基于“模型認知”的高三化學實驗“主題串聯(lián)式”復習研究

韋新平

摘要： 針對高三化學專題復習特點，提出三點思考： 情境創(chuàng)設、主題銜接，“催化”模型認知;問題導向、證據(jù)推理，“點燃”模型認知;建模、用模相結(jié)合，“升華”模型認知。以“無水氯化鋁的制備實驗”為例對高三化學實驗的復習作具體分析和闡釋。

關鍵詞： 模型認知; 主題串聯(lián)式復習; 學科核心素養(yǎng); 無水氯化鋁

文章編號： 10056629（2020）01003706

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 問題的提出

1.1 化學實驗專題復習中存在的問題及思考

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗對發(fā)展學生的化學學科核心素養(yǎng)有重要的作用?；瘜W實驗也是高考化學重點考查的內(nèi)容，它將元素化合物知識、化學原理與實驗裝置、實驗操作等相關知識融合在問題情境中，綜合考察學生利用所學知識獲取、加工、運用信息分析問題和解決問題的能力。然而，在化學實驗專題復習中，由于知識容量大，內(nèi)容關聯(lián)性強，導致學生知識框架零散，知識記憶“碎片化”，缺乏系統(tǒng)性、方法性和規(guī)律性。高考試題中情境、裝置、現(xiàn)象的陌生化，物質(zhì)性質(zhì)、反應原理的多樣化都成為制約學生問題解決的瓶頸[1]。如何增進學生對化學實驗專題內(nèi)容更深層次的理解，讓學生能夠靈活應對陌生情境下的綜合實驗問題，是目前亟待解決的。

模型對學生建構(gòu)知識，提升分析、解決問題的能力有很大的幫助?！澳Ｐ驼J知”是高中化學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分。《普通高中化學課程標準（2017年版）》明確提出“通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[2]。其更高水平的要求為： 能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析，建立解決復雜化學問題的思維框架，并選擇不同的模型綜合解釋或解決復雜的化學問題。因此，在綜合實驗的問題情境當中，如何分析關鍵要素并建立思維框架、如何用認知模型解釋或解決化學問題，在新課程、新高考背景下具有重要的研究意義。

1.2 高考試題研究給化學實驗復習帶來的啟示

高考化學試題是高三復習備考重要的依據(jù)、參照和導向。通過對高考化學全國卷近年來非選擇題化學實驗題的分析，可以總結(jié)出以下幾個特點： 實驗素材新穎，問題情境多樣，設問方式靈活，基礎知識凸顯、學科思維能力及核心素養(yǎng)的考察顯現(xiàn)。從實驗試題類型看，有物質(zhì)制備型、組成測定型、性質(zhì)探究型等;從考查角度看，可概括為物質(zhì)性質(zhì)及反應（物質(zhì)及其變化）、實驗裝置、實驗操作三大維度。題目具體的設問形式如表1所示。

通過教學實踐，學生普遍反映： 圍繞裝置連接、操作目的及先后順序的考察難度較大，難以掌握方法和規(guī)律。實際上，對裝置及操作維度的考察往往會與問題情境中的物質(zhì)性質(zhì)與反應原理相關聯(lián)，裝置和操作只是表象和形式，物質(zhì)及其變化才是核心。問題設置體現(xiàn)了較強的靈活性和綜合性，凸顯試題命制的“能力立意”及“素養(yǎng)為本”原則。因而在高三第二輪實驗專題復習中，需要重點關注實驗裝置與實驗操作維度，在問題解決的過程中強化學生獲取信息的能力，將性質(zhì)、原理與裝置、操作、現(xiàn)象等聯(lián)系起來，做到宏微結(jié)合、三重表征與證據(jù)推理，促進模型認知的建構(gòu)。

2 基于模型認知的高三化學實驗主題串聯(lián)式復習教學案例

模型的建立需要學生根據(jù)已有知識經(jīng)驗，利用題示信息解決新情境中的問題，建構(gòu)自己的理解，并將這種理解以結(jié)構(gòu)化的形式表達出來[3]。因而建模教學需要合理組織結(jié)構(gòu)化的教學內(nèi)容，包括知識關聯(lián)結(jié)構(gòu)化、認識思路結(jié)構(gòu)化、核心觀念結(jié)構(gòu)化。在高三復習中，教師往往將重心聚焦在知識關聯(lián)結(jié)構(gòu)化，忽視對學生認識思路結(jié)構(gòu)化及核心觀念結(jié)構(gòu)化的培養(yǎng)，而這正是發(fā)展學生化學學科核心素養(yǎng)的關鍵。因而在復習的過程中，需要合理組織結(jié)構(gòu)化的教學內(nèi)容，創(chuàng)設真實生動的問題情境，在不同的主題框架下進行知識串聯(lián)。同時要超越具體知識，幫助學生形成解決問題的一般認識思路與核心觀念，建立認知模型，并能運用模型解決具體的問題。

對此，筆者以無水氯化鋁的制備實驗為問題情境，從方案設計與比較、裝置連接與改進、操作流程與監(jiān)控三個方面進行主題銜接，串聯(lián)三個維度的相關考點，促進學生在問題解決過程中建立認知模型。

2.1 設計思路

高三“無水氯化鋁的制備實驗”教學整體設計流程如圖1所示。

2.2 教學過程

[實驗情境]AlCl3是一種白色而微帶淺黃色的粉末，工業(yè)上用途廣泛，常用作有機合成催化劑，還可用作絮凝劑、媒染劑等。已知AlCl3在178℃以上易升華，遇潮濕空氣易水解產(chǎn)生大量白霧。

[提出問題]如何在實驗室制取無水AlCl3？

2.2.1 環(huán)節(jié)1： 方案設計與比較

[任務1： 方案設計]結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)特點，選擇相關試劑，設計合成方案，并寫出反應化學方程式。

[學生]方案①： 利用鋁粉與鹽酸反應，再在HCl氣流中加熱蒸干溶液得產(chǎn)品。方案②： 利用鋁粉與干燥氯氣反應，再冷凝收集產(chǎn)品。

[任務2： 方案比較]結(jié)合物質(zhì)及反應特點，從原料利用率、反應條件、操作難度、生產(chǎn)效益、環(huán)境保護等工業(yè)生產(chǎn)角度，比較兩種制備方案的優(yōu)勢及不足。完成表2。

[反思建模]物質(zhì)性質(zhì)及反應對工業(yè)生產(chǎn)有重要的指導意義，工業(yè)生產(chǎn)所關注的角度與物質(zhì)性質(zhì)及反應特點存在怎樣的對應關系？請以框圖的形式建立聯(lián)系（見圖2）。

設計意圖： 從實驗室到工業(yè)生產(chǎn)，引導學生從物質(zhì)性質(zhì)和反應特點出發(fā)，從原料、能耗、操作、效益、環(huán)保等維度展望工業(yè)生產(chǎn)。在設計、比較和評價方案的過程中，加深對物質(zhì)及其變化的理解，將化學知識和生產(chǎn)實際相結(jié)合，形成“物質(zhì)性質(zhì)及反應特點指導工業(yè)生產(chǎn)的認識路徑”，同時樹立學生正確的科學態(tài)度，培養(yǎng)學生的社會責任感。

2.2.2 環(huán)節(jié)2： 裝置連接

[任務3： 裝置連接]參照方案②，請選擇相應的儀器和試劑，設計一套實驗室制備無水氯化鋁的裝置，并畫出裝置連接圖。

[引導性問題]①如何獲得純凈、干燥的氯氣？②如何確定氯氣和鋁粉的反應裝置類型？③如何防止生成的氯化鋁變質(zhì)？④過量氯氣該如何處理？⑤如何確定裝置間的連接順序？

[反思建模]以無水氯化鋁的制備實驗為例，對于以氣體流程為載體的物質(zhì)制備型實驗，儀器連接需要包含哪幾個部分，先后順序是什么？請以流程圖的形式呈現(xiàn)出來。

[案例分析]請結(jié)合氯化鋁的特性，運用裝置連接模型（見圖3），對以下同學設計的裝置連接案例（見圖4）進行評價，該方案存在哪些缺陷，如何改進？

[應用模型]氯化鋁易升華，在玻璃管后應補充一個氯化鋁的冷凝收集裝置;氯化鋁易水解，要在尾氣吸收液NaOH溶液前補充一個盛有濃硫酸的干燥裝置，防止水蒸氣進入收集裝置（見圖5）。

設計意圖： 在儀器選擇與裝置連接過程中，引導學生基于實驗目的，結(jié)合試劑狀態(tài)、性質(zhì)特點和儀器的用途，建構(gòu)物質(zhì)制備型實驗裝置連接的思維模型，培養(yǎng)思維的有序性和嚴密性，并能用思維模型解決問題，評價裝置的完整性與科學性。

2.2.3 環(huán)節(jié)3： 裝置改進

[任務4： 裝置改進]下表羅列了實驗過程中可能出現(xiàn)的一些問題，這些問題發(fā)生在裝置連接模型中的

哪一部分？如何對裝置進行改進和優(yōu)化？討論并完成表3。

[反思建模]化學實驗儀器連接過程中，除了要考慮裝置的完整性，還需要考慮哪些保護性措施？這些保護性措施分別對應于裝置的哪個部分？請在原裝置連接模型上進行標注（見圖6）。

[應用思維模型]結(jié)合對模型的認識，解決下列問題： （1）倘若去掉氯氣的除雜及干燥裝置，對實驗會帶來哪些安全隱患？（2）有同學提出在錐形瓶上方連接一個球形冷凝管以提高冷凝效果，請問是否可行？球形冷凝管適用于收集哪一類物質(zhì)？（3）將吸收尾氣用的NaOH溶液換成盛有堿石灰的球形干燥管，有哪些優(yōu)勢？

設計意圖： 經(jīng)歷了從問題提出到問題定位，再到問題解決的過程，既提升了學生對裝置連接模型的認識，又超越了裝置連接模型本身，較深入地認識了裝置各個部分可能存在的問題及解決策略，建立了更高層次的“裝置連接的保護性策略思維模型”。這是對原認知模型的優(yōu)化，也是對原認知模型的拓展，有利于學生問題解決能力的提升。

2.2.4 環(huán)節(jié)4： 操作流程及監(jiān)控

[任務5： 實驗操作排序]儀器連接后，有以下實驗操作： a裝入藥品;b點燃硬質(zhì)玻璃管處酒精燈;c檢查氣密性;d點燃圓底燒瓶處酒精燈;e冷卻至室溫;f熄滅圓底燒瓶處酒精燈;g熄滅硬質(zhì)玻璃管處酒精燈。結(jié)合物質(zhì)性質(zhì)特點，對操作先后順序進行排序。

[學生]c→a→d→b→g→e→f。

[反思建模]在以氣體流程為載體的物質(zhì)制備實驗中，若產(chǎn)品易水解或易氧化，實驗操作中各環(huán)節(jié)的順序應怎樣排列？以流程圖的形式表示出來（見圖7）。

[任務6： 實驗流程監(jiān)控]結(jié)合對實驗操作各環(huán)節(jié)先后順序的認識，請分析下列操作環(huán)節(jié)或調(diào)整順序后可能出現(xiàn)的實驗現(xiàn)象，以實現(xiàn)對操作流程的監(jiān)控。完成表4。

設計意圖： 結(jié)合氯氣和氯化鋁的性質(zhì)特點，梳理實驗操作的先后順序，建立物質(zhì)制備實驗操作順序思維模型，并能靈活運用于各種涉及易氧化、易潮解的物質(zhì)制備型的實驗中。另外，通過對各操作環(huán)節(jié)中實驗現(xiàn)象的描述，強化信息獲取及加工的能力，根據(jù)氯氣和氯化鋁的性質(zhì)特點推斷實驗現(xiàn)象，宏觀辨識與微觀探析相結(jié)合，進一步深化對模型的理解。

3 高三化學專題復習中促進學生“模型認知”的教學思考

相對于高一高二新授課教學及單元復習，高三化學專題復習的知識容量和思維容量更大，內(nèi)容的層次性和關聯(lián)性更強，有利于學生在知識整合的過程中通過比較分析、歸納概括和抽象提煉，建立認知模型。但認知模型的構(gòu)建、核心素養(yǎng)的提升并非一蹴而就，需要在復習中反復強化，逐步內(nèi)化。具體而言，可以從以下幾個方面入手。

3.1 情境創(chuàng)設、主題銜接，“催化”模型認知

常規(guī)復習課“知識回顧例題講解方法歸納變式訓練”式的教學模式單調(diào)枯燥、機械重復、耗時費力，不利于提高學生復習的效率和學習的熱情。在復習中教師應精選實驗素材，關注科研、生產(chǎn)熱點，創(chuàng)設問題情境，以教學主題整合考點，并設計驅(qū)動性學習任務，組織學生開展多樣化的學習活動。教學情境和主題是促進“模型認知”的“催化劑”。通過實驗室制備無水氯化鋁的問題情境，利用“方案設計與比較”“裝置連接與改進”“操作流程與監(jiān)控”三個教學主題，整合物質(zhì)性質(zhì)、反應、實驗裝置、操作和現(xiàn)象相關考點，開展路線設計、方案篩選、裝置連接圖繪制、裝置改進獻策等學習活動，引導學生串聯(lián)知識、梳理方法、活化思維，并建構(gòu)模型。多樣化的主題活動“催生”認知模型的同時，也培養(yǎng)了學生的科學探究能力、實踐創(chuàng)新精神和社會責任感，促進學科核心素養(yǎng)的落實。

3.2 問題導向、證據(jù)推理，“點燃”模型認知

模型是對客觀事物或過程的一種表征方式，是利用證據(jù)進行科學解釋的工具，它將已有知識與新的證據(jù)聯(lián)系了起來[4]。模型認知離不開證據(jù)推理，證據(jù)推理是建構(gòu)模型認知的前提?！白C據(jù)推理與模型認知”中的“與”不能簡單理解成兩者的加和，它們是相互聯(lián)系的統(tǒng)一體[5]。對于無水氯化鋁的制備，無論是方案的設計、裝置的連接、操作的排序還是實驗現(xiàn)象的描述，都要密切聯(lián)系物質(zhì)性質(zhì)及反應特點，做到“性質(zhì)裝置操作”三位一體。所以，教師在充分研究高考試題，挖掘?qū)嶒炈夭暮徒虒W主題的同時，要對試題進行內(nèi)容調(diào)整和形式變換，設置有思維梯度的問題鏈，對考點進行發(fā)散與整合，設計一連串的問題線索，引導學生深入思考，在問題導向和證據(jù)推理的過程中逐步建立認知模型。例如，氯化鋁易升華、易水解的特性都是問題情境中的關鍵信息，是設計實驗方案、確定裝置連接及操作先后順序的重要依據(jù)。通過對信息的提取、加工、整合以及問題的分解、關聯(lián)、綜合等證據(jù)推理過程，埋藏在學生思維深處的認知模型自然能被“點燃”。

3.3 建模、用模相結(jié)合，“升華”模型認知

在高三復習當中，需要廣泛且深入地研究不同類型的試題，探尋問題設置的相似性與問題解決的規(guī)律性，引導學生在分析比較、歸納總結(jié)的基礎上，對問題解決過程進行抽象、提煉、簡化，并進行思路的外顯，才能建立認知模型。同時，建立的模型需要不斷地應用在新情境問題解決中才能得到內(nèi)化，“建模”與“用?！币嗷ソY(jié)合才能促進“模型認知”能力切實的提升。倘若不加以應用，總結(jié)出來的只能是“靜態(tài)”的認識思路，局限于特定類型問題的解決。只有應用在不同的問題情境中，并“動態(tài)”地修正和完善，知識才能“升華”，思維才能提升，核心觀念、認知模型才能有效地建立起來。所以，教師在復習中既要引導學生不斷總結(jié)提煉，形成結(jié)構(gòu)化的認識思路，也要帶領學生學以致用，應用模型解決問題，拓寬認識思路，鞏固認知模型。因此，促進“模型認知”的教學值得貫穿在高三化學復習始終。超越龐雜、零散的知識體系，幫助學生在更多的復習專題中挖掘、梳理、建構(gòu)認知模型，優(yōu)化復習備考，提升復習效率，值得我們做出更多的努力。

參考文獻：

[1]鐘國華. 2018年全國化學Ⅰ卷實驗題的試題評析及教學啟示[J]. 化學教學， 2019， （2）： 85～88.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]雷范軍， 王懷文， 高苗蘭. 基于模型分析與解決問題的三個水平——以2018年高考全國理綜Ⅰ卷三道化學試題為例[J]. 化學教學， 2018， （12）： 84～87.

[4]張晉， 畢華林. 模型建構(gòu)與建模教學的理論分析[J]. 化學教育， 2017， 38（13）： 25～29.

[5]吳星. 對高中化學核心素養(yǎng)的認識[J]. 化學教學， 2017， （5）： 3～7.