模型認知導向下化學學科核心素養的培養

張志欣

（福建省仙游第一中學，福建莆田 351200）

引 言

模型是重要的研究方式，在近代科學發展中具有非常重要的作用。在化學學科教學中，教師可通過構建相應的化學模型，幫學生更好地學習化學知識。因此，在模型認知引導下，教師應深入分析化學學科和核心素養的核心內涵，優化課堂活動設計，加強學生對核心素養的培養，從而提高課堂活動的有效性。

一、提出問題

隨著新課程改革的不斷推進，教育部考試中心提出了“價值引領、素養導向、能力為重、知識為基”的命題理念。如何在課堂教學中落實立德樹人、發展素質教育、培養學生的核心素養已成為高中一線教師的重要研究課題。筆者結合多年教學經驗，就如何借助模型認知培養學科核心素養，提出一些個人建議，以供參考。

二、模型認知的內涵與作用

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中將化學學科核心素養分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”五個維度，它們各有側重，又相互補充、相互促成。模型認知通過模型對化學研究領域的研究結果加以解釋或描述，是一種簡化、直觀的描述方式，也是研究化學的基本思維方法。合理建立和運用模型是學生實現知識遷移、解決問題、突破創新的重要抓手[1]。學生只有掌握了科學的思維方法，才能在研究物質的變化過程中，更深入地理解物質及其變化規律和本質；加深對宏觀現象與內在本質的聯系的理解，將抽象的概念具體化，理解物質微觀結構與性質的關系；發展證據推理和數據加工能力；突破原有認知局限，在新情境中運用所學知識解決相關問題，真正落實學科素養的培育。因此，模型認知在學生學習過程中的思維導向和支撐作用是不可忽略的。

三、模型認知在課堂教學中的實踐

（一）依托思維模型，滲透變化觀念

與初中化學相比，高中化學知識不僅內容更多，難度和深度也有所增加。元素化合物作為高考考查的必備知識之一，在教材的編排上較為分散，知識點之間的聯系較少，導致學生難以掌握不同物質之間的聯系及其轉化規律。在日常教學中，教師要引導學生按照一定的知識主線進行知識歸類，構建知識點之間的聯系，掌握不同物質之間的轉化規律[2]。而價類二維圖作為一種能夠體現物質類別與反應規律的思維模型，在模型構建和使用中，恰好能幫助學生完善知識體系、掌握物質的轉化規律，最終達到培養學生元素觀、分類觀及轉化觀等學科素養的目的。

以“硫和含硫化合物的相互轉化”的教學為例，教師可引導學生分析硫元素常見的化合價，列舉各種價態的代表性物質，將所列的各種代表性物質按類別進行分類，自主構建“價類二維關系圖”，如圖1所示。

圖1

通過建構價類二維圖，學生可以將硫及其化合物整合成一個知識體系。然后，教師要讓學生以不同物質為原料，設計不同的實驗方案來制備新物質。例如，在二氧化硫的制備中，學生要清楚地抓住兩條主線：①同種價態不同類別物質的轉化，實現Na2SO3→H2SO3→SO2之間的轉化；②不同價態含硫化合物的轉化，實現濃H2SO4→SO2或S（H2S、Fe2S）→SO2之間的轉化。通過分析轉化的條件及實驗所需設備，學生能夠深入理解酸堿反應規律、氧化還原反應規律，發展自身的分類觀念和變化思想。如此，學生在建立“價類二維圖”模型過程中，不僅可以掌握元素及其化合物的性質與用途，提升化學學科素養，還能認識到化學建模在學習元素化合物知識中的作用和重要性，使自身知識與技能兩個方面均得到提升，從而感受到化學的魅力。

（二）運用實物模型，促進宏微結合

化學是在原子、分子等微觀層次研究物質組成、性質、結構及其應用的一門自然學科，其特征是從微觀層次認識物質，具有較強的抽象性。在教學過程中，教師可采用抽象概念具體化的建模思想優化概念教學，將抽象的微觀結構通過圖片、動畫及實物模型等方式進行展現，由此將微觀的化學結構直觀化、宏觀化，降低理解難度，讓學生的學習變得有形化和簡單化，使其更好地理解與掌握化學知識，同時培養宏觀辨識與微觀探析能力[3]。

例如，在必修一“電解質概念”的學習中，學生已經知道了NaCl 晶體熔融狀態下能導電，而HCl 晶體則不能。但深究其原因，學生不甚了解。而在學習了化學鍵及晶體類型后，學生可以借助晶體模型發現，在熔融狀態時，NaCl 晶體中的離子鍵被破壞，產生了自由移動的Na+和Cl-，具備了導電的條件；而HCl 晶體熔融時，由固態HCl 變成了液態的HCl，拉大了HCl 分子間的距離，破壞了分子間作用力，但HCl 分子結構并沒有變化，體系中并不存在自由移動的帶電粒子，因而不能導電。借助晶體模型，學生實現了導電這一宏觀性質與微觀結構之間的良好結合，強化了結構決定性質這一特有的化學觀念。

在同分異構體的教學中，教師可以借助于球棍模型，在學生了解了甲烷的結構基礎上，要求學生增加C 原子的個數，從甲烷演變為乙烷、丙烷乃至丁烷，學生會驚奇地發現到丁烷時，出現了兩種不同的連接方式，這樣就自然而然地建立了同分異構的概念。同樣，學生借助模型也可以發現二氯甲烷只有一種結構。這種抽象概念具體化的建模教學，有助于提升學生的微觀探析能力。

（三）建立化學模型，培養證據推理意識

化學是一門基于實驗的自然科學。通過對實驗現象的認真觀察和對實驗數據的詳細分析處理，去偽存真，建立符合化學反應本質的學科模型，是研究化學的常用方法[4]。也就是說，模型是在合理的證據推理的基礎上建立起來的。在模型建立的過程中，學生的證據推理意識和能力能夠得到很好的培養。

以原電池模型建立為例，由于學生具有“電荷定向移動形成電流”和“氧化還原反應中有電子轉移”的認知基礎，教師可以讓學生思考：“如何讓氧化還原反應中的電子發生定向移動從而形成電流，讓化學能轉化為電能？”同時提供銅片、鋅片、碳棒、導線、水果、稀硫酸、硫酸銅溶液等儀器和藥品，讓學生開展實驗探究，并基于實驗事實，得出形成原電池的條件；根據銅片或碳棒上產生氣泡的現象，推理得出鋅片失去的電子移向銅片或碳棒并被H+所得，再用電流計檢驗電流的產生；將電解質改為硫酸銅，觀察兩極附近溶液顏色的變化，得出溶液中離子移動的方向等實驗事實，并形成證據推理，構建原電池模型。

（四）完善化學模型，培養創新能力

建模作為科學性與假定性的辯證統一體，不僅要接受實踐的檢驗，還要在實踐中不斷改進、糾正與擴充[5]。要想通過模型認知培養學生的學科素養，教師在指導學生建構與完善模型的過程中，就要充分利用現有的素材與資源創設情境，盡量啟發其感性思維，助推其進行化學模型的建構，發展其創新意識與尊重事實的科學素養，并鍛煉他們的思維概括能力，從而推動化學學科核心素養的培養[6]。

例如，學生基于對銅鋅原電池的結構、電荷移動方向和化學反應的分析，抽象構建出了最原始的原電池模型。這時，教師可設計一些新的問題情境，激發學生分析、解決問題的興趣，并完善模型。

問題1：鐵生銹被腐蝕實際上是發生了原電池反應，請同學們回顧初中化學中鐵生銹的條件并結合“銅鋅原電池”模型，探究鐵被腐蝕的電化學原理。

問題2：已知H2的熱值很高，請設計實驗實現2H2+O2=2H2O這一反應中化學能向電能的轉化，實現氫能的利用。

問題3：如何避免單液電池中氧化劑與還原劑直接接觸而造成的能量損失？

學生通過結合原電池模型，分析鐵在生銹過程中得失電子的情況，由溶液中的陽離子在正極得到電子的認識上升到溶解在水中的氧氣得到電子這一新的認識上，初步建立氧電極的雛形。在此基礎上，學生自然能夠建立氫電極的模型，實現氫氧燃料電池的設計，明白電極材料可以不作為電極反應物、可以是同種金屬(Pt)或石墨，明白電極反應物可以是外界通入的一組可以進行燃燒反應的氣體。如何避免氧化劑與還原劑直接接觸？這一問題必然會促使學生思考雙液電池、離子交換膜的使用原理。一系列組合問題，促進了學生思維的發展，讓學生感受到探究過程的復雜性，并在情境中建構、完善化學模型，培養了他們的創新能力。

結 語

在高中化學教學活動中，教師充分借助模型認知方法，能夠幫助學生理解事物及其變化的本質特征和規律，解釋或描述有關的化學現象，預測物質間的變化結果；通過構建化學模型，為學生提供解決復雜的化學問題的思路和方法，提高他們分析和解決問題的能力；通過建構化學模型，加深學生對化學知識與現實生活之間聯系的認識，全面培養他們的化學學科素養，使其掌握解決化學問題的技巧與思路，讓他們深化理解所學內容并學會實踐運用。