模型認(rèn)知：知識(shí)模型與認(rèn)識(shí)模型

摘要：以NH3、N2H4和NxHy等物質(zhì)為載體，融入NH3的空間結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)（弱堿性、氧化性、還原性）及制備方法等學(xué)科知識(shí)，建立氮?dú)浠衔飪?nèi)容的知識(shí)模型。從NH3→N2H4→NxHy，以熟悉物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系為原型，類比、預(yù)測(cè)、求證N2H4的知識(shí)，遷移NxHy的認(rèn)識(shí)，建立“原型類比（模仿與創(chuàng)新）求證”的氮?dú)浠衔镎J(rèn)識(shí)模型，加深與鞏固“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科思想。一般復(fù)習(xí)課具有三重層次：第一層次是知識(shí)的羅列與再現(xiàn)；第二層次是以情境設(shè)計(jì)主線，將復(fù)習(xí)內(nèi)容有機(jī)整合；第三層次則是既對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行重整、聯(lián)前啟后，更是將學(xué)科內(nèi)看似“獨(dú)立”的內(nèi)容從內(nèi)在本質(zhì)上進(jìn)行聯(lián)系與整合，是一次綜合再提升的過(guò)程［1］。對(duì)于氮?dú)浠衔锏膹?fù)習(xí)，往往是說(shuō)到氨氣就是其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、制備和用途的再現(xiàn)，談到N2H4主要是關(guān)于鍵能與熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)。僅停留在此層次的復(fù)習(xí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在此以“氮?dú)浠衔铩眴卧獜?fù)習(xí)為例，從知識(shí)模型與認(rèn)識(shí)模型闡釋“模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。1對(duì)知識(shí)模型與認(rèn)識(shí)模型的理解《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對(duì)模型認(rèn)知的表述為：知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象和本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律［2］?！澳Ｐ驼J(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，究竟什么是模型？高中化學(xué)的學(xué)習(xí)模型包括哪些內(nèi)容？帶著這樣的思考研讀了陳進(jìn)前老師［3］的文章及專家學(xué)者們的說(shuō)法。筆者認(rèn)為，在教學(xué)過(guò)程中首先要認(rèn)識(shí)和辨清化學(xué)知識(shí)模型（學(xué)科內(nèi)容、學(xué)科本質(zhì)）和認(rèn)識(shí)模型（研究方法、認(rèn)識(shí)方式）的區(qū)別和關(guān)聯(lián)?；瘜W(xué)知識(shí)模型是指從化學(xué)視角認(rèn)識(shí)和描述物質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、概念和原理。例如，對(duì)于原子，不僅要知道可以通過(guò)得失電子形成離子，或者通過(guò)化學(xué)鍵形成分子或物質(zhì)，在化學(xué)變化中探討原子的重新組合；還需要弄清楚科學(xué)規(guī)則下的概念、內(nèi)涵和外延，同樣是對(duì)原子的認(rèn)識(shí)，原子包括原子核和電子，原子核帶正電荷與電子帶負(fù)電荷且正負(fù)電荷數(shù)相等，其質(zhì)量主要集中在原子核，原子是一個(gè)空心體，電子在一定的軌道上繞著原子核飛速運(yùn)動(dòng)等。而認(rèn)識(shí)模型是指研究方法、研究策略與研究設(shè)計(jì)。對(duì)于原子，一是研究其質(zhì)量、構(gòu)成、變化、計(jì)量（相對(duì)原子質(zhì)量、物質(zhì)的量）；二是通過(guò)重走科學(xué)家的認(rèn)識(shí)與研究路線體驗(yàn)“假設(shè)實(shí)證結(jié)論”的反復(fù)實(shí)踐與修正過(guò)程，建立自己的認(rèn)識(shí)；三是通過(guò)類比宏觀運(yùn)動(dòng)理解原子結(jié)構(gòu)，通過(guò)電性作用認(rèn)識(shí)原子間組合的原因與定比關(guān)系。知識(shí)模型是認(rèn)知的對(duì)象，基于某核心知識(shí)的相關(guān)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，建立知識(shí)體系。認(rèn)識(shí)模型是怎樣獲取知識(shí)、理解知識(shí)內(nèi)涵與外延、構(gòu)建知識(shí)體系的認(rèn)知思維方式。知識(shí)模型是對(duì)象，認(rèn)識(shí)模型則是工具。2從課程標(biāo)準(zhǔn)中厘清氮?dú)浠衔锏闹R(shí)模型高中化學(xué)研究“氮?dú)浠衔铩钡哪男﹥?nèi)容？課堂教學(xué)需要學(xué)生學(xué)習(xí)的具體內(nèi)容是什么？這些內(nèi)容之間有怎樣的內(nèi)在聯(lián)系？帶著這些問(wèn)題分析“氮?dú)浠衔铩钡闹R(shí)，構(gòu)建其結(jié)構(gòu)化的知識(shí)模型。氮是第2周期第ⅤA族元素，在化學(xué)反應(yīng)中通常可以得到3個(gè)電子（或形成3個(gè)共用電子對(duì)）達(dá)到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；氮原子之間通過(guò)σ鍵和π鍵結(jié)合，多個(gè)N原子有一定的位置關(guān)系（共價(jià)鍵的方向性）；氮原子通過(guò)共用電子對(duì)與氫原子結(jié)合，基于氮?dú)湓与娯?fù)性差異，知道氮具有較強(qiáng)的還原性，氫具有氧化性。下面以最簡(jiǎn)單的氮?dú)浠衔颪H3為例，列舉與構(gòu)建“氮?dú)浠衔铩钡闹R(shí)模型。NH3分子結(jié)構(gòu)特征、微粒間的作用力、性質(zhì)、用途、制備與保存等化學(xué)知識(shí)，還要認(rèn)識(shí)上述知識(shí)間的內(nèi)在關(guān)系，如結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、性質(zhì)與用途、性質(zhì)與保存之間的關(guān)系等。（1）氨氣分子是四面體結(jié)構(gòu)（三角錐形），結(jié)合一個(gè)質(zhì)子（氨氣分子有孤電子對(duì)）形成的NH+4是正四面體結(jié)構(gòu)；（2）氨氣具有氧化性與還原性；（3）氨氣易液化，極易溶于水；（4）氨氣的工業(yè)制法和實(shí)驗(yàn)室制法；（5）氨氣可以用作氮肥與制冷劑；（6）N2H4也具有與NH3類似的性質(zhì)；（7）多氮?dú)浠铮∟xHy）也具有與N2H4、NH3相似的性質(zhì)。它們之間存在下述關(guān)系，見(jiàn)圖1。為什么NH3不是平面（正）三角形？這就與微粒間作用力有關(guān)，因?yàn)榘狈肿又写嬖?個(gè)共用電子對(duì)和1個(gè)孤電子對(duì)，4個(gè)電子對(duì)之間存在電性排斥致電子對(duì)相距盡可能遠(yuǎn)（不能脫離氮原子核），孤電子對(duì)與鍵合電子對(duì)排斥力大于鍵合電子對(duì)之間的排斥力，所以呈現(xiàn)三角錐形，再接受1個(gè)質(zhì)子，通過(guò)4個(gè)鍵合電子對(duì)形成NH+4，此時(shí)各個(gè)電子對(duì)之間作用力相同，形成正四面體。而看似相似的BF3，硼原子與氟原子只形成3個(gè)共用電子對(duì)，沒(méi)有孤電子對(duì)排斥，所以是平面（正）三角形。為什么NH3分子可以形成配位鍵？因?yàn)镹H3分子中的氮原子有孤電子對(duì)，能夠吸引質(zhì)子（H+，有一個(gè)空軌道），形成由氮原子提供1對(duì)電子的特殊共價(jià)鍵，稱為配位鍵。由于NH3中有孤電子對(duì)，能夠接受質(zhì)子而呈堿性。為什么NH3分子極易溶于水和易液化？由于NH3分子中氮?dú)渲g共用電子對(duì)偏向氮原子（電負(fù)性強(qiáng)），導(dǎo)致H原子因電子對(duì)偏離而成為裸露的質(zhì)子，有強(qiáng)正電性，遇到有孤電子對(duì)且非金屬性強(qiáng)的原子（N、O、F）時(shí)會(huì)形成一種較強(qiáng)的電性作用——?dú)滏I。NH3分子之間因氫鍵締合，易液化；NH3與H2O分子間形成氫鍵，則水溶性好。為什么NH3有還原性和氧化性？NH3分子中氮元素顯3價(jià)，可以發(fā)生氧化反應(yīng)（外界氧化劑作用）生成含氮物質(zhì)，如N2、NO等。NH3分子中H顯+1價(jià)，可以發(fā)生還原反應(yīng)，如與活潑金屬反應(yīng)生成H2，并且由于NH3分子中H原子相同，所以均可以被還原，根據(jù)活潑金屬與NH3的定量關(guān)系可生成NH-2、NH2-、N3-等微粒。怎樣可以得到氨氣？可以由銨鹽（含有NH+4）與能結(jié)合質(zhì)子的微粒作用，使其失去質(zhì)子產(chǎn)生NH3，也可以由N2和H2化合產(chǎn)生NH3，或者由濃氨水分解產(chǎn)生NH3。選用哪一種制備方法，與原料、設(shè)備、用量及成本有關(guān)。依據(jù)NH3的知識(shí)模型，推測(cè)N2H4和NxHy的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，筆者在教學(xué)實(shí)踐中與學(xué)生一起探討N2H4和NxHy的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，評(píng)估學(xué)生知識(shí)的理解與遷移運(yùn)用能力，構(gòu)建NxHy結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的認(rèn)識(shí)模型。3構(gòu)建氮?dú)浠衔锏恼J(rèn)識(shí)模型怎樣構(gòu)建“氮?dú)浠衔铩闭J(rèn)識(shí)模型？元素化合物學(xué)習(xí)中統(tǒng)攝性大概念是“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，重要的方法是類比（模仿與創(chuàng)新），模仿是近遷移，創(chuàng)新是遠(yuǎn)遷移。通過(guò)NH3的復(fù)習(xí)，類推到對(duì)N2H4的知識(shí)理解，形成類推中“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”觀念的實(shí)踐，進(jìn)一步遷移認(rèn)識(shí)NxHy化合物。構(gòu)建結(jié)構(gòu)到性質(zhì)的認(rèn)識(shí)模型，如圖2所示。3.1構(gòu)建配位鍵“空軌道孤電子對(duì)”認(rèn)識(shí)模型怎樣認(rèn)識(shí)氮?dú)浠衔镏械优cH+形成配位鍵與配合物？是不是所有的氮?dú)浠衔锒伎梢耘cH+形成特殊的共價(jià)鍵（配位鍵）呢？答案是肯定的，因?yàn)榈佑泄码娮訉?duì)，而H+存在空軌道，也就是說(shuō)NH3、N2H4、NxHy都可以與H+形成配位鍵，在知識(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中形成思維程序，獲得研究方法。延伸有孤電子對(duì)的微粒與有空軌道的H+可以形成這類配位鍵，所以H2O、H2O2、H2S等也都可以形成配位鍵。如果能夠根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)能力適時(shí)地提一下NH3分子中的孤電子對(duì)不僅能與H+形成配位鍵，也可以與一些金屬陽(yáng)離子形成配位鍵（金屬陽(yáng)離子提供空軌道，配體提供孤電子對(duì)），由此聯(lián)想到［Ag（NH3）2］+、［Cu（NH3）4］2+等，再讓學(xué)生解釋［Cu（H2O）4］2+、［CuCl4］2-、［Al（OH）4］-、［Fe（SCN）6］3-等。新課學(xué)習(xí)時(shí)這些絡(luò)合離子都是獨(dú)立無(wú)關(guān)聯(lián)的（稱為碎片化的知識(shí)），通過(guò)復(fù)習(xí)教學(xué)建立關(guān)聯(lián)（結(jié)構(gòu)化知識(shí)），這就是絡(luò)合離子（有空軌道的金屬陽(yáng)離子與含有孤電子對(duì)的微粒通過(guò)配位鍵結(jié)合）的聯(lián)系與結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建配位鍵形成的認(rèn)識(shí)模型，如圖3所示。3.2構(gòu)建物質(zhì)“結(jié)構(gòu)微粒間作用價(jià)態(tài)”認(rèn)識(shí)模型第一，怎樣認(rèn)識(shí)氮?dú)浠衔锏目臻g結(jié)構(gòu)與堿性？氮?dú)湓娱g通過(guò)共用電子對(duì)形成獨(dú)立的NH3，再通過(guò)分子間作用力聚集在一起，由于3個(gè)鍵合電子對(duì)及孤電子對(duì)之間存在較強(qiáng)的作用力，電子對(duì)之間位置盡可能遠(yuǎn)，所以是四面體結(jié)構(gòu)（三角錐形）。由于NH3分子中的N原子還具有孤電子對(duì)，所以可以接受一個(gè)H+形成NH+4后的4個(gè)鍵合電子完全相同，所以NH+4是正四面體結(jié)構(gòu)。學(xué)生順著這樣的思路分析N2H4成鍵情況和孤對(duì)電子，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)N原子上均存在孤電子對(duì)，所以都可以接受質(zhì)子，也具有堿性，寫(xiě)出其在水中的電離方程式，自然而然地關(guān)注N2H4的一級(jí)電離和二級(jí)電離，提供電離平衡常數(shù)，比較判斷N2H4的堿性與氨的強(qiáng)弱？有了NH3、N2H4的認(rèn)識(shí)，模仿烷烴學(xué)生寫(xiě)出了N3H5、N4H6…NxHx+2，課堂教學(xué)中有學(xué)生寫(xiě)出HNNH、HNN—NH2、NN（就是單質(zhì)N2）等，從類比烷、烯到炔，這就是教學(xué)的生成。同時(shí)筆者又提出P、Si等元素是否也存在這樣類似的氫化物，這是人類繼打開(kāi)無(wú)機(jī)物到有機(jī)物這扇窗之后，又可能打開(kāi)的另一扇“類有機(jī)物”的大門(mén)。第二，怎樣認(rèn)識(shí)含氮?dú)浠衔镏g是否存在氫鍵？因?yàn)榈碾娯?fù)性比較強(qiáng)，所以氮?dú)滏I中共用電子對(duì)偏向氮原子明顯，導(dǎo)致氫原子如同裸露的質(zhì)子（H+，有很強(qiáng)的正電性），又會(huì)與電負(fù)性很強(qiáng)且有孤對(duì)電子的原子（N、O、F）之間形成氫鍵，這就是氫鍵的學(xué)科本質(zhì)。由于氫鍵的作用，NH3、N2H4、NxHy等與H2O締合，可能導(dǎo)致溶解性增強(qiáng)，也可能形成水合物等。NH3與H2O分子間形成氫鍵，不僅水溶性增大，還會(huì)增加了H2O的電離，使得溶液呈堿性，NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-，推測(cè)NH3分子之間的氫鍵是否也會(huì)導(dǎo)致NH3分子電離，如NH3+NH3NH+4+NH-2，通過(guò)電離常數(shù)比較，得出NH3自耦電離和NH3在H2O中電離能力強(qiáng)弱，了解NH3的自耦電離（不需要講這些概念與理論），同理N2H4、NxHy也會(huì)有自耦電離，教師提供電離平衡常數(shù)，學(xué)生通過(guò)比較分析，得出結(jié)論，獲得成就感，結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，留有延伸性的思考，這就是復(fù)習(xí)教學(xué)的價(jià)值。第三，怎樣認(rèn)識(shí)NH3和NxHy的氧化性與還原性？從化合價(jià)（電性）角度來(lái)分析氮?dú)湓氐幕蟽r(jià)，氮是-3價(jià)，氫是+1價(jià)，NH3既有還原性又有氧化性，幫助學(xué)生學(xué)會(huì)從元素化合價(jià)視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)可能的氧化性或還原性，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)證，與自己的預(yù)測(cè)進(jìn)行一致性分析，建立從化合價(jià)分析物質(zhì)氧化性與還原性的認(rèn)識(shí)模型，如圖4所示。引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)NH3與活潑金屬Na、金屬氧化物CuO等反應(yīng)可能的產(chǎn)物并寫(xiě)出相應(yīng)的化學(xué)方程式，以此類推N2H4、NxHy與上述物質(zhì)反應(yīng)可能的產(chǎn)物分析，實(shí)踐并鞏固“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”的學(xué)科思想。通過(guò)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、微粒間作用、價(jià)態(tài)等視角預(yù)測(cè)可能的性質(zhì)，并進(jìn)行分析論證，拓展延伸未知物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)預(yù)測(cè)，構(gòu)建基于“結(jié)構(gòu)微粒間作用價(jià)態(tài)”物質(zhì)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)模型。3.3構(gòu)建“價(jià)態(tài)（類別）升降（酸堿）”物質(zhì)制備認(rèn)識(shí)模型怎樣認(rèn)識(shí)NH3的制取方法？如果僅是讓學(xué)生說(shuō)出和書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)室用“銨鹽與熟石灰”反應(yīng)制取氨氣，工業(yè)上用“N2+H2”反應(yīng)制取氨氣，這就沒(méi)有復(fù)習(xí)教學(xué)的意義，純粹是知識(shí)的再現(xiàn)過(guò)程。復(fù)習(xí)教學(xué)更重要的是幫助學(xué)生建立NH3制取方法的認(rèn)識(shí)模型，如圖5所示。復(fù)習(xí)教學(xué)實(shí)踐中，第一步讓學(xué)生寫(xiě)出自己熟悉的含氮物質(zhì)；第二步標(biāo)出氮元素化合價(jià)，并與目標(biāo)產(chǎn)物（NH3）中氮元素化合價(jià)比較；第三步高價(jià)態(tài)的怎樣降低；第四步同價(jià)態(tài)的怎樣轉(zhuǎn)化；第五步分析為什么工業(yè)制取與實(shí)驗(yàn)室少量制取的差異，學(xué)生分析可能的原因。從而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)制備方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化的認(rèn)識(shí)模型構(gòu)建。4啟示4.1知識(shí)結(jié)構(gòu)化過(guò)程中的認(rèn)知思維構(gòu)建復(fù)習(xí)課的教學(xué)起點(diǎn)是已有的知識(shí)與能力，目標(biāo)是可能的知識(shí)增長(zhǎng)點(diǎn)和思維發(fā)展空間。NH3的復(fù)習(xí)內(nèi)容，從N原子結(jié)構(gòu)、化合價(jià)的角度解釋其性質(zhì)及發(fā)生變化的原因，這是原有知識(shí)結(jié)構(gòu)化的過(guò)程，由此類比預(yù)測(cè)N2H4可能具有的性質(zhì)，并用事實(shí)證據(jù)、實(shí)驗(yàn)證據(jù)和理論證據(jù)進(jìn)行求證，建立起從原子結(jié)構(gòu)與主要化合價(jià)視角認(rèn)識(shí)物質(zhì)的思維模型，遷移學(xué)習(xí)與認(rèn)識(shí)其他NxHy化合物，打開(kāi)思維的天窗［4］，提出“類有機(jī)物”的含氮化合物認(rèn)識(shí)的創(chuàng)新性思考，從而實(shí)現(xiàn)用認(rèn)識(shí)模型遷移推理未知的世界（物質(zhì)與原理），促進(jìn)知識(shí)與認(rèn)識(shí)的發(fā)展。4.2多元視角任務(wù)設(shè)計(jì)中的認(rèn)知進(jìn)階NH3的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)學(xué)習(xí)中基于孤電子對(duì)、電負(fù)性和元素化合價(jià)與熟悉的性質(zhì)進(jìn)行聯(lián)系與反芻，建立結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從NH3→N2H4→NxHy，N原子都