基于模型認知指導有機化合物分子模型搭建活動和教學實施策略的研究

◇ 北京 秦 林 支 梅(正高級教師) 尚榮榮

《普通高中化學課程標準(2017年版)》提出化學學科核心素養中包括“證據推理與模型認知”,模型認知是指建立化學模型過程中的一種系統的思維過程,包含了理解、描述和表示模型,利用模型的功能預測、分析和解決問題,評價模型、構建模型等,通過模型認知深入理解和應用化學模型分析和解決化學問題.2017年版的課標中在多個模塊、不同欄目中提到了分子結構模型搭建活動,如表1所示.魯科版教材中也有相應的活動設置.

表1 2017年版課標中結構搭建活動建議欄目及描述

分子結構模型屬于實物模型,教學過程中模型的搭建可以幫助學生建立認識有機化合物分子結構的角度和思路,形成對有機化合物分子結構模型的認識.以下的教學實施策略分析中將主要以必修化學第二冊第三章第一節認識有機化合物(共3課時)的教學為例.

1 依據模型建構理論設計教學環節和教學過程

教學環節設置需要符合模型建構的過程,模型搭建活動一般包含以下教學環節:提供實物模型構成要素(球體和木棍),布置搭建任務→展開搭建活動獲取多種實物模型→展示、交流和質疑→提供科學實證,驗證模型的準確性→選擇或重新搭建合理的實物模型→完整表述模型,反思搭建思路→應用模型解決問題或構建新的模型(循環到初始環節).

動手搭建活動是學生調用原始模型,并對原始模型進行描述和選擇的過程.學生在原始模型的基礎上獲得多種實物模型;通過展示、交流、質疑建立初步的新模型;進一步查找證據,達成對模型的效化、分析與評估;通過科學實證,驗證模型的準確性,即模型的調度過程;確定正確模型,完整地表述模型及其要素間的關系,可達成模型的重建.以甲烷分子球棍模型的搭建活動為例,其教學環節、學生活動與模型建構過程匹配關系如表2所示.

表2 甲烷模型搭建的教學環節、學生活動與模型建構過程的匹配關系

這樣的教學環節可以設計成一節課,當一節課有多個搭建活動時,可再次循環,此時第一環節的模型將成為下一個活動過程中的原始模型之一.一個完整的認識模型可能需要單元教學設計來完成,每一節課建立的模型都將成為下一節課的原始模型,反復的建模過程也是舊模型的應用和新模型的建立過程.例如,在必修化學第二冊第三章第一節認識有機化合物3課時的教學過程中涉及了甲烷分子模型的搭建、2個碳原子和3個碳原子的烴的分子模型搭建、含其他原子的有機化合物分子模型的搭建、C4H10和C5H12分子模型的搭建等共6個搭建活動,6個搭建活動要求3課時完成,每課時都是對有機化合物分子結構模型的不斷建構過程.具體的搭建活動、認識角度與核心知識的匹配關系如表3所示.

表3 單元設計中搭建活動、認識角度與核心知識的匹配關系

通過多次分子結構搭建活動,梳理出認識有機化合物分子結構的角度和思路.認識角度:元素組成、碳骨架、官能團、化學鍵和空間構型.認識思路:觀察元素組成→分析不飽和度,判斷成鍵方式→搭建碳骨架→依據結構或性質信息確定官能團(種類、數目、位置)→依據碳四價原則補齊氫原子→根據化學鍵極性及化學鍵之間的相互影響,推斷合理的空間構型.

2 活動任務設置需強調多樣化的實物模型獲取和模型認知思維過程的展示

提供搭建模型要素后,要求學生盡可能多地搭建模型,并描述搭建思路.盡可能多地搭建模型是為了獲取多樣化的模型,探查學生在搭建過程中調用的模型原型和對原型的修正過程.描述搭建的思路是為了展示和診斷學生現有的認知思路,進一步提煉認識有機化合物結構的思路和角度.例如,在搭建甲烷分子結構模型時要求學生盡可能多地搭建結構,并描述搭建思路和甲烷分子的空間構型.學生描述搭建思路時會提到化學鍵的種類、數目(4個相同的C—H鍵)及化學鍵之間的關系(均勻分布在碳原子周圍),形成有機化合物分子結構認識思路的雛形.

3 依據有機化合物分子結構認識角度設置模型效化、分析和評價的問題

獲取多種實物模型后,需要通過展示、交流和質疑達成對模型的效化、分析和評價.多種實物模型對比分析和評估的環節可以依據有機化合物分子結構認識的角度來設置,如表4所示.

表4 體現認識角度的問題設置策略

4 設置模型搭建過程的反思活動,提煉有機化合物分子結構的認識思路

在教學中,可以設置兩次模型搭建過程的反思活動.第一次是實物模型搭建完成后,要求學生表述自己的搭建思路,可以診斷學生的認識思路和遇到的問題,建立初步的認識思路;第二次是完成模型的效化、分析、評估和調度后,進一步反思提煉模型搭建的過程,提煉完整的有機化合物分子結構的認識思路.

5 課堂總結中設置多維度梳理過程,強化過程與知識結論的匹配關系

在對比有搭建活動(實驗班)和沒有搭建活動(對比班)的兩個班的教學實施效果時發現,對比班學生對知識點的掌握情況高于實驗班.例如,在回答如何理解有機化合物的多樣性這一問題時,對比班的學生能夠回答同系物和同分異構體;實驗班的學生雖然不能回答出概念,但能夠表述碳原子的無限增加、碳原子存在不同的成鍵方式、相同分子式可以有不同的分子結構.因此在每節課的總結中,需要從認識思路、認識方式和知識獲得的角度全面梳理總結,同時強化過程與知識結論的匹配關系,提高知識理解和掌握知識結論兩個方面的教學實效.

培養模型認知素養,可以幫助學生建立系統的思維邏輯,深入理解化學科學模型,很好地使用模型解決問題,同時還能指導教師進行有效的教學設計,提高教學效率和學生的學習效果.