基于核心素養(yǎng)的高中化學(xué)建模教學(xué)分析

郭春波

為落實(shí)立德樹人的根本要求,高中化學(xué)教學(xué)應(yīng)重視學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng),完成學(xué)科育人的基本要求。開展高中化學(xué)建模教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生建模和分析,能夠充分發(fā)揮學(xué)生想象力和培養(yǎng)學(xué)生思考力,有助于學(xué)生化學(xué)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(xué)建模教學(xué)方法,能夠有效推動學(xué)生的全面發(fā)展。

一、明確建模教學(xué)目標(biāo),提高學(xué)生核心素養(yǎng)

在現(xiàn)代科學(xué)中,建模是學(xué)科學(xué)習(xí)需要掌握的重點(diǎn)方法,同時(shí)也是高中生應(yīng)當(dāng)掌握的基本科學(xué)探究能力。按照新課程改革要求,培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng),要使學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)形成適應(yīng)個(gè)人和社會發(fā)展需要的解決問題的關(guān)鍵能力和必備品格。在高中化學(xué)學(xué)習(xí)方面,要求學(xué)生形成證據(jù)推理、模型認(rèn)知等學(xué)科素養(yǎng),即將化學(xué)事實(shí)當(dāng)成證據(jù)完成推理論證,獲得相應(yīng)結(jié)論,并在認(rèn)識化學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)、構(gòu)成要素及相關(guān)關(guān)系基礎(chǔ)上構(gòu)建認(rèn)知模型,為復(fù)雜化學(xué)問題的解答提供思考框架和方法[1]。為此,學(xué)生應(yīng)通過生活和實(shí)驗(yàn)等場景分析物質(zhì)變化事實(shí),完成證據(jù)定性或定量收集,并據(jù)此提出假設(shè),尋求驗(yàn)證途徑。根據(jù)證據(jù)實(shí)施對假設(shè)證實(shí)或證偽,能夠?qū)⒆C據(jù)與結(jié)論的關(guān)系理清。根據(jù)現(xiàn)象和模型關(guān)系,能夠結(jié)合物質(zhì)及其變化等信息完成模型構(gòu)建、評價(jià)和修正,通過模型對物質(zhì)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)等變化進(jìn)行推測,進(jìn)一步提高模型認(rèn)識。在高中化學(xué)教學(xué)中,通過建模方法引導(dǎo)學(xué)生分析化學(xué)問題,能夠加強(qiáng)學(xué)生認(rèn)知思維能力,引導(dǎo)學(xué)生通過問題表征查找認(rèn)知體系中是否存在匹配模型,學(xué)會運(yùn)用模型或建立模型解決問題[2]。在教師引導(dǎo)下建立化學(xué)認(rèn)知模型,推理和解析化學(xué)問題,可以使學(xué)生形成建模思維和問題意識,掌握化學(xué)推理和論證方法,提高解題效率的同時(shí),促進(jìn)學(xué)生理解能力、思考能力的發(fā)展,達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

二、遵循化學(xué)建模原則,合理開展教學(xué)活動

通過建模教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng),要遵循建模原則,科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)程序,并運(yùn)用驅(qū)動策略保證教學(xué)活動順利進(jìn)行,為教學(xué)目標(biāo)達(dá)成提供保障。在教學(xué)設(shè)計(jì)方面,首先,應(yīng)遵循自主建構(gòu)原則,將培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)當(dāng)成是目標(biāo)開展基礎(chǔ)教育活動,引導(dǎo)學(xué)生自主思考和學(xué)習(xí)。例如,在學(xué)習(xí)“碳酸鈉和碳酸氫鈉”時(shí),不同于過去側(cè)重講解兩種物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)等知識,遵循自主建構(gòu)原則,可以先拋出辨別實(shí)驗(yàn)室中兩種無色溶液的問題,引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合相關(guān)信息完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程驗(yàn)證,學(xué)會主動構(gòu)建模型和學(xué)習(xí)知識。其次,應(yīng)遵循直觀簡潔原則,運(yùn)用建模思維將復(fù)雜化學(xué)知識進(jìn)行簡化,直觀呈現(xiàn)各種知識間的關(guān)系。化學(xué)模型帶有直觀性特點(diǎn),能夠?qū)?fù)雜內(nèi)容簡潔化處理,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)欲望的同時(shí),方便學(xué)生理解。如對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)原理等關(guān)系進(jìn)行呈現(xiàn),應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生使用圖像、實(shí)物等模型,為學(xué)生建立完整知識結(jié)構(gòu)體系奠定扎實(shí)基礎(chǔ),確保學(xué)生達(dá)成模型認(rèn)知等核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。最后,應(yīng)遵循全面發(fā)展原則,在引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)和運(yùn)用模型的過程中,時(shí)刻關(guān)注學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)發(fā)展情況,對學(xué)生信息收集、分析推理、整理歸納等各方面能力進(jìn)行培養(yǎng)。化學(xué)教學(xué)不僅需要指導(dǎo)學(xué)生建立模型,還應(yīng)融合化學(xué)問題對學(xué)生模型分析、改進(jìn)等能力進(jìn)行考查,確保學(xué)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(xué)思路,科學(xué)設(shè)計(jì)建模程序

首先,應(yīng)結(jié)合教材內(nèi)容明確教學(xué)目標(biāo),理清教學(xué)思路,建立化學(xué)模型體系。例如,在學(xué)習(xí)“化學(xué)反應(yīng)原理”這一單元的內(nèi)容時(shí),教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生通過理解化學(xué)反應(yīng)機(jī)理掌握反應(yīng)發(fā)生的本質(zhì)原因,培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維的同時(shí),引導(dǎo)學(xué)生形成環(huán)保等意識。從教材內(nèi)容組成上來看,包含化學(xué)能與熱能、化學(xué)反應(yīng)速度和限度、電解質(zhì)溶液微觀變化、電化學(xué)四部分內(nèi)容。而根據(jù)教學(xué)重難點(diǎn),能夠完成模型分類,得到對應(yīng)的單元教學(xué)模型,如表1 所示。通過整體性分析,可以圍繞重難點(diǎn)合理運(yùn)用各種化學(xué)模型,完成教學(xué)思路的整體規(guī)劃,確保設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容和教材板塊對應(yīng)。

表1 “化學(xué)反應(yīng)原理”化學(xué)學(xué)習(xí)模型

其次,圍繞教學(xué)目標(biāo)完成建模活動設(shè)計(jì),以任務(wù)分配等形式促使學(xué)生主動參與教學(xué)活動。為引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)模型,還應(yīng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)具體化處理,可以利用實(shí)物模型對抽象化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行直觀化展示。例如,學(xué)習(xí)“分子和原子”時(shí),可以安排學(xué)生利用各種顏色廢紙揉捏成多個(gè)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(xué)生可以探索如何運(yùn)用化學(xué)符號完成分子多重表征,初步認(rèn)識模型的同時(shí),把握化學(xué)知識與實(shí)踐生活的聯(lián)系,深刻體會化學(xué)知識的重要性。將建模看成是科學(xué)探究活動,可以激發(fā)學(xué)生的探究欲望,通過實(shí)驗(yàn)等方式完成證據(jù)收集和推理。例如,在學(xué)習(xí)“金屬鈉與硫酸銅反應(yīng)”時(shí),學(xué)生聯(lián)系之前學(xué)習(xí)的知識將判斷二者發(fā)生置換反應(yīng),意味著學(xué)生將完成模型選擇。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生驗(yàn)證模型,開展將小塊鈉投入硫酸銅和鹽酸溶液的實(shí)驗(yàn),完成模型檢驗(yàn)。通過觀察實(shí)驗(yàn)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(lán)色絮狀物,可以得到“鈉先和水發(fā)生反應(yīng),生成氫氧化鈉后與硫酸銅反應(yīng),最終產(chǎn)生氫氧化銅沉淀物”的結(jié)論,達(dá)到模型修正目標(biāo)。

四、運(yùn)用教學(xué)驅(qū)動策略,增強(qiáng)學(xué)生推理欲望

在化學(xué)建模教學(xué)活動設(shè)計(jì)中,師生是教學(xué)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(qū)動策略調(diào)動學(xué)生主動性,使學(xué)生與教師、學(xué)習(xí)內(nèi)容有效互動,才能有效培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。一方面,教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境,使學(xué)生在問題探究中建立和完善模型。教師選擇與學(xué)生生活息息相關(guān)的場景,能夠激發(fā)學(xué)生興趣,從專業(yè)化學(xué)視角探尋問題,加深化學(xué)知識和模型認(rèn)知素養(yǎng)的關(guān)聯(lián)。例如,學(xué)習(xí)“氮的循環(huán)”時(shí),可以結(jié)合“雷雨發(fā)莊稼”情境指導(dǎo)學(xué)生探尋氮元素物質(zhì)家族,基于“價(jià)-類”二維模型探尋氮元素如何由游離態(tài)轉(zhuǎn)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(xué)生也能自主嘗試建立模型,運(yùn)用化學(xué)知識解決問題。另一方面,教師應(yīng)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動性,督促、引導(dǎo)學(xué)生提出問題、假設(shè)、猜想后才能自主收集證據(jù),進(jìn)行分析推理,通過開展大量思維活動,豐富模型認(rèn)知,完成知識內(nèi)化和遷移應(yīng)用,達(dá)到核心素養(yǎng)發(fā)展要求。例如,在學(xué)習(xí)“乙醇的結(jié)構(gòu)”時(shí),比較乙烷和乙醇的化學(xué)分子式,能夠發(fā)現(xiàn)乙醇分子僅多了一個(gè)氧原子。安排學(xué)生開展搭建乙醇模型的任務(wù),學(xué)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(gè)碳原子間、氧原子連接在一個(gè)碳?xì)滏I上等不同的模型。根據(jù)各自的猜想,學(xué)生將嘗試設(shè)計(jì)鈉與乙醇反應(yīng)等實(shí)驗(yàn),根據(jù)收集的實(shí)驗(yàn)證據(jù),最終判斷乙醇化學(xué)分子結(jié)構(gòu)。

五、發(fā)揮模型持續(xù)作用,提高學(xué)生模型認(rèn)識

為逐步加深學(xué)生對模型的認(rèn)識,使學(xué)生形成模型分析和運(yùn)用能力,教師應(yīng)關(guān)注模型認(rèn)知發(fā)展的持續(xù)性,通過教學(xué)一體化評價(jià)引導(dǎo)學(xué)生不斷豐富模型思維。例如,學(xué)習(xí)“鐵及其化合物”時(shí),為使學(xué)生形成系統(tǒng)化認(rèn)識,在學(xué)生利用“價(jià)-類”認(rèn)知模型完成相關(guān)元素化合物學(xué)習(xí)后,教師可以提供陌生元素及其化合物學(xué)習(xí)任務(wù),檢驗(yàn)學(xué)生能否運(yùn)用模型完成相關(guān)知識學(xué)習(xí)。以新課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo),從學(xué)生知識掌握情況、技能運(yùn)用、情感體驗(yàn)等各方面進(jìn)行評價(jià),可以將學(xué)生學(xué)習(xí)過程與教學(xué)評價(jià)緊密結(jié)合,完成學(xué)情診斷的同時(shí),對建模教學(xué)效果進(jìn)行反饋。例如,學(xué)習(xí)“氮元素物質(zhì)家族”時(shí),應(yīng)確認(rèn)學(xué)生能否從“價(jià)-類”兩個(gè)角度對氮元素物質(zhì)進(jìn)行探尋和歸類整理,利用二維模型完成物質(zhì)轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和推理論證,最終形成物質(zhì)性質(zhì)與轉(zhuǎn)化的認(rèn)知模型。通過持續(xù)性評價(jià),可以指引學(xué)生完成模型認(rèn)知思維發(fā)展,從單純關(guān)注微粒物質(zhì)逐步向關(guān)注微粒間相互作用類型的物質(zhì)分類方向轉(zhuǎn)變,繼而能夠根據(jù)共價(jià)鍵的鍵能等對分子化學(xué)鍵強(qiáng)弱、空間結(jié)構(gòu)等進(jìn)行描述[4]。

六、開展建模教學(xué)實(shí)踐,科學(xué)實(shí)施課程教學(xué)

為探尋高中化學(xué)建模教學(xué)實(shí)施方法,以人教版選修教材中的“原電池”為例,對教學(xué)過程和效果展開分析。通過對教材內(nèi)容的分析可知,學(xué)生之前已經(jīng)通過高中化學(xué)必修教材了解鋅銅原電池的原理、構(gòu)成等內(nèi)容,掌握了化學(xué)能與熱能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)理論,可以進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)探究。在教學(xué)中為引導(dǎo)學(xué)生從微觀層面出發(fā),深入理解原電池原理,可以結(jié)合工業(yè)場景介紹鹽橋原電池結(jié)構(gòu),通過建立相應(yīng)認(rèn)知模型完成思維進(jìn)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(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)找出雙液原電池正負(fù)極,確定電極棒上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建模,能夠使學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究,分階段完成雙液原電池模型構(gòu)建,運(yùn)用化學(xué)專業(yè)知識解決實(shí)踐問題。表2 所示為學(xué)生的認(rèn)知模型進(jìn)階過程。

表2 學(xué)生“原電池”認(rèn)知模型進(jìn)階

在教學(xué)活動中,首先設(shè)計(jì)教學(xué)導(dǎo)入環(huán)節(jié),拿出學(xué)生常見的各種電池,創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生回想之前學(xué)習(xí)的知識,認(rèn)識到電池實(shí)際就是通過化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。在此基礎(chǔ)上,教師提出“原電池將發(fā)生怎樣的化學(xué)反應(yīng)?”“離開電子轉(zhuǎn)移,電池中是否還有電流?”等問題。根據(jù)已有知識,學(xué)生能夠推理出發(fā)生電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)為氧化還原反應(yīng),嘗試設(shè)計(jì)鋅與硫酸銅溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中,學(xué)生將記錄電流表的數(shù)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(xué)生將進(jìn)一步分析原因。在學(xué)生開展學(xué)習(xí)活動過程中,教師應(yīng)適時(shí)干預(yù),指導(dǎo)學(xué)生合理建模。如圍繞鋅和硫酸銅反應(yīng)建立原電池圖像模型,教師可以提出“反應(yīng)過程中溶液溫度升高了嗎?”等相關(guān)問題,引發(fā)學(xué)生思考。以小組為單位,學(xué)生可以討論相關(guān)問題,思考原電池反應(yīng)與之前學(xué)習(xí)的電池反應(yīng)差異,思考現(xiàn)象成因。通過系統(tǒng)分析,部分學(xué)生認(rèn)為“原電池中只要發(fā)生化學(xué)反應(yīng),電流不會發(fā)生過大起伏”,部分學(xué)生認(rèn)為“部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能,導(dǎo)致溶液溫度升高”。學(xué)生建模后,教師從原電池電解質(zhì)溶液物質(zhì)成分、電極成分等角度與學(xué)生討論,能夠幫助學(xué)生完善圖像模型和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｗ詈蠼處熆梢蕴岢觥胞}橋電池構(gòu)成特點(diǎn)是什么?”等問題,引導(dǎo)學(xué)生思考和總結(jié),確認(rèn)自身在化學(xué)學(xué)習(xí)中存在的不足,做到及時(shí)改進(jìn)。

為了更好地開展高中化學(xué)建模,提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng),教師要加強(qiáng)對學(xué)生的引導(dǎo),幫助學(xué)生逐步形成建模能力,確保學(xué)生可以通過模型構(gòu)建、分析、運(yùn)用等方法完成化學(xué)問題推理和解答。在高中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐中,教師還應(yīng)運(yùn)用建模教學(xué)模式完成情境設(shè)置,促使學(xué)生自主嘗試運(yùn)用類別、假設(shè)等方法建立模型,并借助文字、圖形等方式進(jìn)行表達(dá)。結(jié)合化學(xué)問題對模型進(jìn)行分析,把握模型與問題間的聯(lián)系,通過應(yīng)用模型深層次分析問題,使學(xué)生形成建模思想和論證能力,最終達(dá)成培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)的要求。