[摘 要]

“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。教師通過在真實(shí)情境中引導(dǎo)學(xué)生建立模型、運(yùn)用模型，可以有效地幫助學(xué)生建立解決問題的思路和方法，發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，提升學(xué)生的“模型認(rèn)知”能力。

[關(guān)鍵詞]

高中化學(xué);模型認(rèn)知;建模教學(xué)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出要培養(yǎng)學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)。化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，需要化學(xué)教師在對(duì)有關(guān)模型、科學(xué)模型、化學(xué)模型以及認(rèn)知模型等概念研究的基礎(chǔ)上，深刻理解模型方法的內(nèi)涵，將模型方法滲透到化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，逐步培養(yǎng)學(xué)生構(gòu)建各類模型并運(yùn)用合適的模型來解決化學(xué)實(shí)際問題的能力。

一、模型方法是化學(xué)研究的重要工具

模型是對(duì)事物本質(zhì)的抽象的概括。在科學(xué)研究中使用模型即“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”。科學(xué)模型是科學(xué)家依據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)、相關(guān)數(shù)據(jù)等證據(jù)素材創(chuàng)造出來的，用于解決問題的一種研究工具，在科學(xué)研究中具有描述、解釋、預(yù)測(cè)等功能?；瘜W(xué)模型是科學(xué)模型的一種，既有科學(xué)模型的典型特征，又有其自身特點(diǎn)，即化學(xué)模型是為了更好地解決化學(xué)問題而建立的，帶有鮮明的化學(xué)特征。學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)的過程中，既要從宏觀層面上觀察現(xiàn)象，又要從微觀層面上分析解釋，借助化學(xué)模型，去研究看不到的化學(xué)世界，解釋物質(zhì)的宏觀表象，預(yù)測(cè)物質(zhì)可能的性質(zhì)。

在化學(xué)教學(xué)中使用的模型，不僅僅局限于科學(xué)模型層面的化學(xué)模型，例如，原子、分子、晶體結(jié)構(gòu)模型等，還有在認(rèn)知心理學(xué)層面上建立的認(rèn)知模型（也稱為認(rèn)識(shí)模型）。化學(xué)模型是被化學(xué)界公認(rèn)的模型，認(rèn)知模型是由教師和學(xué)生共同建構(gòu)的思維路徑和認(rèn)識(shí)框架，例如，元素化合物認(rèn)知模型、電化學(xué)認(rèn)知模型等。在化學(xué)教學(xué)實(shí)踐過程中，教師要構(gòu)建和運(yùn)用各種模型，幫助學(xué)生建立解決化學(xué)問題的思路、方法，用方法指導(dǎo)實(shí)踐，使學(xué)生通過實(shí)踐積累解決問題的經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生形成未來社會(huì)發(fā)展所需的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。

二、“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的培育途徑

教師在真實(shí)情境中引導(dǎo)學(xué)生建立模型、運(yùn)用模型是發(fā)展模型認(rèn)知素養(yǎng)的基本途徑。筆者在教學(xué)實(shí)踐中嘗試通過情境式建模教學(xué)流程（圖1）提升學(xué)生的模型認(rèn)知能力。下文以“‘鈉么神奇”實(shí)驗(yàn)探究課的兩個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)為例，進(jìn)一步闡述如何落實(shí)“模型認(rèn)知”素養(yǎng)。

“鈉”么神奇之一：鈉的保存

【問題情境1】比較生活中常見的鈉鹽與實(shí)驗(yàn)室里的鈉單質(zhì)的保存方式，有何區(qū)別？可能是什么原因？

【猜想假設(shè)1】鈉鹽相對(duì)穩(wěn)定，無需特殊保存;金屬鈉不能暴露在空氣中，可能會(huì)跟空氣反應(yīng)。

【探究實(shí)驗(yàn)1】取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的液體，用小刀切去一端的表層，觀察表面的顏色;將其放置在空氣中，繼續(xù)觀察表面顏色的變化。

【證據(jù)素材1】剛用小刀切開鈉時(shí)有明顯的金屬光澤，只間隔幾秒鐘切面就失去金屬光澤，變成白色物質(zhì)。

【得出結(jié)論1】金屬鈉是一種很活潑的金屬，在常溫條件下就能與空氣（主要是氧氣）反應(yīng)。

【解決問題1】實(shí)驗(yàn)室在保存金屬鈉時(shí)一定要隔絕空氣。

【問題情境2】保存金屬鈉的瓶中的液體是什么？

【猜想假設(shè)2】液體可能是水（像白磷的保存一樣），也可能是油（用濾紙吸收時(shí)像油漬）。

【探究實(shí)驗(yàn)2】先用滴管取一些瓶中的液體滴加到盛有水的燒杯中，觀察現(xiàn)象;再取一小塊金屬鈉，用濾紙吸干表面的液體，切綠豆大小的一塊放入另一只盛有水的燒杯中，蓋上玻璃片，觀察現(xiàn)象。

【證據(jù)素材2】瓶中液體不溶于水，且浮在水面上;金屬鈉放入水中后，浮在水面上立即熔成小球四處游動(dòng)，反應(yīng)非常劇烈直至全部消失。

【得出結(jié)論2】金屬鈉很活潑，遇水很容易反應(yīng)。瓶中液體是油，密度比水小，比鈉大。

【解決問題2】實(shí)驗(yàn)室在保存金屬鈉時(shí)不僅要隔絕空氣，還要隔絕水。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生選擇并建立與之相匹配的模型，例如，可以選擇鈉離子和鈉原子結(jié)構(gòu)示意圖等化學(xué)微觀模型來表征物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，形成鈉離子與鈉原子在微觀結(jié)構(gòu)上的不同導(dǎo)致兩者性質(zhì)差異的化學(xué)思維;也可以建立化學(xué)分類模型對(duì)金屬鈉的性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，鈉是金屬單質(zhì)，具有金屬的通性，有金屬光澤、能導(dǎo)電導(dǎo)熱、有延展性，一般能與氧氣反應(yīng)。模型具有解釋和預(yù)測(cè)功能，學(xué)生根據(jù)鈉原子的最外層只有1個(gè)電子的化學(xué)微觀模型，可以預(yù)測(cè)金屬鈉容易失去電子變成鈉離子而體現(xiàn)出還原性，也能解釋金屬鈉需要隔絕空氣保存的原因是因?yàn)槿菀着c空氣中的氧氣反應(yīng)。通過探究實(shí)驗(yàn)，學(xué)生檢驗(yàn)了化學(xué)微觀模型和化學(xué)分類模型的一致性和適用性;通過探究實(shí)驗(yàn)2，學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬鈉與水能反應(yīng)，所以保存金屬鈉的液體不是水，與白磷的保存方式不同，根據(jù)鈉與水反應(yīng)時(shí)鈉是浮在水面上的，而在保存金屬鈉的液體中鈉是沉在底部的，可以推測(cè)這是一種密度介于鈉和水之間的油狀液體，最后，教師再指出這種液體是煤油。

“鈉”么神奇之二：鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)

【問題情境3】金屬鈉能從硫酸銅溶液中置換出銅嗎？

【猜想假設(shè)3】金屬鈉可以置換出銅，就像鐵可以從硫酸銅溶液中置換出銅一樣。

【探究實(shí)驗(yàn)3】將綠豆大小的金屬鈉放入盛有硫酸銅溶液的燒杯中，蓋上玻璃片，觀察現(xiàn)象。

【證據(jù)素材3】金屬鈉在硫酸銅溶液中反應(yīng)非常劇烈，有藍(lán)色絮狀沉淀生成，但是沒有紫紅色金屬出現(xiàn)。

【得出結(jié)論3】金屬鈉是很活潑的金屬，根據(jù)置換反應(yīng)的化學(xué)理論模型，鈉應(yīng)該能置換出銅。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示與預(yù)測(cè)不一致，可能是硫酸銅溶液中有水的緣故，需要再做一組無水條件下的實(shí)驗(yàn)，再次驗(yàn)證。

【解決問題3】金屬鈉不能從硫酸銅溶液中置換出銅。

【問題情境4】金屬鈉能從無水硫酸銅中置換出銅嗎？

【猜想假設(shè)4】在無水條件下，金屬鈉應(yīng)該能置換出銅單質(zhì)。

【探究實(shí)驗(yàn)4】切取綠豆大小的鈉塊放置在裁剪好的易拉罐底部，取適量無水硫酸銅粉末將金屬鈉覆蓋，用酒精燈在底部加熱，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【證據(jù)素材4】鈉與無水硫酸銅粉末反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生暗紅色帶有金屬光澤的物質(zhì)。

【得出結(jié)論4】金屬鈉可以在無水條件下置換出硫酸銅中的銅單質(zhì)。

【解決問題4】置換反應(yīng)化學(xué)理論模型：活潑金屬單質(zhì)A+化合物BC=較不活潑金屬單質(zhì)B+化合物AC，在無水條件下是適用的，在有水條件下適用于不與水或難與水反應(yīng)的金屬單質(zhì)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生根據(jù)已有認(rèn)知，選擇和建立活潑金屬可以通過置換反應(yīng)制備較不活潑金屬的化學(xué)理論模型是合情合理的。通過探究實(shí)驗(yàn)3的檢驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬鈉與硫酸銅溶液的反應(yīng)不遵循置換反應(yīng)的普遍規(guī)律，即活潑金屬可以從鹽溶液中置換出較不活潑的金屬，置換反應(yīng)這一化學(xué)理論模型不適用于該反應(yīng)，需要尋找其他證據(jù)素材以便修正模型;通過探究實(shí)驗(yàn)4的檢驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到置換反應(yīng)這一化學(xué)理論模型是有局限性的，需要根據(jù)證據(jù)素材對(duì)模型進(jìn)行修正和調(diào)適，使之更完善。建模教學(xué)可以拉近學(xué)生與真實(shí)科學(xué)探究之間的距離，讓學(xué)生意識(shí)到在科學(xué)領(lǐng)域沒有完美無缺的模型，也沒有一成不變的模型，當(dāng)舊的模型無法解釋新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)時(shí)，就要進(jìn)行修正、完善甚至重構(gòu)。情境式建模教學(xué)不僅能夠提升學(xué)生建模、用模的能力，也培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)、敢于批判和勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神。

三、化學(xué)模型教學(xué)實(shí)踐策略

（一）建立與運(yùn)用多種模型有助于學(xué)生深入理解化學(xué)知識(shí)

例如，學(xué)生通過鈉原子和氯原子的原子結(jié)構(gòu)示意圖（化學(xué)微觀模型），可以解釋金屬鈉與氯氣在點(diǎn)燃條件下生成大量白煙的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，理解離子鍵形成的本質(zhì)特征，建立結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的化學(xué)思維;學(xué)生根據(jù)氧化還原反應(yīng)原理（化學(xué)理論模型），猜測(cè)鈉與水反應(yīng)的產(chǎn)物并書寫化學(xué)方程式;學(xué)生構(gòu)建金屬鈉及其化合物之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系（化學(xué)認(rèn)知模型，如圖2），有利于知識(shí)的結(jié)構(gòu)化。素養(yǎng)的落實(shí)需要以知識(shí)為載體，而知識(shí)轉(zhuǎn)化為素養(yǎng)的重要途徑是情境，學(xué)生只有親歷、體驗(yàn)、參與對(duì)知識(shí)的認(rèn)知和探索過程，才能真正理解和運(yùn)用知識(shí)。真實(shí)的問題情境可以激發(fā)學(xué)生的情感和認(rèn)知等活動(dòng)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。從教學(xué)實(shí)踐效果來看，采用“模型的選擇與建立→模型的檢驗(yàn)與修正→模型的應(yīng)用與重構(gòu)”的情境式建模教學(xué)流程有助于提高學(xué)生思維品質(zhì)。

（二）及時(shí)開展學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)有助于教師掌握學(xué)科素養(yǎng)的落實(shí)情況

“模型認(rèn)知”素養(yǎng)分為由低到高的四個(gè)水平：水平1，能識(shí)別模型;水平2，能理解模型;水平3，會(huì)運(yùn)用模型;水平4，會(huì)優(yōu)化模型。情境式建模教學(xué)流程有沒有提升學(xué)生的模型認(rèn)知能力，教師需要在教學(xué)過程中開展持續(xù)性學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)，才能及時(shí)診斷學(xué)生的此項(xiàng)素養(yǎng)水平，并根據(jù)診斷情況調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)程與學(xué)習(xí)活動(dòng)。學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)可以是回答、討論、匯報(bào)等口頭形式，可以是做實(shí)驗(yàn)等操作類形式，也可以是練習(xí)、作業(yè)、測(cè)驗(yàn)等筆頭形式。在此列舉兩例：例1，主要診斷學(xué)生理解模型（水平2）的能力;例2，主要診斷學(xué)生運(yùn)用模型（水平3）的能力。

例1：下列關(guān)于Na和Na+的敘述中，錯(cuò)誤的是（? ）

A.均為同一元素 B.相差一個(gè)電子層 C.化學(xué)性質(zhì)相似 D.焰色反應(yīng)都呈黃色

例2：金屬鈦具有比重輕、強(qiáng)度高、耐熱耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料和功能材料[1]。海綿鈦是制備鈦合金的重要基礎(chǔ)原料，工業(yè)上生產(chǎn)海綿鈦的方法之一是采用鈉熱還原法，其原理是在700 ℃～800 ℃條件下利用金屬鈉還原四氯化鈦，寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式。

四、結(jié)語

在化學(xué)教學(xué)中開展建模教學(xué)對(duì)化學(xué)教師提出了較高的要求。教師只有不斷加強(qiáng)理論研究和教學(xué)實(shí)踐，在實(shí)踐中反思、改進(jìn)自身教學(xué)，才能讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)、理解化學(xué)知識(shí)，更深入地研究、解決化學(xué)問題，才能真正讓素養(yǎng)落地生根。

[參 考 文 獻(xiàn)]

[1]劉揮彬，石濤，郭樹虎.海綿鈦生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].化工管理，2017（5）：112-114.

（責(zé)任編輯：趙曉梅）

作者簡(jiǎn)介：華麗芬（1981-），女，江蘇常州人，中學(xué)一級(jí)教師，大學(xué)本科，研究方向：中學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)踐。

基金項(xiàng)目：本文系常州市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“高中生化學(xué)模型認(rèn)知能力培養(yǎng)的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：CJK-Z2020002）的階段性研究成果。