基于“模型開發(fā)-模型應(yīng)用”框架的高中化學(xué)建模教學(xué)探析

穆雯星 嚴文法

摘要：2017版課程標準提出要重視學(xué)生模型建構(gòu)及應(yīng)用能力的培養(yǎng)，而化學(xué)建模教學(xué)能夠有效促進學(xué)生建模能力的提升與核心素養(yǎng)的發(fā)展。在分析模型涵義及功能、建模教學(xué)涵義的基礎(chǔ)上，以“化學(xué)平衡常數(shù)”教學(xué)為例，結(jié)合其選題意義設(shè)計建模教學(xué)過程。

關(guān)鍵詞：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng);建模教學(xué);化學(xué)平衡常數(shù)

文章編號：1008-0546（2021）04-0002-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.001

《普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）》明確提出要發(fā)展學(xué)生“模型認知”素養(yǎng)，要求學(xué)生能夠認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[1]。如何理解“模型認知”？不同的研究者給出了不同的認識，陳進前在對已有研究進行分析的基礎(chǔ)上認為基于課標、結(jié)合當前中學(xué)化學(xué)教學(xué)實際可以從化學(xué)模型（科學(xué)模型層面）和認知模型（認知心理學(xué)層面）兩個視角來理解，認為“認識化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系”“識別物質(zhì)模型與理論模型”“運用理論模型解釋或推測物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及變化”等可以從化學(xué)模型視角來理解，“建立認知模型”“運用多種認知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化”等可以從認知心理學(xué)層面的認識模型視角來理解，“運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象”“對模型和原型的關(guān)系進行評價以改進模型”等則可能需要從上述兩個視角同時理解[2]。而關(guān)于如何理解建模教學(xué)也有不同的認識，學(xué)者劉恩山等人認為凡是涉及模型構(gòu)建、模型使用、模型評價和修正的教學(xué)都稱之為建模教學(xué)[3]?！澳Ｐ驼J知”中包括模型識別、模型建構(gòu)、模型修正、模型應(yīng)用等過程，與劉恩山等人對建模教學(xué)的界定具有較高的一致性。已有研究表明，學(xué)生很少意識到他們正在建構(gòu)模型或者使用模型來解決問題，學(xué)生對于模型的功能和本質(zhì)缺乏清晰的認知，學(xué)生無法通過科學(xué)知識的建構(gòu)歷程從而達到對知識全面而深刻的理解[4]。本文在闡釋模型本質(zhì)及建模教學(xué)意義的基礎(chǔ)上，以“化學(xué)平衡常數(shù)”教學(xué)為例，展開基于“模型開發(fā)-模型應(yīng)用”框架的建模教學(xué)過程的設(shè)計，探討將建模理論與實際教學(xué)相結(jié)合促進學(xué)生“模型認知”素養(yǎng)的發(fā)展的路徑。

一、相關(guān)概念界定

1.模型涵義及功能

目前教育界對模型的定義未作統(tǒng)一說明，但綜合已有研究可以發(fā)現(xiàn)大致有兩種定義：（1）《教育大辭典》、錢學(xué)森、海斯特森（Hestenes）（2010）[5]等人均認為模型是對原型的一種簡化的表征。（2）邱美虹[6]、吉爾伯特（J.K.Gilbert）[7]等人提出模型是主體認識外界客體的一種思維方式。

關(guān)于模型的作用，不同的學(xué)者提出了自己的看法。如海斯特森（Hestenes）[8]提出可以利用模型以解釋、預(yù)測和描述物理現(xiàn)象。施瓦爾茨（C.V.Schwarz）[9]認為模型不僅可以用來描述、解釋、預(yù)測現(xiàn)象，還可以用來溝通觀點，幫助人們產(chǎn)生新的觀點。吉爾伯特（J.K.Gilbert）[10]認為模型作為科學(xué)理論與現(xiàn)實世界之間的橋梁，具有以下三個功能：可以使抽象的事物具體化;可以簡化復(fù)雜的現(xiàn)象;可以為現(xiàn)象進行科學(xué)的解釋和預(yù)測提供依據(jù)。由此可見，對于模型的作用幾乎都有一個統(tǒng)一的認識：模型的作用是為了更好地描述、解釋和預(yù)測現(xiàn)象。

2.建模教學(xué)涵義

建模教學(xué)，即為基于模型的教學(xué)（Modeling-basedTeaching，簡稱MBT），是理解復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的一種手段，也是一個獲取概念知識和學(xué)習(xí)科學(xué)推理的過程。該理論強調(diào)以學(xué)生的已有經(jīng)驗為基礎(chǔ)，在掌握學(xué)科知識的基礎(chǔ)上，發(fā)展學(xué)生的真實問題解決能力和對科學(xué)本質(zhì)及過程的理解能力，通過師生之間的問答，加深對模型的認識，同時將所建模型應(yīng)用于不同的情境中，提高模型的解釋力度，直至達到教師預(yù)期的課程目標[11]。

2008年，海斯特森等人共同提出建模教學(xué)框架周期：模型開發(fā)和模型發(fā)展兩個階段。模型開發(fā)階段分為描述（描述情境中的問題）、公式（利用公式解決情境中的問題）、分歧（學(xué)生和教師共同討論發(fā)現(xiàn)不同的分歧）和驗證（進行相應(yīng)的實驗驗證結(jié)論提出共有模型）四個階段。模型發(fā)展就是將模型應(yīng)用于新的情境中去，不斷地檢驗?zāi)Ｐ?，從而提高模型的解釋力[12]。具體可理解為：在模型開發(fā)階段，教師可首先為學(xué)生進行情境創(chuàng)設(shè)，提出研究問題，學(xué)生嘗試使用公式去解決該問題，在這個過程中教師和學(xué)生共同討論在這個過程中產(chǎn)生的分歧，之后教師采用“蘇格拉底式”對學(xué)生進行提問，直至徹底解決問題，模型得以建立。在模型應(yīng)用階段，教師進一步為學(xué)生創(chuàng)造不同的情境，通過教師提問，鼓勵學(xué)生清楚地表達他們所知道的和他們是如何知道的，加深學(xué)生對于問題的理解，在這個過程中，學(xué)生不僅要解決問題，而且要簡要說明他們的解決問題的策略，最后進行測驗，完成模型的循環(huán)提升。

二、化學(xué)平衡常數(shù)建模教學(xué)設(shè)計

“化學(xué)平衡常數(shù)”是高中化學(xué)教學(xué)中的重難點。新課標提出要“引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷化學(xué)平衡常數(shù)模型建構(gòu)的過程，結(jié)合具體實例，促使學(xué)生體會化學(xué)平衡常數(shù)在判斷平衡狀態(tài)、反應(yīng)方向，分析預(yù)測平衡移動方向等方面的功能價值”。同時“化學(xué)平衡常數(shù)”部分要求學(xué)生“認識化學(xué)平衡常數(shù)是表征反應(yīng)限度的物理量，知道化學(xué)平衡常數(shù)的含義。了解濃度商和化學(xué)平衡常數(shù)的相對大小與反應(yīng)方向間的聯(lián)系”[13]。新人教版將“化學(xué)平衡常數(shù)”這一知識點設(shè)計在了選擇性必修1第二章第二節(jié)“化學(xué)平衡”第二課時，教材中直接給出“H2+I22HI”不同投料下平衡時各物質(zhì)的濃度、生成物濃度和反應(yīng)物濃度冪之積的比值進一步得出化學(xué)平衡常數(shù)的計算過程和概念，提出了濃度商的概念，但并未區(qū)分和化學(xué)平衡常數(shù)之間的區(qū)別與聯(lián)系，之后以常見例題講解為總結(jié)，增進學(xué)生對于化學(xué)平衡常數(shù)的理解。

王磊教授認為“化學(xué)平衡常數(shù)”為學(xué)生定量分析化學(xué)平衡的移動方向提供了依據(jù)，而化學(xué)平衡移動規(guī)律始終是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的難點之一[14]。根據(jù)皮亞杰認知發(fā)展理論，高二年級的學(xué)生抽象思維能力已經(jīng)達到成熟的水平，但辯證思維能力仍有待發(fā)展。可見，作為定量表征化學(xué)反應(yīng)進行限度的物理量，化學(xué)平衡常數(shù)的學(xué)習(xí)對學(xué)生的高中化學(xué)學(xué)習(xí)意義重大，如何更好地開展其教學(xué)過程具有一定的研究價值。

1.“化學(xué)平衡常數(shù)”教學(xué)目標和評價目標設(shè)計

通過對新課標、教材和學(xué)情的分析，本文將“化學(xué)平衡常數(shù)”教學(xué)目標設(shè)計為：

（1）通過開發(fā)化學(xué)平衡常數(shù)計量模型，能夠書寫化學(xué)平衡常數(shù)的計算過程并會判斷溫度對化學(xué)平衡常數(shù)的影響，發(fā)展“證據(jù)推理和與模型認知”“平衡思想”素養(yǎng);

（2）通過化學(xué)平衡常數(shù)和濃度商的計算比較，能判斷出可逆反應(yīng)在任意時刻的移動方向，發(fā)展“證據(jù)推理”素養(yǎng)。

根據(jù)“教學(xué)評”一體化教學(xué)理念，將評價目標相應(yīng)地設(shè)置為：

（1）通過化學(xué)平衡常數(shù)計量模型的推理過程，診斷并發(fā)展學(xué)生定量認識化學(xué)水平（基于經(jīng)驗水平、基于數(shù)據(jù)水平）;

（2）通過對化學(xué)平衡常數(shù)和濃度商的比較和移動方向的判斷，診斷并發(fā)展學(xué)生對化學(xué)平衡的認識水平（基于概念原理水平、系統(tǒng)水平）。

2.“化學(xué)平衡常數(shù)”教學(xué)過程

按照上文的建模教學(xué)框架，本文將在“模型開發(fā)-模型應(yīng)用”的框架基礎(chǔ)上展開“化學(xué)平衡常數(shù)”的建模教學(xué)設(shè)計。

（1）模型建立

模型建立的四個主要階段為：描述、公式、分歧和驗證。

描述：教師可通過帶領(lǐng)學(xué)生回顧上節(jié)課講過的化學(xué)平衡的含義，進一步提出問題，既然平衡是可逆反應(yīng)進行的最大限度，我們已經(jīng)學(xué)過定性判斷化學(xué)平衡狀態(tài)，那能否用定量的方法判斷化學(xué)平衡狀態(tài)呢？緊接著，教師通過展示“H2+I22HI”在同一溫度下不同投料時達平衡時各物質(zhì)的濃度，讓學(xué)生自己去嘗試提出該定量關(guān)系式。

公式：學(xué)生分小組討論，提出可以通過比較生成物濃度和反應(yīng)物濃度的比值、可以比較生成物濃度冪之積和反應(yīng)物濃度冪之積、可以通過12和HZ的平衡時濃度的比值等多種計算方式，最終發(fā)現(xiàn)只有用生成物濃度冪之積除以反應(yīng)物冪之積得出的數(shù)值在不同起始投料下是大約相同的，其余的比值均會隨著起始投料的改變而改變。由此，學(xué)生初步獲得化學(xué)平衡常數(shù)的計算模型。

分歧：既然獲得了計算模型，教師繼續(xù)追問，在計算的時候，我們發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)都是在同一個溫度下獲得的，那是否意味著化學(xué)平衡常數(shù)受溫度的影響呢？你能提出你的看法嗎？學(xué)生討論，部分學(xué)生認為溫度不會影響化學(xué)平衡常數(shù)的數(shù)值，部分同學(xué)認為溫度肯定會影響平衡常數(shù)的數(shù)值，還有部分學(xué)生表示對兩者之間的關(guān)系不清楚，可能也沒有關(guān)系。

驗證：教師展示不同溫度下“H2+I22HI”不同投料下達平衡時各物質(zhì)的濃度，學(xué)生通過判斷發(fā)現(xiàn)溫度會影響化學(xué)平衡常數(shù)，結(jié)果表明，隨著溫度升高，對于“H2+I，2HI”的反應(yīng)，該反應(yīng)的平衡常數(shù)減小。教師繼續(xù)追問，這難道就表明對于任何反應(yīng)，隨著溫度的升高，化學(xué)平衡常數(shù)均會減小嗎？緊接著，教師向?qū)W生展示不同溫度下“2HIH2+I2”不同投料下達平衡時各物質(zhì)的濃度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)在增大。由此，引發(fā)學(xué)生思考，兩個反應(yīng)的區(qū)別是什么？為什么會出現(xiàn)相反的結(jié)果？通過對比，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：第一個反應(yīng)正反應(yīng)方向是放熱反應(yīng)，第二個反應(yīng)正反應(yīng)方向是吸熱反應(yīng)。由此得出結(jié)論，對于吸熱反應(yīng)，溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)增大;對于放熱反應(yīng)，溫度升高，化學(xué)平衡常數(shù)減小。由此學(xué)生在“K、△H、T”之間建立了聯(lián)系，使化學(xué)平衡常數(shù)的計量模型更為完善。

設(shè)計意圖：通過教師提供情境，提出驅(qū)動型問題，引導(dǎo)學(xué)生逐步思考，由學(xué)生自己推出化學(xué)平衡常數(shù)的計算模型，并通過溫度對化學(xué)平衡影響因素的討論，完善化學(xué)平衡常數(shù)的計量模型，獲得K（T）計量模型。在這個過程中，學(xué)生的“證據(jù)推理與模型認知”化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得以培養(yǎng)。

（2）模型應(yīng)用

在這個階段中，學(xué)生已經(jīng)成功建立了化學(xué)平衡常數(shù)計量模型，渴望將該模型應(yīng)用到具體的情境中去解決真實問題。教師此時繼續(xù)進行追問：既然我們得到了定量模型，那如何用它來判斷化學(xué)平衡狀態(tài)呢？迫使學(xué)生不斷思考如何根據(jù)所建模型解決課程剛開始提出的問題。學(xué)生猜想：既然平衡時存在生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積比值恒定，那么是否可以通過已知某溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)數(shù)值，再根據(jù)此刻的生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比值和平衡常數(shù)數(shù)值進行比較，如果相等的話，就是平衡狀態(tài)，如果不相等，就不在平衡狀態(tài)，學(xué)生開始根據(jù)教師做提供的表格數(shù)據(jù)展開計算，計算完成后，發(fā)現(xiàn)自己所提出的想法是正確的。此時，教師繼續(xù)追問：如果不相等話，會有兩種情況出現(xiàn)，要么比值小于平衡常數(shù)，要么比值大于平衡常數(shù)，能不能推導(dǎo)出來比值小于或者大于平衡常數(shù)時可逆反應(yīng)的移動方向？學(xué)生繼續(xù)回答：如果小于，代表生成物濃度要增大，反應(yīng)物濃度要減小，則此時正在往正反應(yīng)方向進行;如果大于，代表生成物濃度要降低，反應(yīng)物濃度要減小，可逆反應(yīng)正在向著逆反應(yīng)方向進行。教師最后總結(jié)，該任意時刻的比值稱為濃度商（Q），通過Q和K的大小判斷，我們能順利地獲得某一時刻可逆反應(yīng)的反應(yīng)方向，由此，學(xué)生成功地建立了“Q、K、可逆反應(yīng)的反應(yīng)方向”之間的關(guān)系。

設(shè)計意圖：通過為學(xué)生提供類似科學(xué)家探索的過程，教師逐步提出問題，迫使學(xué)生在問題下不斷思考，不斷提高其所建立的化學(xué)平衡計量模型對可逆反應(yīng)方向判斷的解釋力度，同時，在不斷的解釋過程中，學(xué)生對模型的理解逐漸增強，學(xué)生的建模和用模能力得以提升，推理能力得到發(fā)展。

三、總結(jié)與討論

基于對建模教學(xué)的分析和“化學(xué)平衡常數(shù)”的建模教學(xué)設(shè)計可以發(fā)現(xiàn)，建模教學(xué)展現(xiàn)出了一定的教學(xué)優(yōu)勢：

1.建模教學(xué)有利于核心素養(yǎng)的落實

建模教學(xué)倡導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，讓學(xué)生在問題的逐步解決過程中理解科學(xué)知識的本質(zhì)，雖然在“化學(xué)平衡常數(shù)”建模教學(xué)設(shè)計中主要體現(xiàn)和發(fā)展的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為“證據(jù)推理和模型認知”，但化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)息息相關(guān)，通過整個化學(xué)平衡常數(shù)的探究過程，體現(xiàn)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新精神”素養(yǎng)的培養(yǎng)、通過可逆反應(yīng)反向的判斷，體現(xiàn)了“變化觀念與平衡思想”素養(yǎng)的落實?？梢姡＝虒W(xué)有助于高中生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.建模教學(xué)有助于改變教學(xué)路徑

從“化學(xué)平衡常數(shù)”的建模教學(xué)設(shè)計歷程可以看出，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，教師不再需要刻意去設(shè)計問題引發(fā)認知沖突，解決學(xué)生原來頭腦中的錯誤觀念。在模型開發(fā)和模型應(yīng)用的過程中，學(xué)生通過研究問題，自主開發(fā)模型，明確化學(xué)平衡常數(shù)的計算原理，自然而然地修正了自身原本對于化學(xué)平衡常數(shù)的計算方式理解不清的迷思概念，達到對化學(xué)平衡常數(shù)的深刻認識，再通過“Q與K”的大小比較，積極地將化學(xué)平衡常數(shù)與可逆反應(yīng)的進行方向聯(lián)系在一起，學(xué)生不再孤立片面地對化學(xué)平衡常數(shù)進行學(xué)習(xí)，提高該模型的解釋能力。

3.建模教學(xué)有助于發(fā)展學(xué)生的綜合能力

在“化學(xué)平衡常數(shù)”的建模教學(xué)過程中，學(xué)生需要先從宏觀現(xiàn)象物質(zhì)之間的反應(yīng)中找到定量分析化學(xué)平衡問題的本質(zhì)，學(xué)生的抽象能力和邏輯分析能力得以培養(yǎng);在對模型進行談?wù)摵蜋z驗的過程中，學(xué)生的推理能力和歸納能力得到明顯提升;在交流討論過程中，學(xué)生的交流與合作能力、表達能力得以發(fā)展;在模型應(yīng)用的過程中，學(xué)生的知識遷移能力得以鍛煉。由此可見，學(xué)生的綜合能力得以發(fā)展，終身學(xué)習(xí)能力得以培養(yǎng)。

相比于傳統(tǒng)的“傳授接受式”教學(xué)方式，建模教學(xué)將學(xué)生作為教學(xué)的中心，教師從教材“轉(zhuǎn)述者”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)“促進者”。這種轉(zhuǎn)變使學(xué)生能夠成為知識建構(gòu)的積極參與者，為學(xué)生提供更有意義的學(xué)習(xí)。同時，建模教學(xué)更注重利用問題，促進學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解，注重知識的生成過程以及概念之間的關(guān)系，使學(xué)生對概念的理解更加深度化。教師通過驅(qū)動型問題連續(xù)設(shè)問，引導(dǎo)學(xué)生集中討論和思考，為學(xué)生提供了思維延伸與模型“試錯”的機會，為學(xué)生的概念獲得搭建了“腳手架”，為新知和舊知之間建構(gòu)起“橋梁”，使學(xué)生能夠成功地從舊知走向新知，實現(xiàn)概念的層級發(fā)展，從而在整個建模教學(xué)活動中逐步實現(xiàn)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

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*本文系陜西師范大學(xué)2019年度基礎(chǔ)教育改革項目“核心素養(yǎng)視域下中學(xué)教師‘素養(yǎng)為本的教學(xué)設(shè)計能力提升策略與實踐”（項目編號：JCJY021）和陜西師范大學(xué)2020年度研究生教育教學(xué)改革研究項目“基于核心素養(yǎng)發(fā)展的化學(xué)專業(yè)學(xué)位案例教學(xué)與案例庫建設(shè)研究”（項目編號GERP-20-38）階段性研究成果。

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