(guān)注學(xué)生原有經(jīng)驗并以此作為新知識的固著點和成長點，課堂教學(xué)以學(xué)生為主體，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對知識的主動建構(gòu)。本教學(xué)設(shè)計正是以學(xué)生已初步掌握原子結(jié)構(gòu)、知道原子最外層電子數(shù)達(dá)到2或8時能夠穩(wěn)定存在這一原有認(rèn)知為教學(xué)的切入點，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)化學(xué)鍵的概念，降低學(xué)生的認(rèn)知難度。建模教學(xué)強(qiáng)調(diào)小組討論，并營造良好的討論氛圍，構(gòu)建學(xué)生之間互相幫助、互相合作的活躍課堂。

五、啟發(fā)與思考

建模教學(xué)有利于落實新課程理念，將教學(xué)的重心從如何教轉(zhuǎn)向如何學(xué)，從關(guān)注結(jié)果轉(zhuǎn)向過程與結(jié)果并重[2]。教師成為學(xué)生學(xué)習(xí)的促進(jìn)者與引導(dǎo)者，學(xué)生成為課堂的主體，是知識的建構(gòu)者和生成者。將建模思想引入實際教學(xué)，有利于學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系，發(fā)展抽象、概括等各種思維能力，形成主動、積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。建模教學(xué)作為一種高效的教學(xué)方式已廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)、物理學(xué)科，但在化學(xué)教學(xué)中的研究還很少，化學(xué)建模教學(xué)策略以及學(xué)生對化學(xué)進(jìn)行建模學(xué)習(xí)的認(rèn)知機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

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