車建偉 陳霞 潘永根

摘要：從化學(xué)模型的教學(xué)功能出發(fā)，提出了基于問題驅(qū)動建構(gòu)化學(xué)模型的教學(xué)模式，闡釋了其內(nèi)涵和意義，以“建構(gòu)水解模型”為例，設(shè)計并實施了教學(xué)案例，對教學(xué)實踐進(jìn)行了總結(jié)和反思。

關(guān)鍵詞：問題驅(qū)動;化學(xué)模型;水解

文章編號：1008-0546（2022）03x-0020-05??? 中圖分類號：G632.41??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.005

模型是認(rèn)識和研究自然科學(xué)的重要工具。化學(xué)模型作為科學(xué)模型的一種，是認(rèn)識物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)過程中所體現(xiàn)出的具有化學(xué)學(xué)科特征的具體或抽象的表征[1]?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）將“模型認(rèn)知”作為學(xué)科核心素養(yǎng)之一，并多次對此進(jìn)行了闡述?！墩n程標(biāo)準(zhǔn)》在課程目標(biāo)中提出“能認(rèn)識化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運(yùn)用多種認(rèn)知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化，預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果;能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架[2]?！笨梢?，化學(xué)模型的建構(gòu)和應(yīng)用是化學(xué)學(xué)習(xí)中最基礎(chǔ)、最核心的方法，也是落實核心素養(yǎng)和培育科學(xué)思維的重要手段。

在課堂教學(xué)中，尤其是在復(fù)習(xí)課中，學(xué)生更多關(guān)注于零散孤立的知識本身，難以形成系統(tǒng)化的知識框架，這是制約學(xué)生建構(gòu)化學(xué)模型的瓶頸。如何引導(dǎo)學(xué)生通過自主構(gòu)建模型來整合已有知識，應(yīng)用模型深入地理解知識本質(zhì)，形成解決問題的思維框架，是值得探討的問題。

一、問題驅(qū)動建構(gòu)化學(xué)模型的內(nèi)涵及意義

化學(xué)模型建構(gòu)不是知識的堆疊和梳理，而應(yīng)是針對問題的理解和解釋。問題驅(qū)動是建構(gòu)化學(xué)模型的重要途徑?；趩栴}驅(qū)動建構(gòu)化學(xué)模型的教學(xué)是在學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)上，將知識轉(zhuǎn)化為若干問題，學(xué)生通過對問題進(jìn)行深入思考和分析，將知識進(jìn)行關(guān)聯(lián)和運(yùn)用，同時將解決問題的思維過程形成可視化的具有指導(dǎo)意義的模型，并進(jìn)一步在新的問題情境中對現(xiàn)有模型進(jìn)行評價和完善。以問題驅(qū)動建構(gòu)模型有以下幾方面的意義。

1.問題驅(qū)動培養(yǎng)建模意識

核心素養(yǎng)強(qiáng)調(diào)對知識的深度理解。不同類型和層次的問題，能將學(xué)生置于解決問題的情境中，激發(fā)學(xué)生的求知欲，調(diào)動已有知識內(nèi)存。學(xué)生在此過程中可以更加深入地理解知識，了解知識的產(chǎn)生和發(fā)展歷程，從而搭建起完整清晰的知識脈絡(luò)?；瘜W(xué)知識所涉及的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律以及知識之間的邏輯關(guān)系，是初始建模所需的基本要素。因此，問題驅(qū)動知識整合，為進(jìn)一步抽象提煉模型奠定了基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生樹立建模意識。

2.問題驅(qū)動強(qiáng)化建模能力

建構(gòu)化學(xué)模型需要具備觀察與分析、分類與比較、證據(jù)與推理、歸納與總結(jié)等多重能力。在解決問題的過程中，學(xué)生將不同程度地鍛煉上述能力。面對復(fù)雜和陌生的化學(xué)問題情境，學(xué)生能夠逐步學(xué)會提取、加工信息，分解、關(guān)聯(lián)問題，建構(gòu)起解決問題的思維框架并將其外顯可視化。此外，新的同類問題能促發(fā)學(xué)生應(yīng)用模型，根據(jù)模型預(yù)測結(jié)果，同時分析模型中可能存在的不足并予以修正和完善。由此可見問題對于學(xué)生建模能力的培養(yǎng)具有重要意義。

3.問題驅(qū)動提升建模素養(yǎng)

高質(zhì)量的問題是素養(yǎng)發(fā)展的場域。優(yōu)質(zhì)問題驅(qū)動可得到優(yōu)化模型，以解決更富有挑戰(zhàn)性的問題，從而形成良性循環(huán)。建模過程，事實上也是科學(xué)探究和創(chuàng)新思維發(fā)展的過程。學(xué)生能在其中體會建模對化學(xué)理論發(fā)展的作用，收獲模型方法解決問題的樂趣和成就感，進(jìn)而促進(jìn)建模素養(yǎng)的提升。

二、問題驅(qū)動建構(gòu)化學(xué)模型的教學(xué)設(shè)計

水解觀是高中化學(xué)的核心概念和原理之一。現(xiàn)有教材中的水解反應(yīng)涉及鹽類的水解和酯（油脂）、酰胺（蛋白質(zhì)）的水解。這三類物質(zhì)的水解概念在日常教學(xué)中關(guān)聯(lián)度不大“建構(gòu)水解模型”復(fù)習(xí)課則提出廣義的水解概念，即物質(zhì)原子（離子）的分解和水之間的一切化學(xué)反應(yīng)，力圖將無機(jī)和有機(jī)的水解原理貫通與整合，并將其模型化。學(xué)生能在建立廣義水解觀的過程中，理解化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì)，訓(xùn)練化學(xué)學(xué)科思維，同時也能體會到建模在解決化學(xué)問題中的重要作用。

1.教學(xué)目標(biāo)

（1）通過宏觀實驗現(xiàn)象（乙醇鈉溶于水能使酚酞變紅），分析微觀反應(yīng)的過程，進(jìn)一步認(rèn)識水解的本質(zhì)。

（2）根據(jù)已有知識（元素周期律、共價鍵極性等）和信息提示（實驗證據(jù)、事實證據(jù)等），推斷陌生水解反應(yīng)的產(chǎn)物。能從價鍵角度，分析化學(xué)鍵的斷裂和形成，歸納出水解反應(yīng)的一般規(guī)律，從而建構(gòu)水解模型，并將其應(yīng)用于完全陌生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

（3）能設(shè)計合理的實驗方案驗證水解模型的正確性，并能根據(jù)模型本質(zhì)對模型進(jìn)行完善和推廣。

（4）在建模過程中，體會科學(xué)家探究物質(zhì)轉(zhuǎn)化的思路，建立問題一假設(shè)一證據(jù)一結(jié)論的良好邏輯，訓(xùn)練科學(xué)思維和解決問題的能力。

2.設(shè)計思路

本節(jié)課是針對已學(xué)習(xí)必修內(nèi)容的高二選考學(xué)生所開展的復(fù)習(xí)課。本節(jié)課從化學(xué)藥品的保存切入，引導(dǎo)學(xué)生思考藥品密封保存（無水環(huán)境）的原因，從而引出化學(xué)物質(zhì)會發(fā)生水解的事實。再通過乙醇鈉水解實驗，宏微結(jié)合分析水解產(chǎn)物，與學(xué)生熟悉的“鹽類的水解”概念作比較，從而將水解概念擴(kuò)大化。學(xué)生在問題鏈的驅(qū)動下建構(gòu)離子化合物的水解模型。其次，結(jié)合實例分析共價化合物在水解過程中的斷鍵和成鍵行為，調(diào)動學(xué)生回顧元素周期律和價鍵知識，搭建知識框架，由此建構(gòu)共價化合物的水解模型。緊接著，學(xué)生通過觀察過氧化鈉和水反應(yīng)的實驗，判斷反應(yīng)產(chǎn)物并設(shè)計實驗驗證產(chǎn)物，從而印證水解模型的合理性。最后，分析陌生物質(zhì)環(huán)氧乙烷的水解過程，加深對模型中斷鍵和成鍵動力的理解，并通過知識遷移將水解模型拓展至醇解和氨解，進(jìn)一步掌握復(fù)雜情形下的模型建構(gòu)。本節(jié)課所包含的情境、問題、知識、模型和素養(yǎng)五個維度的設(shè)計內(nèi)容如表1所示。

三、教學(xué)實錄

1.建構(gòu)離子化合物的水解模型

【導(dǎo)入】水是生命之源，是自然界最豐富的物質(zhì)。雖然水很重要，但是在保存一些固體藥品的時候，我們卻不希望有水的環(huán)境。

【問題驅(qū)動】教師：請同學(xué)們回顧下哪些固體藥品需要隔絕水密封保存？

學(xué)生根據(jù)已有知識回答氫氧化鈉、氧化鈣、漂白粉、過氧化鈉、金屬鈉、無水硫酸銅、五氧化二磷、硅膠等。教師引導(dǎo)學(xué)生分類：①物理上溶于水，即潮解;②化學(xué)上與水反應(yīng)。教師順勢引出同樣需要密封保存的物質(zhì)乙醇鈉。

【信息提示】乙醇鈉為白色或微黃色粉末，易燃，有腐蝕性，可致人體灼傷。乙醇鈉應(yīng)密閉、避光存于陰涼處，應(yīng)與氧化劑、酸類分開存放，尤其要注意避免與水接觸。

【問題驅(qū)動】

教師：為什么乙醇鈉要避免與水接觸？乙醇鈉在水中只是物理的溶解還是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)？

【實驗】向無水乙醇和鈉反應(yīng)后的溶液中滴加2-3滴酚酞試液，觀察實驗現(xiàn)象?，F(xiàn)象：溶液變紅。結(jié)論：乙醇鈉和水反應(yīng)生成堿性物質(zhì)。

【問題驅(qū)動】

教師：堿性物質(zhì)是什么？

學(xué)生：NaOH。

教師：NaOH中的OH^-來自哪里？H₂O電離出的H⁺又去了哪里？

學(xué)生在教師引導(dǎo)和提示下書寫化學(xué)方程式：CH₃CH₂ONa+H₂O→CH₃CH₂OH+NaOH。

【信息提示】教材中關(guān)于鹽類的水解反應(yīng)的定義：在水溶液中鹽電離產(chǎn)生的離子與水電離產(chǎn)生的氫離子或氫氧根離子結(jié)合生成弱電解質(zhì)的反應(yīng)。

【問題驅(qū)動】

教師：該反應(yīng)是否為鹽類的水解反應(yīng)？

學(xué)生1：根據(jù)定義，乙醇并不是弱電解質(zhì)，是非電解質(zhì)，因此該反應(yīng)不是鹽類的水解。

學(xué)生2：雖然不符合定義，但是乙醇鈉電離產(chǎn)生的CH₃CH₂O^-和水電離產(chǎn)生的H⁺結(jié)合生成乙醇，這和鹽類水解的原理很相似。

教師：為什么CH₃CH₂O^-和水電離產(chǎn)生的H⁺結(jié)合，而不是和水電離產(chǎn)生的OH^-結(jié)合？生成的物質(zhì)電離程度如何？

學(xué)生：帶相反電荷的離子更容易結(jié)合。生成的乙醇在水中不能電離。

教師：為什么乙醇鈉的水解反應(yīng)方程式寫“→”而不是“?”？

學(xué)生：水解程度很大，幾乎完全水解。

教師：為什么乙醇鈉水解能完全？能否從水解規(guī)律上解釋？

學(xué)生：根據(jù)水解規(guī)律，越弱越水解。乙醇是非電解質(zhì)（弱電解質(zhì)的極限），所以CH₃CH₂O^-的水解程度非常大，幾乎完全水解。

教師：上述過程與鹽類的水解非常相似。只不過生成了非電解質(zhì)而不是弱電解質(zhì)。但是從電離角度看，弱電解質(zhì)弱到極限即為非電解質(zhì)。由此，我們可以將鹽類的水解概念拓展到離子化合物的水解：在水溶液中鹽電離產(chǎn)生的離子與水電離產(chǎn)生的氫離子或氫氧根離子結(jié)合生成弱電解質(zhì)甚至非電解質(zhì)的反應(yīng)。另外，離子結(jié)合遵循異電相吸的規(guī)律。

【模型建構(gòu)】離子化合物的水解模型

X⁺Y^-+H⁺OH^→HY+XOH

斷鍵：電離。

成鍵：異電相吸。

設(shè)計意圖：先通過實驗從宏觀角度分析乙醇鈉水解后的產(chǎn)物，再從微觀角度思考水溶液中的微粒行為。當(dāng)學(xué)生用已有的定義解釋乙醇鈉和水反應(yīng)出現(xiàn)疑義時，層層遞進(jìn)的問題驅(qū)動下，離子化合物的水解概念可以順理成章地引出，讓概念的拓展和演繹顯得不那么突兀。已有知識的挖掘、整合和遷移，使建構(gòu)水解模型水到渠成。

2.共價化合物的水解模型建構(gòu)

【信息提示】四氯化硅是一種無色透明的液體，極易水解，在軍事上常用來制造煙幕彈，形成能迷惑敵人的白霧。在第一次世界大戰(zhàn)期間，英國人就曾用飛機(jī)向自己的軍艦投下了含有四氯化硅的煙幕彈，從而巧妙地把自己的軍艦隱蔽起來，避免了敵機(jī)的轟炸。

【問題驅(qū)動】用化學(xué)方程式表示四氯化硅用作煙幕彈的原理。學(xué)生可根據(jù)白霧推斷出其中一種反應(yīng)產(chǎn)物是HCl，但對另一種產(chǎn)物可能存在疑惑。教師引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)斷鍵和成鍵角度分析產(chǎn)物，提出以下幾個小問題：SiCl₄中存在什么化學(xué)鍵？Si—Cl鍵是極性鍵還是非極性鍵？Si—Cl鍵中的共用電子對偏向哪個原子？Si和Cl元素哪種非金屬性強(qiáng)？

學(xué)生在教師引導(dǎo)下分析出Si和Cl的電性，同時類比分析H₂O中H—O鍵的極性以及H和O的電性，能夠用符號δ+表示原子相對正電，δ-表示原子相對負(fù)電，從而依次寫出以下反應(yīng)的化學(xué)方程式：

教師：我們通過分析元素的非金屬性判斷共價鍵的極性，進(jìn)而分析出共價鍵兩端原子的電性。有了電性結(jié)果，就可以依照異電相吸的規(guī)律書寫出反應(yīng)產(chǎn)物。請同學(xué)們在離子化合物的水解模型基礎(chǔ)上，寫出共價化合物的水解模型。

【模型建構(gòu)】共價化合物的水解模型

X^δ+—Y^δ-+H^δ+—O^δ-H→HY+XOH（HXO）

斷鍵：元素非金屬性——共價鍵極性——原子電性。

成鍵：異電相吸。

【練習(xí)鞏固】書寫下列物質(zhì)的水解反應(yīng)方程式：（1）BrCl;（2）PCl₃。學(xué)生作答，教師對學(xué)生書寫情況分析講評。

設(shè)計意圖：共價化合物水解問題的分析難度有所加大。給予學(xué)生的事實證據(jù)信息有時候往往不夠全面，此時引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)本質(zhì)和微觀角度思考問題顯得尤為重要。在教師一系列小問題的驅(qū)動下，學(xué)生復(fù)習(xí)了化學(xué)鍵和極性、元素周期律等知識，并將這些知識運(yùn)用于新問題的解決中。這一過程也在引導(dǎo)學(xué)生分析原子的電性差異，從而可與離子化合物的水解相聯(lián)系，再次運(yùn)用異電相吸建構(gòu)共價化合物的水解模型。

3.模型應(yīng)用、評價與推廣

【問題驅(qū)動】請書寫Na₂O₂和H₂O反應(yīng)的化學(xué)方程式。

學(xué)生1：2Na₂O₂+2H_O====4NaOH+O₂↑（學(xué)生回憶課本知識所得）。

學(xué)生2：Na₂O₂+2H₂O====2NaOH+H₂O₂（學(xué)生應(yīng)用水解模型所得）。

教師：哪一個反應(yīng)的化學(xué)方程式正確？如何證明？

學(xué)生小組討論，設(shè)計實驗方案分別證明產(chǎn)物O₂和H₂O₂。

【問題驅(qū)動】

教師：環(huán)氧乙烷斷什么鍵？C—O鍵還是C—C鍵？為什么？

學(xué)生：根據(jù)極性斷鍵可知極性鍵比非極性鍵更容易斷，因此C—O鍵比C—C鍵更易斷。

教師：該反應(yīng)是否可用水解模型解釋？

學(xué)生對該問題的分析存在困難。教師將問題分解并再次引導(dǎo)學(xué)生用水解模型的建模角度去分析。

教師：乙醇分子斷裂什么鍵？C—O鍵還是O—H鍵？為什么？

學(xué)生1：斷C—O鍵，形成—CH₂CH₃和—OH。依據(jù)是類比水?dāng)噫I形成氫原子和羥基，都斷鍵形成羥基（學(xué)生根據(jù)水解模型的表達(dá)形式進(jìn)行簡單模仿）。

學(xué)生2：斷O—H鍵，形成—OCH₂CH₃和—H。依據(jù)是O—H鍵的極性比C—O鍵的極性大，極性大的鍵更容易斷（學(xué)生根據(jù)水解模型的建模思維進(jìn)行邏輯分析）。

教師：兩種不同的斷鍵方式得到的產(chǎn)物是否一樣？

學(xué)生：一樣。

教師：那么如何通過實驗方法驗證乙醇究竟是哪種斷鍵方式呢？引導(dǎo)學(xué)生思考驗證反應(yīng)機(jī)理的方法：同位素示蹤法，如圖1所示。

【模型推廣】

1.醇解模型X^δ+—Y^δ-+H^δ+—O^δ-R→HY+XOR

2.氨解模型X^δ+—Y^δ-+H^δ+—N^δ-H₂→HY+XNH₂

設(shè)計意圖：此環(huán)節(jié)是對學(xué)生模型應(yīng)用、評價和推廣能力的考察。選取過氧化鈉和水的反應(yīng)，在訓(xùn)練學(xué)生進(jìn)行模型應(yīng)用的同時，讓學(xué)生學(xué)會驗證模型的合理性。選取環(huán)氧乙烷這個同時具有極性鍵和非極性鍵的共價化合物，引導(dǎo)學(xué)生分析斷鍵的位置，加深學(xué)生對極性和電性的理解。由此進(jìn)一步衍生至乙醇的斷鍵分析。當(dāng)遇到兩個極性鍵時，學(xué)生需要分析不同共價鍵的極性的差異，而不是簡單地模仿水解模型中水的拆分形式。學(xué)生只有在充分認(rèn)識和理解原理的基礎(chǔ)上形成科學(xué)的建模思維，才能進(jìn)行有效的知識遷移，順利完成模型的完善和推廣。

此環(huán)節(jié)中，問題設(shè)置直指學(xué)生認(rèn)知上的潛在模糊節(jié)點，給予學(xué)生更多思考和討論的空間。面對陌生問題情境，學(xué)生的錯誤回答能向教師反饋模型應(yīng)用中的漏洞，便于及時彌補(bǔ)。在問題驅(qū)動下，學(xué)生不斷優(yōu)化原有認(rèn)知，理解模型本質(zhì)，學(xué)科高階思維得到訓(xùn)練。

四、教學(xué)反思

建構(gòu)化學(xué)模型的教學(xué)關(guān)鍵在于精心設(shè)計問題。結(jié)合以上課例，我們認(rèn)為教學(xué)中可以關(guān)注以下幾點。

首先，教師應(yīng)充分了解和分析學(xué)生學(xué)情，貼近學(xué)生的實際，從具體簡單的問題出發(fā)作為建模的起點。初始問題多圍繞實驗現(xiàn)象、事實結(jié)果等展開，能促使學(xué)生用已有知識進(jìn)行類比聯(lián)想和證據(jù)推理，搭建認(rèn)知的基本框架。其次，遵循最近發(fā)展區(qū)理論，為學(xué)生設(shè)置具有難度梯度的問題，調(diào)動深度學(xué)習(xí)的積極性。此過程中，教師可以為學(xué)生分解問題，逐步引導(dǎo)學(xué)生將知識串線成面，從個別到一般，宏觀到微觀，形象到抽象，促使模型建構(gòu)思路的形成。再者，教師可以在建模過程中提出一些認(rèn)知沖突問題。當(dāng)原有知識結(jié)構(gòu)與化學(xué)模型不匹配時，應(yīng)當(dāng)鼓勵學(xué)生交流討論、反思質(zhì)疑，對沖突的一方進(jìn)行調(diào)整和修正。這不僅能夠鍛煉學(xué)生思維外顯的表達(dá)能力，而且能使學(xué)生對模型的理解和掌握更準(zhǔn)確深刻。最后，建立的模型需要不斷地應(yīng)用在解決新情境問題中才能得到內(nèi)化[3]。因此，教師應(yīng)當(dāng)在建構(gòu)模型之后繼續(xù)設(shè)置新的問題情境，以供學(xué)生應(yīng)用和鞏固，彰顯化學(xué)模型落實核心素養(yǎng)的作用。

參考文獻(xiàn)

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