基于核心素養(yǎng)的高中化學建模教學分析

郭春波

為落實立德樹人的根本要求,高中化學教學應重視學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),完成學科育人的基本要求。開展高中化學建模教學,引導學生建模和分析,能夠充分發(fā)揮學生想象力和培養(yǎng)學生思考力,有助于學生化學核心素養(yǎng)的形成。從核心素養(yǎng)培養(yǎng)角度探索高中化學建模教學方法,能夠有效推動學生的全面發(fā)展。

一、明確建模教學目標,提高學生核心素養(yǎng)

在現(xiàn)代科學中,建模是學科學習需要掌握的重點方法,同時也是高中生應當掌握的基本科學探究能力。按照新課程改革要求,培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng),要使學生通過學科學習形成適應個人和社會發(fā)展需要的解決問題的關鍵能力和必備品格。在高中化學學習方面,要求學生形成證據推理、模型認知等學科素養(yǎng),即將化學事實當成證據完成推理論證,獲得相應結論,并在認識化學現(xiàn)象本質、構成要素及相關關系基礎上構建認知模型,為復雜化學問題的解答提供思考框架和方法[1]。為此,學生應通過生活和實驗等場景分析物質變化事實,完成證據定性或定量收集,并據此提出假設,尋求驗證途徑。根據證據實施對假設證實或證偽,能夠將證據與結論的關系理清。根據現(xiàn)象和模型關系,能夠結合物質及其變化等信息完成模型構建、評價和修正,通過模型對物質性質、結構等變化進行推測,進一步提高模型認識。在高中化學教學中,通過建模方法引導學生分析化學問題,能夠加強學生認知思維能力,引導學生通過問題表征查找認知體系中是否存在匹配模型,學會運用模型或建立模型解決問題[2]。在教師引導下建立化學認知模型,推理和解析化學問題,可以使學生形成建模思維和問題意識,掌握化學推理和論證方法,提高解題效率的同時,促進學生理解能力、思考能力的發(fā)展,達成培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)的目標。

二、遵循化學建模原則,合理開展教學活動

通過建模教學培養(yǎng)學生的化學核心素養(yǎng),要遵循建模原則,科學設計教學程序,并運用驅動策略保證教學活動順利進行,為教學目標達成提供保障。在教學設計方面,首先,應遵循自主建構原則,將培養(yǎng)學生化學核心素養(yǎng)當成是目標開展基礎教育活動,引導學生自主思考和學習。例如,在學習“碳酸鈉和碳酸氫鈉”時,不同于過去側重講解兩種物質的化學性質等知識,遵循自主建構原則,可以先拋出辨別實驗室中兩種無色溶液的問題,引導學生結合相關信息完成化學實驗設計和過程驗證,學會主動構建模型和學習知識。其次,應遵循直觀簡潔原則,運用建模思維將復雜化學知識進行簡化,直觀呈現(xiàn)各種知識間的關系?；瘜W模型帶有直觀性特點,能夠將復雜內容簡潔化處理,激發(fā)學生學習欲望的同時,方便學生理解。如對物質微觀結構、化學原理等關系進行呈現(xiàn),應引導學生使用圖像、實物等模型,為學生建立完整知識結構體系奠定扎實基礎,確保學生達成模型認知等核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標。最后,應遵循全面發(fā)展原則,在引導學生建構和運用模型的過程中,時刻關注學生學科素養(yǎng)發(fā)展情況,對學生信息收集、分析推理、整理歸納等各方面能力進行培養(yǎng)?；瘜W教學不僅需要指導學生建立模型,還應融合化學問題對學生模型分析、改進等能力進行考查,確保學生可以通過相互交流、合作探索等方式突破模型思維局限性,最終取得全方位發(fā)展[3]。

三、理清建模教學思路,科學設計建模程序

首先,應結合教材內容明確教學目標,理清教學思路,建立化學模型體系。例如,在學習“化學反應原理”這一單元的內容時,教學目標是要求學生通過理解化學反應機理掌握反應發(fā)生的本質原因,培養(yǎng)學生邏輯思維的同時,引導學生形成環(huán)保等意識。從教材內容組成上來看,包含化學能與熱能、化學反應速度和限度、電解質溶液微觀變化、電化學四部分內容。而根據教學重難點,能夠完成模型分類,得到對應的單元教學模型,如表1 所示。通過整體性分析,可以圍繞重難點合理運用各種化學模型,完成教學思路的整體規(guī)劃,確保設計的教學內容和教材板塊對應。

表1 “化學反應原理”化學學習模型

其次,圍繞教學目標完成建?；顒釉O計,以任務分配等形式促使學生主動參與教學活動。為引導學生建構模型,還應實現(xiàn)任務具體化處理,可以利用實物模型對抽象化學現(xiàn)象進行直觀化展示。例如,學習“分子和原子”時,可以安排學生利用各種顏色廢紙揉捏成多個小球,用以代表各種原子,并通過膠水黏合方式組成各種分子。在模型制作過程中,學生可以探索如何運用化學符號完成分子多重表征,初步認識模型的同時,把握化學知識與實踐生活的聯(lián)系,深刻體會化學知識的重要性。將建?？闯墒强茖W探究活動,可以激發(fā)學生的探究欲望,通過實驗等方式完成證據收集和推理。例如,在學習“金屬鈉與硫酸銅反應”時,學生聯(lián)系之前學習的知識將判斷二者發(fā)生置換反應,意味著學生將完成模型選擇。在此基礎上,應指導學生驗證模型,開展將小塊鈉投入硫酸銅和鹽酸溶液的實驗,完成模型檢驗。通過觀察實驗現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)鈉在溶液表面游動、融化,伴隨著聲響,溶液中形成藍色絮狀物,可以得到“鈉先和水發(fā)生反應,生成氫氧化鈉后與硫酸銅反應,最終產生氫氧化銅沉淀物”的結論,達到模型修正目標。

四、運用教學驅動策略,增強學生推理欲望

在化學建模教學活動設計中,師生是教學系統(tǒng)中的重要元素,需要通過雙向互動保證活動順利開展。采取驅動策略調動學生主動性,使學生與教師、學習內容有效互動,才能有效培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)。一方面,教師應創(chuàng)設真實情境,使學生在問題探究中建立和完善模型。教師選擇與學生生活息息相關的場景,能夠激發(fā)學生興趣,從專業(yè)化學視角探尋問題,加深化學知識和模型認知素養(yǎng)的關聯(lián)。例如,學習“氮的循環(huán)”時,可以結合“雷雨發(fā)莊稼”情境指導學生探尋氮元素物質家族,基于“價-類”二維模型探尋氮元素如何由游離態(tài)轉化為化合態(tài),為莊稼提供氮肥。后續(xù)遇到相似問題和情境,學生也能自主嘗試建立模型,運用化學知識解決問題。另一方面,教師應強調學生的主動性,督促、引導學生提出問題、假設、猜想后才能自主收集證據,進行分析推理,通過開展大量思維活動,豐富模型認知,完成知識內化和遷移應用,達到核心素養(yǎng)發(fā)展要求。例如,在學習“乙醇的結構”時,比較乙烷和乙醇的化學分子式,能夠發(fā)現(xiàn)乙醇分子僅多了一個氧原子。安排學生開展搭建乙醇模型的任務,學生將自主思考多出的氧原子的連接位置,搭建出氧原子在兩個碳原子間、氧原子連接在一個碳氫鍵上等不同的模型。根據各自的猜想,學生將嘗試設計鈉與乙醇反應等實驗,根據收集的實驗證據,最終判斷乙醇化學分子結構。

五、發(fā)揮模型持續(xù)作用,提高學生模型認識

為逐步加深學生對模型的認識,使學生形成模型分析和運用能力,教師應關注模型認知發(fā)展的持續(xù)性,通過教學一體化評價引導學生不斷豐富模型思維。例如,學習“鐵及其化合物”時,為使學生形成系統(tǒng)化認識,在學生利用“價-類”認知模型完成相關元素化合物學習后,教師可以提供陌生元素及其化合物學習任務,檢驗學生能否運用模型完成相關知識學習。以新課程標準為指導,從學生知識掌握情況、技能運用、情感體驗等各方面進行評價,可以將學生學習過程與教學評價緊密結合,完成學情診斷的同時,對建模教學效果進行反饋。例如,學習“氮元素物質家族”時,應確認學生能否從“價-類”兩個角度對氮元素物質進行探尋和歸類整理,利用二維模型完成物質轉化實驗設計和推理論證,最終形成物質性質與轉化的認知模型。通過持續(xù)性評價,可以指引學生完成模型認知思維發(fā)展,從單純關注微粒物質逐步向關注微粒間相互作用類型的物質分類方向轉變,繼而能夠根據共價鍵的鍵能等對分子化學鍵強弱、空間結構等進行描述[4]。

六、開展建模教學實踐,科學實施課程教學

為探尋高中化學建模教學實施方法,以人教版選修教材中的“原電池”為例,對教學過程和效果展開分析。通過對教材內容的分析可知,學生之前已經通過高中化學必修教材了解鋅銅原電池的原理、構成等內容,掌握了化學能與熱能相互轉化的化學反應理論,可以進行相關實驗探究。在教學中為引導學生從微觀層面出發(fā),深入理解原電池原理,可以結合工業(yè)場景介紹鹽橋原電池結構,通過建立相應認知模型完成思維進階與發(fā)展[5]。按照這一思路,可以將銅鋅原電池作為案例,引導學生通過實驗找出雙液原電池正負極,確定電極棒上發(fā)生的化學反應。結合實驗內容建模,能夠使學生進行科學探究,分階段完成雙液原電池模型構建,運用化學專業(yè)知識解決實踐問題。表2 所示為學生的認知模型進階過程。

表2 學生“原電池”認知模型進階

在教學活動中,首先設計教學導入環(huán)節(jié),拿出學生常見的各種電池,創(chuàng)設情境,引導學生回想之前學習的知識,認識到電池實際就是通過化學反應將化學能轉化為電能的裝置。在此基礎上,教師提出“原電池將發(fā)生怎樣的化學反應?”“離開電子轉移,電池中是否還有電流?”等問題。根據已有知識,學生能夠推理出發(fā)生電子轉移的反應為氧化還原反應,嘗試設計鋅與硫酸銅溶液反應的實驗。在實驗過程中,學生將記錄電流表的數值,并觀察鋅損耗,發(fā)現(xiàn)銅片周圍析出金屬銅。嘗試將鋅片與溶液分離,發(fā)現(xiàn)鋅片損耗減少,供電更加穩(wěn)定,學生將進一步分析原因。在學生開展學習活動過程中,教師應適時干預,指導學生合理建模。如圍繞鋅和硫酸銅反應建立原電池圖像模型,教師可以提出“反應過程中溶液溫度升高了嗎?”等相關問題,引發(fā)學生思考。以小組為單位,學生可以討論相關問題,思考原電池反應與之前學習的電池反應差異,思考現(xiàn)象成因。通過系統(tǒng)分析,部分學生認為“原電池中只要發(fā)生化學反應,電流不會發(fā)生過大起伏”,部分學生認為“部分化學能轉化為熱能,導致溶液溫度升高”。學生建模后,教師從原電池電解質溶液物質成分、電極成分等角度與學生討論,能夠幫助學生完善圖像模型和實驗模型。最后教師可以提出“鹽橋電池構成特點是什么?”等問題,引導學生思考和總結,確認自身在化學學習中存在的不足,做到及時改進。

為了更好地開展高中化學建模,提高學生的化學核心素養(yǎng),教師要加強對學生的引導,幫助學生逐步形成建模能力,確保學生可以通過模型構建、分析、運用等方法完成化學問題推理和解答。在高中化學教學實踐中,教師還應運用建模教學模式完成情境設置,促使學生自主嘗試運用類別、假設等方法建立模型,并借助文字、圖形等方式進行表達。結合化學問題對模型進行分析,把握模型與問題間的聯(lián)系,通過應用模型深層次分析問題,使學生形成建模思想和論證能力,最終達成培養(yǎng)學科核心素養(yǎng)的要求。