培養(yǎng)模型認(rèn)知能力提升化學(xué)核心素養(yǎng)研究

摘 要：化學(xué)“模型認(rèn)知”是化學(xué)核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力對(duì)于高中化學(xué)學(xué)習(xí)有重要意義。文章結(jié)合具體的教學(xué)實(shí)踐，從建構(gòu)模型、研究模型、理解模型、應(yīng)用模型的角度探討在高中化學(xué)中如何整合課程資源，創(chuàng)新教學(xué)手段，以培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;高中化學(xué);核心素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)探究

中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-3561（2020）04-0092-02

高中化學(xué)新課標(biāo)明確提出化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)，其可分為“宏微結(jié)合、變化平衡、模型認(rèn)知、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)精神”五大板塊，而模型認(rèn)知在化學(xué)教學(xué)中是重點(diǎn)，也是學(xué)生容易忽視的難點(diǎn)。模型認(rèn)知能力的培養(yǎng)是教師在化學(xué)教學(xué)中不能忽視的方面?；瘜W(xué)“模型”具體指晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)方程式、電子式等。模型認(rèn)知能力能夠幫助學(xué)生通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)屬性和特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系。學(xué)生可以借助語(yǔ)言、圖像、符號(hào)、數(shù)學(xué)表達(dá)式等來(lái)建立模型認(rèn)知，理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。

一、 自主歸納，建構(gòu)模型

化學(xué)課程中的模型建構(gòu)往往是對(duì)一系列學(xué)生難以理解的抽象事物的歸納和演繹。針對(duì)原子結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)這些抽象概念建立具體模型，可以有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，在幫助學(xué)生理解原子結(jié)構(gòu)原理的同時(shí)，能夠加深學(xué)生對(duì)化學(xué)基本原理的印象，有助于構(gòu)建化學(xué)模型認(rèn)知體系。

例如，在教學(xué)“人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)”時(shí)，學(xué)生通過(guò)本章內(nèi)容對(duì)原子的結(jié)構(gòu)有了基本了解，但是對(duì)原子核外電子排布的認(rèn)知仍然薄弱。教師可先從時(shí)間線學(xué)生了解原子結(jié)構(gòu)模型的演變過(guò)程，然后向?qū)W生介紹原子核外電子排布的具體方式及原子核外電子排布的三個(gè)基本規(guī)律（泡利不相容原理、能量最低原理、洪特規(guī)則）。其中，泡利不相容原理是指每個(gè)軌道最多只能容納兩個(gè)電子，且自旋相反配對(duì)。能量最低原理是指電子盡可能占據(jù)能量最低的軌道。洪特規(guī)則是指簡(jiǎn)并軌道（能級(jí)相同的軌道）只有被電子逐一自旋平行地占據(jù)后，才能容納第二個(gè)電子。此外學(xué)生需要注意，等價(jià)軌道在全充滿、半充滿或全空的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。原子的表示符號(hào)AX，表示的是質(zhì)子數(shù)是Z、質(zhì)量數(shù)為A的一種X原子。并且，質(zhì)量數(shù)（A）=質(zhì)子數(shù)（Z）+中子數(shù)（N）。學(xué)生在觀察原子結(jié)構(gòu)圖的同時(shí)可以根據(jù)原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)對(duì)原子模型進(jìn)行分析和計(jì)算。

運(yùn)動(dòng)中的電子是一個(gè)抽象的概念，學(xué)生只能根據(jù)原子模型及原子核外電子排布規(guī)律對(duì)某一個(gè)原子進(jìn)行分析和計(jì)算。在了解原子模型的過(guò)程中，教師需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)原子結(jié)構(gòu)的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行匯總和歸納。

二、結(jié)合計(jì)算，研究模型

高中化學(xué)模型研究中最常用的方法就是守恒法，守恒法貫穿化學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)的始終。在原子結(jié)構(gòu)模型中需要用到質(zhì)量守恒和電子守恒，還有一些化學(xué)反應(yīng)中的物料守恒、價(jià)態(tài)守恒、溶質(zhì)守恒等。所以建立守恒的化學(xué)模型在解題過(guò)程中十分重要。

例如，在進(jìn)行“氯、溴、碘及其化合物”的教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生對(duì)氯、溴、碘這三種物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和相關(guān)化學(xué)方程式的寫法有了基本了解，但是對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些鑒別反應(yīng)和轉(zhuǎn)化反應(yīng)仍存在一些問(wèn)題。教師可針對(duì)氯、溴、碘及其化合物的內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行模型研究，展開專題探討。教師出示題目：“若某氯堿廠日產(chǎn)50%的NaOH溶液3 000 kg。如果把同時(shí)生產(chǎn)的Cl2和H2都制成38%的鹽酸，試計(jì)算理論上每天可生產(chǎn)鹽酸的質(zhì)量?！狈治隹芍?，該氯堿廠日產(chǎn)50%的NaOH溶液3 000 kg，即生產(chǎn)NaOH的質(zhì)量是50%×3 000 kg=1 500 kg，物質(zhì)的量是= 37 500 mol。教師要求學(xué)生根據(jù)題目先列出方程式，然后從中尋找物質(zhì)的量的關(guān)系：2NaCl+2H2O [通電] 2NaOH+ H2↑+Cl2↑，得到氯氣和氫氣的物質(zhì)的量分別是18 750 mol，所以得到HCl的物質(zhì)的量是H2或是Cl2物質(zhì)的量的2倍，即生產(chǎn)的HCl的物質(zhì)的量是37 500 mol，即37 500 mol×36.5 g/mol=1 368 750 g≈1.37 t，也就是說(shuō)理論上每天可生產(chǎn)鹽酸的質(zhì)量是1.37 t.

根據(jù)方程式得到能量守恒的物質(zhì)比例，然后根據(jù)原子守恒、質(zhì)量守恒的原理進(jìn)行計(jì)算是高中化學(xué)的一類基礎(chǔ)計(jì)算問(wèn)題。對(duì)化學(xué)模型進(jìn)行初步認(rèn)知后，研究模型、分析模型就成為學(xué)生逐步發(fā)展模型認(rèn)知能力的具體任務(wù)。

三、多元對(duì)比，理解模型

教師在進(jìn)行化學(xué)教學(xué)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)學(xué)生建立不同的模型，從不同的視角看待化學(xué)問(wèn)題?；瘜W(xué)模型的多元對(duì)比，可以幫助學(xué)生掌握化學(xué)模型的內(nèi)涵和用途，不僅有利于學(xué)生深入理解模型認(rèn)知概念，還有助于學(xué)生發(fā)展化學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

例如，在進(jìn)行“鈉、鎂及其化合物”這節(jié)課的備課過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)Na和Mg的化學(xué)性質(zhì)活潑，并且原子結(jié)構(gòu)也具備一定的特點(diǎn)，所以筆者決定設(shè)置一個(gè)模型構(gòu)建的專題，以便讓學(xué)生在多種模型的運(yùn)用、轉(zhuǎn)化過(guò)程中對(duì)這兩種金屬的特性獲得更為深刻的認(rèn)知。筆者先讓學(xué)生繪制鈉與鎂的原子結(jié)構(gòu)模型，從能量角度分析這二者化學(xué)性質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)金屬鈉的原子結(jié)構(gòu)最外層只有一個(gè)電子，容易失去電子，所以導(dǎo)致鈉的化學(xué)性質(zhì)活潑。金屬鎂也是相同的原理。然后，筆者要求學(xué)生在“電解氯化鈉”的電解池例題中列出電解氯化鈉時(shí)電解池正極負(fù)極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。該電解池的總反應(yīng)式為：2NaCl+2H2O =2NaOH+ H2↑+Cl2↑，負(fù)極電子轉(zhuǎn)移式為：2H++2e-=H2↑，正極的電子轉(zhuǎn)移式為：2Cl--2e-=Cl2↑。分析到電解池這個(gè)化學(xué)模型，就可以把物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與實(shí)用化學(xué)聯(lián)系起來(lái)。對(duì)原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)方程式模型進(jìn)行分析和類比，學(xué)生就會(huì)對(duì)模型構(gòu)建建立起一定的層次感和邏輯脈絡(luò)。

此外，教師可以幫助學(xué)生進(jìn)行概念圖的填充。概念圖能形象直觀地表示集合之間的關(guān)系，能將抽象的符號(hào)、文字變得具體簡(jiǎn)明。這就有利于學(xué)生理解和把握概念，有利于構(gòu)建化學(xué)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，有利于學(xué)生分清概念之間隸屬、同一、交叉或者并列等關(guān)系。

四、 解決問(wèn)題，應(yīng)用模型

物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)伴隨著能量變化，能量變化通過(guò)氧化還原反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。教師可以按照“現(xiàn)象——模型——實(shí)驗(yàn)（或觀察）——理論”的基本程序，以實(shí)驗(yàn)資料和科學(xué)觀察為基礎(chǔ)，圍繞物質(zhì)的性質(zhì)和特性，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)金屬的化學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行探討。

例如，在教學(xué)“鐵、銅的獲取及應(yīng)用”時(shí)，關(guān)于金屬Fe的氧化還原反應(yīng)很多，學(xué)生存在不會(huì)配平化學(xué)方程式的問(wèn)題，因此，在課堂上教師可要求學(xué)生進(jìn)行一次將“鐵銹”轉(zhuǎn)化成“生鐵”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。學(xué)生首先要了解傳統(tǒng)工藝工業(yè)冶鐵的步驟包括3H2+Fe2O3[高溫]? 2Fe+3H2O以及3CO+Fe2O3[高溫]? 2Fe+3CO2兩部分，運(yùn)用的原理是：高溫條件下利用還原劑CO將Fe2O3還原為Fe。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生也要注意一些實(shí)驗(yàn)器械的正確用法，如“高溫條件下”的限定，需要的加熱工具為酒精噴燈或者帶罩的酒精燈。

應(yīng)用模型解決問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)生需要對(duì)氧化還原反應(yīng)有一個(gè)清楚的認(rèn)知，這就需要教師在教學(xué)過(guò)程中與學(xué)生進(jìn)行有效交流，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生解題過(guò)程中存在的問(wèn)題，以便對(duì)學(xué)生進(jìn)行模型認(rèn)知指導(dǎo)。

總之，高中化學(xué)新課程的教學(xué)應(yīng)立足每一位學(xué)生的發(fā)展，按照課程改革的要求，努力提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。在模式認(rèn)知的培養(yǎng)方面，教師要圍繞學(xué)生的化學(xué)素養(yǎng)和化學(xué)思維能力的培養(yǎng)，通過(guò)“自主歸納以建構(gòu)模型，多元對(duì)比以理解模型，結(jié)合計(jì)算以研究模型，解決問(wèn)題以應(yīng)用模型”的方式創(chuàng)新教學(xué)手段，提升學(xué)生認(rèn)識(shí)、分析及解決問(wèn)題的能力。

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Study on the Cultivation of Model Cognitive Ability and the Improvement of Chemical Core Literacy

Yang Bo

（No.1 Middle School， Jiangdu District， Yangzhou City， Jiangsu Province， Yangzhou 225267， China）

Abstract： Chemistry "model cognition" is one of the important parts of chemistry core literacy. It is of great significance for senior high school chemistry learning to cultivate students' model cognition ability. Based on the specific teaching practice， this paper discusses how to integrate curriculum resources and innovate teaching methods in senior high school chemistry from the perspective of construction model， research model， understanding model and application model， so as to cultivate students' model cognitive ability.

Key words： model cognition; high school chemistry; core literacy; experimental research

作者簡(jiǎn)介：楊波（1981-），男，江蘇揚(yáng)州人，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中化學(xué)教學(xué)與研究。