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(jià)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(dòng)性問題與學(xué)生活動(dòng)的設(shè)計(jì)，課堂即時(shí)評(píng)價(jià)全程跟進(jìn)。后測(cè)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(jià)鍵; 分子結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)： 10056629（2022）09003505

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(duì)“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(shí)研究對(duì)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(yùn)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(duì)學(xué)生而言，“模型認(rèn)知”包括運(yùn)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(yùn)用模型方法，通過建構(gòu)模型分析解決問題等[2]。“共價(jià)鍵與分子結(jié)構(gòu)”內(nèi)容涉及的共價(jià)鍵模型、雜化軌道理論、價(jià)層電子對(duì)互斥理論（以下簡(jiǎn)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(shí)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(shí)到模型和研究對(duì)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(shí)思維，打通知識(shí)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(duì)化學(xué)核心知識(shí)和學(xué)科思想方法的深刻理解，實(shí)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(jià)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(shí)教學(xué)目標(biāo)、依托情境素材設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)性問題和學(xué)生活動(dòng)、全程進(jìn)行診斷與評(píng)價(jià)等。下面以2020年版魯科版教材“共價(jià)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(jì)過程。

1 深入解讀課標(biāo)及教材，確定教學(xué)單元

“共價(jià)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(gè)主題，著重突出結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，同時(shí)也強(qiáng)調(diào)了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法與價(jià)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(duì)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(duì)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(gè)相對(duì)獨(dú)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(gè)相對(duì)完善的知識(shí)體系，可以另成一個(gè)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(jià)鍵模型（價(jià)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(jià)鍵與分子結(jié)構(gòu)”。單元知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系如圖2所示。

原子之間通過共價(jià)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(cè)分子的空間結(jié)構(gòu)。共價(jià)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(diǎn)、溶解性等）。整個(gè)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(jià)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(duì)模型尚缺乏科學(xué)的認(rèn)識(shí)，不能時(shí)刻意識(shí)到模型是科學(xué)家為了認(rèn)識(shí)世界中的特定對(duì)象（原型）而構(gòu)想出來用于表征目標(biāo)對(duì)象的一種簡(jiǎn)化、抽象或近似的描述[4]，常把“模型”與“研究對(duì)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(jì)算中心原子周圍的價(jià)電子對(duì)數(shù)時(shí)，多重鍵為什么只計(jì)其中的σ鍵電子對(duì)，不計(jì)π鍵電子對(duì)？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(shí)體。基于上述學(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(jià)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(shí)目標(biāo)。例如，對(duì)于共價(jià)鍵模型，課時(shí)目標(biāo)是： （1）知道共價(jià)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(jià)鍵的形成過程，說出共價(jià)鍵的實(shí)質(zhì);會(huì)識(shí)別σ鍵和π鍵;能結(jié)合H2O、 NH3等具體實(shí)例論證共價(jià)鍵的飽和性和方向性;（2）能運(yùn)用共價(jià)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(jià)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(shí)目標(biāo)制定參照共價(jià)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(jì)問題和活動(dòng)

制定了教學(xué)目標(biāo)，就有了方向。教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需通過每一課時(shí)進(jìn)行落實(shí)。而在每一課時(shí)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(shí)的問題情境。重視真實(shí)問題情境的運(yùn)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(shí)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(yàn)或者熟悉的事實(shí)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(jì)驅(qū)動(dòng)性問題，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲或引發(fā)其認(rèn)知沖突;同時(shí)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)性問題相匹配的學(xué)生活動(dòng)，讓學(xué)生在活動(dòng)的體驗(yàn)過程中認(rèn)識(shí)模型、理解模型，最終會(huì)應(yīng)用模型解釋客觀事實(shí)。

圖4呈現(xiàn)了本單元的課時(shí)內(nèi)容、情境素材、設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)性問題以及學(xué)生活動(dòng)。

5課時(shí)的內(nèi)容緊緊圍繞本單元先后呈現(xiàn)的五個(gè)科學(xué)模型展開，考慮到知識(shí)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(jià)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(gè)課時(shí)既相對(duì)獨(dú)立，又彼此關(guān)聯(lián)。整個(gè)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(cè)定，也可通過VSEPR、氫鍵等科學(xué)模型預(yù)測(cè)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(dòng)性問題直接指向科學(xué)模型的價(jià)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(jià)鍵模型，知道共價(jià)鍵是原子間通過共用電子對(duì)形成的化學(xué)鍵。但是，原子之間為什么要進(jìn)行電子配對(duì)？學(xué)生只知其然不知其所以然。第1課時(shí)，直奔主題，驅(qū)動(dòng)學(xué)生思考電子配對(duì)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(qiáng)烈的求知欲旋即產(chǎn)生。為什么水分子中H和O個(gè)數(shù)比為2∶1？為什么H2O不是直線型分子？?jī)蓚€(gè)問題直接指向共價(jià)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(jià)鍵相比，范德華力與氫鍵的強(qiáng)度怎樣？是否也有飽和性和方向性？第5課時(shí)的這些問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生去思考微粒間相互作用的相通之處，共價(jià)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(jià)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。可見，驅(qū)動(dòng)性問題是學(xué)習(xí)和思考的起點(diǎn)，也是課時(shí)指向的目標(biāo)與歸宿。

學(xué)生活動(dòng)的設(shè)計(jì)圍繞著驅(qū)動(dòng)性問題的解決，本單元主要分為對(duì)模型的理解和應(yīng)用。指向模型理解的學(xué)生活動(dòng)有： 圖4中課時(shí)1（1）（2）、課時(shí)2（1）、課時(shí)3（1）及課時(shí)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(gè)磁力棒圍繞一個(gè)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(jià)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(jià)鍵的形成對(duì)方向性的要求那么高[6]）。其余的學(xué)生活動(dòng)則指向模型應(yīng)用，用科學(xué)模型預(yù)測(cè)、解釋分子結(jié)構(gòu)及物質(zhì)的性質(zhì)。對(duì)學(xué)生來說，理解科學(xué)模型是一個(gè)輸入過程，理性思維之前最好要先有感性認(rèn)識(shí)，因此設(shè)計(jì)的多是觀察思考、動(dòng)手體驗(yàn)類活動(dòng);而應(yīng)用科學(xué)模型是一個(gè)輸出過程，主要參照課標(biāo)的“學(xué)業(yè)要求”進(jìn)行設(shè)計(jì)，多為口頭表達(dá)與動(dòng)手書寫類活動(dòng)，緊跟在指向模型理解的學(xué)生活動(dòng)之后，以診斷學(xué)生對(duì)模型的掌握情況。設(shè)計(jì)學(xué)生活動(dòng)時(shí)考慮了學(xué)生的心理發(fā)展進(jìn)階，例如課時(shí)3的四個(gè)活動(dòng)： 先拼搭磁力棒以理解VSEPR模型的要素;接下來預(yù)測(cè)能夠?qū)懗鲭娮邮降奈⒘５慕Y(jié)構(gòu);然后結(jié)合計(jì)算預(yù)測(cè)較復(fù)雜微粒的結(jié)構(gòu);最后既預(yù)測(cè)又解釋微粒的結(jié)構(gòu)和組成。學(xué)生活動(dòng)由感性到理性，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，循序漸進(jìn)，逐漸增強(qiáng)學(xué)生的獲得感和自信心。

4 即時(shí)評(píng)價(jià)，促進(jìn)“模型認(rèn)知”素養(yǎng)提升

新課標(biāo)提倡實(shí)施“教、學(xué)、評(píng)”一體化，有效開展日常學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)[8]，還特別強(qiáng)調(diào)發(fā)揮評(píng)價(jià)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。可見，評(píng)價(jià)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(shí)評(píng)價(jià)是最直接、最便捷的評(píng)價(jià)形式，是“教、學(xué)、評(píng)”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(píng)價(jià)和促進(jìn)呢？

由圖4可以看出，在“共價(jià)鍵與分子結(jié)構(gòu)”單元整體教學(xué)過程中，設(shè)計(jì)的活動(dòng)包括“描述、論證、解釋、書寫、拼搭、實(shí)驗(yàn)”，需要學(xué)生高頻次地動(dòng)手操作、動(dòng)腦思維和動(dòng)口表達(dá)。活動(dòng)中學(xué)生的情意態(tài)度可以被觀察、感知;表達(dá)、書寫與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以被診斷與評(píng)價(jià)。作為教學(xué)活動(dòng)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(bǔ)救性調(diào)整;通過點(diǎn)人上臺(tái)板演，可以使典型問題聚焦放大，并鼓勵(lì)同伴互評(píng)互助。在師生和生生多輪次的交互碰撞中，在教師獲得及時(shí)反饋后的進(jìn)一步點(diǎn)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(duì)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(cè)中呈現(xiàn)了前文提及的三個(gè)問題： 乙烯分子中的C原子為什么不采取sp3雜化方式？計(jì)算中心原子周圍的價(jià)電子對(duì)數(shù)時(shí)，多重鍵為什么只計(jì)其中的σ鍵電子對(duì)，不計(jì)π鍵電子對(duì)？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(duì)于第一個(gè)問題，92%的學(xué)生達(dá)成共識(shí)： 首先承認(rèn)乙烯為平面結(jié)構(gòu)的事實(shí)，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(shí)。對(duì)于第二個(gè)問題，75%的學(xué)生能關(guān)聯(lián)到第3課時(shí)開始圍繞一個(gè)磁力球拼搭磁力棒的活動(dòng)，兩棒一球?yàn)橹本€形，三棒一球?yàn)槠矫嫒切危陌粢磺驗(yàn)檎拿骟w，五棒一球?yàn)槿请p錐，六棒一球?yàn)檎嗣骟w（如圖5所示）。中心原子周圍幾“堆”電子，就像幾個(gè)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(gè)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(duì)“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(yàn)?zāi)Ｐ蚚10]，只有不計(jì)π鍵電子對(duì)時(shí)才能與事實(shí)吻合。

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

第三個(gè)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(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行了生動(dòng)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(shí)會(huì)產(chǎn)生極性”等字樣，不再把微粒看成靜止不動(dòng)的存在。

“共價(jià)鍵與分子結(jié)構(gòu)”涉及的五個(gè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)，微觀粒子最顯著的特點(diǎn)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(shí)驗(yàn)事實(shí)，通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)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(duì)科學(xué)模型有了科學(xué)的認(rèn)識(shí)，能應(yīng)用模型解釋通過科學(xué)技術(shù)手段測(cè)得的分子結(jié)構(gòu)，并能夠預(yù)測(cè)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。

參考文獻(xiàn)：

[1][5][8]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2020： 4， 74， 90.

[2][4]吳星等. 化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中“模型認(rèn)知”的解讀[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （6）： 3～8.

[3]胡久華. 以深度學(xué)習(xí)促核心素養(yǎng)發(fā)展的化學(xué)教學(xué)[J]. 基礎(chǔ)教育課程， 2019， （2）： 70～78.

[6][7]陳光巨等. 普通高中教科書·物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)[M]. 濟(jì)南： 山東科學(xué)技術(shù)出版社， 2020： 37， 45～47.

[9]趙春梅， 陸艷. 高中化學(xué)課堂“教、學(xué)、評(píng)”一體化的實(shí)踐問題與策略思考[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （6）： 37～41.

[10]華彤文等. 普通化學(xué)原理（第4版）[M]. 北京： 北京大學(xué)出版社，2018： 290.