發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的單元整體教學(xué)

白建娥

摘要： 在深入研究課標(biāo)、學(xué)情的基礎(chǔ)上，從2020年版魯科版教材第二章提煉出“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)單元，教學(xué)目標(biāo)確定為發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。詳細(xì)闡述該單元整體教學(xué)中的驅(qū)動性問題與學(xué)生活動的設(shè)計，課堂即時評價全程跟進(jìn)。后測結(jié)果表明，學(xué)生“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)獲得明顯提升。

關(guān)鍵詞： 模型認(rèn)知; 單元整體教學(xué); 共價鍵; 分子結(jié)構(gòu)

文章編號： 10056629（2022）09003505

中圖分類號： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科五大核心素養(yǎng)之一，新課標(biāo)對“模型認(rèn)知”的定義是“知道可以通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)聯(lián)，建立認(rèn)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]。對學(xué)生而言，“模型認(rèn)知”包括運用科學(xué)家已經(jīng)建構(gòu)的科學(xué)模型分析解決問題、像科學(xué)家那樣運用模型方法，通過建構(gòu)模型分析解決問題等[2]?！肮矁r鍵與分子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容涉及的共價鍵模型、雜化軌道理論、價層電子對互斥理論（以下簡稱VSEPR模型）、氫鍵等均為科學(xué)家已經(jīng)建構(gòu)的科學(xué)模型，從“能將事實與模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和匹配”，到“能理解、描述和表征模型”，再到“能認(rèn)識到模型和研究對象的異同以及模型使用條件”，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”水平由低到高的發(fā)展順序。

單元整體教學(xué)有助于教師突破“只見樹木不見森林”的課時思維，打通知識到素養(yǎng)的通道，通過讓學(xué)生完成具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)促進(jìn)對化學(xué)核心知識和學(xué)科思想方法的深刻理解，實現(xiàn)遷移應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力、必備品格和正確的價值觀，是“素養(yǎng)導(dǎo)向”下一種有效的教學(xué)模式[3]。單元整體教學(xué)的關(guān)鍵是確定教學(xué)單元、制定單元及課時教學(xué)目標(biāo)、依托情境素材設(shè)計驅(qū)動性問題和學(xué)生活動、全程進(jìn)行診斷與評價等。下面以2020年版魯科版教材“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”為例，闡述發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的單元整體教學(xué)設(shè)計過程。

1 深入解讀課標(biāo)及教材，確定教學(xué)單元

“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”是從2020年版魯科版教材選擇性必修2《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第二章提煉出來的內(nèi)容。新課標(biāo)中“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊分三個主題，著重突出結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，同時也強調(diào)了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法與價值。2020年版魯科版教材以主題2作為第二章的標(biāo)題，下設(shè)四節(jié)內(nèi)容對微粒間的相互作用進(jìn)行詮釋。教材具體

內(nèi)容與課標(biāo)要求之間的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

由圖1可以看出，教材的四節(jié)內(nèi)容中，第1、 2、 4節(jié)內(nèi)容具有遞進(jìn)關(guān)系，可以從整章中剝離出來，自成一個相對獨立的單元。而第3節(jié)內(nèi)容的作用是豐富微粒間相互作用的類型，使學(xué)生形成一個相對完善的知識體系，可以另成一個教學(xué)單元。

第1、 2、 4節(jié)內(nèi)容形成的教學(xué)單元，始終圍繞共價鍵模型（價鍵理論）及其發(fā)展和分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)展開，故單元主題確定為“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”。單元知識之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系如圖2所示。

原子之間通過共價鍵形成分子，分子具有一定的空間結(jié)構(gòu)，雜化軌道理論和VSEPR模型可以解釋和預(yù)測分子的空間結(jié)構(gòu)。共價鍵的極性和分子的空間結(jié)構(gòu)決定了分子中的電荷分布與極性。分子之間通過分子間作用力（范德華力和氫鍵）形成宏觀物質(zhì)，依據(jù)分子結(jié)構(gòu)可以解釋物質(zhì)某些方面的性質(zhì)（如熔沸點、溶解性等）。整個單元內(nèi)容從微觀到宏觀，將結(jié)構(gòu)與性質(zhì)建立關(guān)聯(lián)，體現(xiàn)了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的價值。

2 立足課標(biāo)與學(xué)情，制定單元教學(xué)目標(biāo)

教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對模型尚缺乏科學(xué)的認(rèn)識，不能時刻意識到模型是科學(xué)家為了認(rèn)識世界中的特定對象（原型）而構(gòu)想出來用于表征目標(biāo)對象的一種簡化、抽象或近似的描述[4]，常把“模型”與“研究對象”混為一談。乙烯分子中的C原子為什么不采取sp3雜化方式？計算中心原子周圍的價電子對數(shù)時，多重鍵為什么只計其中的σ鍵電子對，不計π鍵電子對？非極性分子中正負(fù)電荷重心重合，為什么相互之間還有范德華力（本質(zhì)為靜電作用）？令學(xué)生困惑的上述問題表明，“模型”與“原型”的主客體地位、因果關(guān)系常被顛倒，模型還常被誤認(rèn)為是靜態(tài)的實體?；谏鲜鰧W(xué)情分析，參照新課標(biāo)的“內(nèi)容要求”與附錄1“化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分”[5]，筆者將“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”單元教學(xué)定位在發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)。單元教學(xué)目標(biāo)的具體內(nèi)容如圖3所示。

將單元目標(biāo)按照素養(yǎng)發(fā)展水平具體到每一種模型，即為課時目標(biāo)。例如，對于共價鍵模型，課時目標(biāo)是： （1）知道共價鍵模型是科學(xué)家基于量子力學(xué)理論建立的科學(xué)模型，能描述共價鍵的形成過程，說出共價鍵的實質(zhì);會識別σ鍵和π鍵;能結(jié)合H2O、 NH3等具體實例論證共價鍵的飽和性和方向性;（2）能運用共價鍵模型解釋相應(yīng)的分子結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的性質(zhì);（3）知道共價鍵模型在解釋O2有順磁性、甲烷分子組成、分子空間結(jié)構(gòu)方面的局限性。其他模型的課時目標(biāo)制定參照共價鍵模型，因篇幅所限，不再贅述。

3 基于目標(biāo)選取情境、設(shè)計問題和活動

制定了教學(xué)目標(biāo)，就有了方向。教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)需通過每一課時進(jìn)行落實。而在每一課時中能夠?qū)W(xué)生快速帶入學(xué)習(xí)狀態(tài)的最佳方式就是利用真實的問題情境。重視真實問題情境的運用，以此促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)

科核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展，正是新課標(biāo)在“實施建議”中特別提倡的有效教學(xué)策略。魯科版教材設(shè)置的“聯(lián)想·質(zhì)疑”“觀察·思考”“交流·研討”等欄目，在學(xué)生已有經(jīng)驗或者熟悉的事實和現(xiàn)象的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，是能夠引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的絕佳素材。本單元教學(xué)中，主要利用現(xiàn)有的情境素材，設(shè)計驅(qū)動性問題，激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲或引發(fā)其認(rèn)知沖突;同時設(shè)計與驅(qū)動性問題相匹配的學(xué)生活動，讓學(xué)生在活動的體驗過程中認(rèn)識模型、理解模型，最終會應(yīng)用模型解釋客觀事實。

圖4呈現(xiàn)了本單元的課時內(nèi)容、情境素材、設(shè)計的驅(qū)動性問題以及學(xué)生活動。

5課時的內(nèi)容緊緊圍繞本單元先后呈現(xiàn)的五個科學(xué)模型展開，考慮到知識的邏輯順序、學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展順序與課堂容量，將教材共價鍵模型部分的“極性鍵與非極性鍵”調(diào)整到VSEPR模型之后與“分子的極性”合并。每個課時既相對獨立，又彼此關(guān)聯(lián)。整個單元沿著“分子內(nèi)原子之間的相互作用→分子的空間結(jié)構(gòu)→分子之間相互作用→物質(zhì)的性質(zhì)”順序推進(jìn)，外顯了“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的化學(xué)學(xué)科觀念。其中，結(jié)構(gòu)可通過技術(shù)手段（如分子光譜）測定，也可通過VSEPR、氫鍵等科學(xué)模型預(yù)測和解釋。模型形象、直觀、理想化地反映結(jié)構(gòu)，并能較令人滿意地解釋分子和物質(zhì)的部分性質(zhì)。

本單元的驅(qū)動性問題直接指向科學(xué)模型的價值和模型所包含的要素。例如，必修階段學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了經(jīng)典的共價鍵模型，知道共價鍵是原子間通過共用電子對形成的化學(xué)鍵。但是，原子之間為什么要進(jìn)行電子配對？學(xué)生只知其然不知其所以然。第1課時，直奔主題，驅(qū)動學(xué)生思考電子配對的合理解釋，使學(xué)生迅速達(dá)到“心求通而未得，口欲言而弗能”的憤悱狀態(tài)，強烈的求知欲旋即產(chǎn)生。為什么水分子中H和O個數(shù)比為2∶1？為什么H2O不是直線型分子？兩個問題直接指向共價鍵的特征： 飽和性和方向性。再如，科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)分子之間存在范德華力和氫鍵的？有哪些證據(jù)作為支撐？與共價鍵相比，范德華力與氫鍵的強度怎樣？是否也有飽和性和方向性？第5課時的這些問題驅(qū)動學(xué)生去思考微粒間相互作用的相通之處，共價鍵是原子之間的相互作用，分子是由原子組成的更復(fù)雜的微粒，作為分子間作用力的范德華力與氫鍵，是否與共價鍵有某種關(guān)聯(lián)呢？相同與不同之處在哪里？帶著這些問題去學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生透過表象看本質(zhì)，在深入反思中形成統(tǒng)攝性的觀念?？梢姡?qū)動性問題是學(xué)習(xí)和思考的起點，也是課時指向的目標(biāo)與歸宿。

學(xué)生活動的設(shè)計圍繞著驅(qū)動性問題的解決，本單元主要分為對模型的理解和應(yīng)用。指向模型理解的學(xué)生活動有： 圖4中課時1（1）（2）、課時2（1）、課時3（1）及課時5（2）。其中，根據(jù)教材圖示描述H2、 CH4分子的形成過程;模擬H2O、 NH3、 N2分子中原子的成鍵方式，使多個磁力棒圍繞一個磁力球盡可能最大遠(yuǎn)離;拼搭冰的氫鍵模型，目的分別是理解共價鍵的本質(zhì)、類型，雜化軌道模型的思維過程;VSEPR模型的核心要素以及氫鍵一定程度的飽和性和方向性（傳統(tǒng)上認(rèn)為氫鍵具有飽和性和方向性，然而氫鍵的形成不像共價鍵的形成對方向性的要求那么高[6]）。其余的學(xué)生活動則指向模型應(yīng)用，用科學(xué)模型預(yù)測、解釋分子結(jié)構(gòu)及物質(zhì)的性質(zhì)。對學(xué)生來說，理解科學(xué)模型是一個輸入過程，理性思維之前最好要先有感性認(rèn)識，因此設(shè)計的多是觀察思考、動手體驗類活動;而應(yīng)用科學(xué)模型是一個輸出過程，主要參照課標(biāo)的“學(xué)業(yè)要求”進(jìn)行設(shè)計，多為口頭表達(dá)與動手書寫類活動，緊跟在指向模型理解的學(xué)生活動之后，以診斷學(xué)生對模型的掌握情況。設(shè)計學(xué)生活動時考慮了學(xué)生的心理發(fā)展進(jìn)階，例如課時3的四個活動： 先拼搭磁力棒以理解VSEPR模型的要素;接下來預(yù)測能夠?qū)懗鲭娮邮降奈⒘５慕Y(jié)構(gòu);然后結(jié)合計算預(yù)測較復(fù)雜微粒的結(jié)構(gòu);最后既預(yù)測又解釋微粒的結(jié)構(gòu)和組成。學(xué)生活動由感性到理性，從簡單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)，逐漸增強學(xué)生的獲得感和自信心。

4 即時評價，促進(jìn)“模型認(rèn)知”素養(yǎng)提升

新課標(biāo)提倡實施“教、學(xué)、評”一體化，有效開展日常學(xué)習(xí)評價[8]，還特別強調(diào)發(fā)揮評價促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)全面發(fā)展的功能?？梢?，評價不是目的，是一種手段，目的是促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展。課堂即時評價是最直接、最便捷的評價形式，是“教、學(xué)、評”一體化理念落地的基本途徑[9]。那么，核心素養(yǎng)的發(fā)展在教學(xué)過程中如何得到有效評價和促進(jìn)呢？

由圖4可以看出，在“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”單元整體教學(xué)過程中，設(shè)計的活動包括“描述、論證、解釋、書寫、拼搭、實驗”，需要學(xué)生高頻次地動手操作、動腦思維和動口表達(dá)?；顒又袑W(xué)生的情意態(tài)度可以被觀察、感知;表達(dá)、書寫與實驗的結(jié)果可以被診斷與評價。作為教學(xué)活動的組織者，教師通過不斷巡視，可以把控課堂教學(xué)節(jié)奏;通過不斷追問，可以發(fā)現(xiàn)學(xué)生暴露的問題并做出補救性調(diào)整;通過點人上臺板演，可以使典型問題聚焦放大，并鼓勵同伴互評互助。在師生和生生多輪次的交互碰撞中，在教師獲得及時反饋后的進(jìn)一步點撥中、在受到教師肯定后備受鼓舞的進(jìn)一步探索中，學(xué)生對科學(xué)模型的理解和應(yīng)用水平不斷提升，模型認(rèn)知素養(yǎng)逐漸獲得發(fā)展。

后測中呈現(xiàn)了前文提及的三個問題： 乙烯分子中的C原子為什么不采取sp3雜化方式？計算中心原子周圍的價電子對數(shù)時，多重鍵為什么只計其中的σ鍵電子對，不計π鍵電子對？非極性分子中正負(fù)電荷重心重合，為什么相互之間還能產(chǎn)生范德華力？對于第一個問題，92%的學(xué)生達(dá)成共識： 首先承認(rèn)乙烯為平面結(jié)構(gòu)的事實，再用相應(yīng)的理論或模型進(jìn)行解釋。若從雜化軌道理論解釋，C原子只有采取sp2雜化方式才可以符合事實。對于第二個問題，75%的學(xué)生能關(guān)聯(lián)到第3課時開始圍繞一個磁力球拼搭磁力棒的活動，兩棒一球為直線形，三棒一球為平面三角形，四棒一球為正四面體，五棒一球為三角雙錐，六棒一球為正八面體（如圖5所示）。中心原子周圍幾“堆”電子，就像幾個磁力棒，彼此之間形成“最大遠(yuǎn)離”的空間結(jié)構(gòu)。而中心原子與某個配體之間不管單鍵、雙鍵還是三鍵，都只能算作“一堆”電子，相當(dāng)于只有σ鍵對“電子堆”有貢獻(xiàn)。VSEPR模型原本就是Sidgwick等科學(xué)家在歸納了許多已知分子的幾何構(gòu)型后提出的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚10]，只有不計π鍵電子對時才能與事實吻合。

圖5 學(xué)生用磁力球與磁力棒模擬價電子對拼搭的分子空間結(jié)構(gòu)

第三個問題，課堂上教師用原子結(jié)構(gòu)的“電子云”模型結(jié)合微觀粒子永不停息地做無規(guī)則運動的特點進(jìn)行了生動形象的講解，絕大多數(shù)學(xué)生能提到“瞬間正負(fù)電荷不重合”、“隨時會產(chǎn)生極性”等字樣，不再把微?？闯伸o止不動的存在。

“共價鍵與分子結(jié)構(gòu)”涉及的五個科學(xué)模型都是上世紀(jì)二十年代后期隨著量子力學(xué)理論的發(fā)展而建立起來的。量子力學(xué)是研究微觀粒子運動規(guī)律的科學(xué)，微觀粒子最顯著的特點是具有波粒二象性，即所謂的“行為詭異，難以捉摸”。因此，科學(xué)家基于實驗事實，通過分析、推理等方法認(rèn)識微觀世界的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)聯(lián)，建立了科學(xué)模型。通過本單元的整體教學(xué)，如果學(xué)生對科學(xué)模型有了科學(xué)的認(rèn)識，能應(yīng)用模型解釋通過科學(xué)技術(shù)手段測得的分子結(jié)構(gòu)，并能夠預(yù)測某些分子結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間建立聯(lián)系，那么，發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)的目標(biāo)就已基本達(dá)成。

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