基于“模型認知”的化學教學策略

1、基于“模型認知”的化學教學策略摘要 “證據推理和模型認知”是化學核心素養(yǎng)的一個維度，模型認知是學生學習化學的重要方式之一。教學中引領學生模型認知，可以借助模型，認識微觀結構；利用模型，聚焦核心知識；依托模型，梳理知識體系；建構模型，掌握反應規(guī)律；參照模型，解決化學問題。 關鍵詞 高中化學；模型認知；教學策略 高中化學核心素養(yǎng)中將“證據推理與模型認知”作為一個維度專門表述，說明了“證據推理與模型認知”對于培養(yǎng)學生關鍵能力的重要性。證據推理主要是指根據觀察和實驗等方面獲取的物質及其變化的信息， 通過基于證據推理的方法形成科學結論；模 型認知是指對研究的物質及其變化等方面的問題提出 假設，根據觀察和

2、實驗得到的信息，通過抽象和模型思維，用簡化的、形象化的模型，再現(xiàn)物質及其變化的本質、內在特性和一般規(guī)律，并通過實驗驗證來完善模型。證據推理所形成的科學結論是簡單的模型認知，模型認知離不開證據推理，證據推理是建構模型的前提。一、“模型認知”的內涵盡管我們對“模型”和“認知”并不陌生，但“模型認 知”作為一個專門詞語，還是一個新詞匯?！澳Ｐ汀?一詞 來源于拉丁文，初始含義是樣本、標準和尺度，中文 原意即規(guī)范。“認知”是指人類認識客觀事物、獲得知 識的活動，包括知覺、記憶、學習、言語、思維和問 題解決等過程。人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象 所做的簡約化描述就是“認知模型”，簡稱為“模型”而在“模型

3、認知”一詞中“模型”和“認知”屬于偏正關系， “模型”是修飾語，“認知”是中心詞。所以，“模型認知”可以理解為“基于（借助于）模型的認知”?；瘜W研究的對象是分子、原子層次的物質，且存在物質的多樣性、不同物質結構的獨特性和環(huán)境對物質及其變化影響的復雜性等特點，人類運用化學方法探索物質世界時，常常對大量實驗事實進行比較分析、歸納概括后，還需要通過抽象和簡化的方法建構模型，再現(xiàn)物質及其變化的基本規(guī)律，這樣的認識過程就是“模型認知”?？梢姡Ｐ褪且环N認知工具，模型認知是一種科學的認知方式。?榱搜芯亢脫?習的方便，人們將模型分為實物模型和思想模型。實物模型如晶體結構模型、球棍模型等；思想模型包括理論模型

4、（如有效碰撞理論、雜化軌道理論等）、 符號模型 （如元素符號、原子結構示意圖、結構式、化學方程式等）和數學模型（如理想氣 體狀態(tài)方程、平衡常數表達式等）。二、基于“模型認知”的化學教學策略模型是對原型的模擬，或對原型所做的抽象化、 簡約化、形象化的描述，是原型的精髓所在，突出了 認識對象的本質特征和一般規(guī)律?；瘜W教學中引領學 生模型認知的過程中就是對認識對象去粗取精、去偽 存真的過程，是對化學知識高度濃縮、高度提煉、高 度概括的過程，是對物質的微觀世界進行精準定位、 高倍放大的過程，從而使重要的本質性知識形成清晰 的知識框架，納入學生已有的知識體系中。（-）借助模型，認識微觀結構化學是研究物質

5、的組成、結構、性質及其變化規(guī) 律的科學，分子、原子看不見摸不著，微觀結構更是 抽象，這在客觀上增加了學習的難度。為了增強學生學習感知的“實體感”，我們往往需要借助模型來幫助 學生認識原子、分子以及晶體的微觀結構，從而降低學生學習的難度。例如，甲烷是最簡單的有機物，分子結構雖然簡單，但對烷烴同系物甚至對所有有機物碳架的理解具有基礎性的作用。甲烷分子中4 個 H 原子和 1 個 C 原子的空間位置關系怎樣？僅從它的電子式或結構式上無法判斷，怎樣讓學生“看見”甲烷的分子結構？教學中教師可以為每個合作學習小組提供一些不同顏色的圓形小水果、橡皮泥和牙簽，象征性地表示氫原子、碳原子和碳氫鍵；提供4 個小氣

6、球和一些棉線，4 個小氣球吹氣后扎在一起用于表示4 個碳氫鍵在空間的生長方向。每個小組學生動手嘗試建構甲烷的分子結構模型，分析討論哪種結構模型更具合理性。在學生的模型初步建構以后，教師再提供“甲烷與氯氣發(fā)生取代反應后生成的二氯甲烷（CH2c12）只有一種”的事 實信息，引導學生檢驗或修正自己建構的模型。通過這樣的模型認知活動，學生對甲烷的球棍模型或比例模型就有了清晰的認識，對甲烷的分子結構也會有深入的理解，為進一步學好有機化學知識奠定了基礎。（二）利用模型，聚焦核心知識無論是化學核心素養(yǎng)還是化學課程標準，最終都必須通過化學課堂教學來實施，都必須通過學生對化學知識的學習過程來體驗和養(yǎng)成?；瘜W核心

7、知識是支撐化學學科體系的主干性知識，是有利于學生遷移與應用的關聯(lián)性知識，也是高考化學?？嫉闹R點。課堂教學中聚焦核心知識，建構認知模型，有利于引起學生對核心知識的關注，領悟核心知識的關鍵所在，促進學生深度學習。例如，教學“氧化還原反應”時，通過創(chuàng)設問題情景，依據從具體反應的“得氧失氧”入手，到反應前后元素化合價的變化，再到電子轉移的主線進行探究。雖然層次清晰，邏輯性強，但學生對學習過程中出現(xiàn)的一系列概念容易混淆，解決問題的思維起點難以把握。教學中如果能引導學生建立如下模型：宏觀（特征）：化合價變化微觀（本質）：電子轉移（得失或偏移）表示方法 （規(guī)律） ： 雙線橋法（失 -高-氧-還原劑，得 -

8、低 -還 -氧化劑）通過模型理清概念之間的相互關系，聚焦氧化還原反應的本質，掌握問題解決的一般思路，對鞏固所學知識可以起到事半功倍的效果。（三）依托模型，梳理知識體系認知科學實驗證明，結構化的知識便于學生記憶、概括和理解，有助于解決問題?；瘜W教學中利用模型 梳理知識體系，可以使零散的知識條理化、系統(tǒng)化和 結構化，有利于降低學習的難度，提高學生學習的質 量和效果。例如，學習“化學鍵”知識時，學生對于離子鍵、 共價鍵、極性鍵、非極性鍵、配位鍵等概念混淆不清， 不能正確判斷原子、原子團之間的成鍵類型。教學中 如果能從成鍵電子的來源類型為切入口，將這些化學 鍵的概念、形成條件、元素種類等建立樹狀分類法

9、模 型，有利于學生理順各類化學鍵之間的關系，形成清 晰的概念網絡圖，加深記憶，靈活運用。（四）建構模型，掌握反應規(guī)律了解發(fā)生的反應和正確書寫化學方程式，是解決 化學問題的基礎?；瘜W反應雖然千變萬化，其實都蘊 含著一定的規(guī)律，學生之所以對化學方程式感覺千頭 萬緒，無所適從，就是沒有掌握化學反應的一般規(guī)律，沒有用“規(guī)律”來理解發(fā)生的反應。教學中運用建模法，揭示反應類型和反應規(guī)律，有助于幫助學生透過現(xiàn)象看本質，克服學習的畏難心理，改變死記硬背的學習方法，讓化學反應變得“有規(guī)可循”，讓書寫化學方程式變得“有法可依”，從而提高學生書寫化學方程式以及分析問題和解決問題的能力。例如，初中化學對單質、氧化物和

10、酸堿鹽之間的關系，即俗稱的“八圈圖”不做要求，但是高中化學中仍需要這些知識做鋪墊，怎樣做好初高中的銜接？筆者在教學中對出現(xiàn)的化學反應，均按反應類型或反應規(guī)律進行建模，從模型的視角歸納初中所學的化學反應并認識和理解高中新學習的化學方程式，教學效果非常顯著。比如書寫NaHCO3 與Ca（ OH） 2 反應的離子方程式，總有相當一部分同學感到困難。如果用建模法幫助學生建立了“酸式鹽+堿 =鹽 +水”、“鹽+堿 =新鹽 +新堿”的反應模型，不管兩者量的多少，學生都能很快地正確書寫出兩者反應的化學方程式或離子方程式。（五）參照模型，解決化學問題化學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，離不開經歷化學問題解決的過程。教學實踐表

11、明，學生在解決化學問題時使用頻率最高的解題策略是模型匹配策略。利用這種策略解決化學問題，需將問題與模型進行匹配，一般經歷“問題表征、模型匹配、模型構建、模型檢驗、模型應用”幾個階段。如下圖所示：分析問題是解決問題的首要環(huán)節(jié)，根據問題的特點和要求把求解的問題明確化。在這基礎上運用學生已有的知識經驗在頭腦里進行模型搜索，如果有與問題解決相匹配的模型，就運用此模型來解決問題；如 果沒有已知的模型與之匹配，那就要參照某種相似的 模型對其進行改造，或者將幾種模型進行整合，或者自主進行全新的模型構建，并在進一步檢驗之后解決問題。參照模型不是照搬模型，而是基于模型又不囿于模型， 體現(xiàn)出模型的典型性、基礎性和

12、開放性特征，學生只有做到心中“既有型又無型”， 才能將知識學“活”用“活”，才能在具體實踐中培養(yǎng)和發(fā)展適應個人終身發(fā)展和未來社會發(fā)展所需要的必備品格和關鍵能力。例如， 2017 年江蘇省高考化學第16（ 4）題中電解 Na2CO3 溶液，原理如圖所示：陽極的電極反應式，陰極產生的物質 A的化學式為。學生在解答此問題時，首先聯(lián)想到的是?解池模型以及離子的放電順序，因此，有相關的模型相匹配，但又不能完全套用。陽極產生 O2,應該是H2O中的OH-放電生成的，隨著電解的進行，水的電離平衡被破壞，陽極區(qū)會產生大量的H+,而產生的H+又不能與 CO32- 大量共存，它們會迅速結合生成HCO3 。通過將電解池模型與離子共存模型相整合，使問題迅速得到解決。這樣的思維過程其實就是依據模型、發(fā)展模型、創(chuàng)造性地使用模型的過程。當然，化學核心素養(yǎng)是一個整體，不應該也不可能割裂開