淺談核心素養視域下高中化學建模能力的培養*

李秀珍

（福建省清華大學附屬中學福州學校 福建福州 350000）

引言

進入高中階段，化學知識變得愈發繁雜，學生之所以認為學習困難主要是因為很難轉化成知識體系，若想實現知識的體系化與結構化，化學教師應基于核心素養培養要求，在課堂教學中輔助學生從多維度進行建模，從而將無序的知識表面構建為科學體系?？傊?，通過建模教學，一方面讓抽象的化學知識更加形象化，提高學生知識學習的主動性，另一方面在教學中重視思維發展過程，增強學生理解化學知識的能力、化學建模能力，而通過模型開展教學活動也可以提升整體教學質量。

一、建模教學重要作用

1.化學知識更具結構化，推動學生思維發展

進行建模教學引導學生通過已經掌握的經驗知識，解決新問題，在此過程中整合原本碎片化的化學知識，依據形成的化學模型將新知識推導出來。雖然學生已具備的建?；A相對薄弱，可是在教學過程中憑借教師的科學引導，會大大激發其建模潛力。一方面學生能在模型建構中主動參與，另一方面和個人認知規律相符。學生在新情境中找出并提出問題，再進行思維整合總結出個人想法，在和小組成員合作交流后將問題妥善處理。學生在建模學習中，應對設計模型加以不斷思考及完善，這樣不僅能提高學生的思維認知能力，并且和化學核心素養培養要求相符[1]。

2.調動學生化學學習的積極性

教師在課堂中扮演“引導者”的角色，將學生的主體性凸顯出來，通過趣味的化學探究實驗，利用思維建模及設計模型處理新問題，因為學生作為主角，會擁有較高的課堂參與度?？傊?，建模教學通過問題情境創設、趣味化學實驗等方式能夠激發學生學習興趣，提高學生的化學成績。

二、建模教學基本原則

化學模型以及化學建模屬于不同的兩個概念?；瘜W建模，主要指的是化學模型構建的一個過程，至于化學模型則是思維化學建模的最后結果與主要目的，雙方之間的關系是密不可分的。而且建模過程較為復雜：（1）依據實際情境選擇研究的相關問題；（2）設定假設；（3）依據“抓主放次”原則建立初步的化學模型；（4）依托實踐檢驗模型，尋找其中的不足之處；（5）進一步修改構建的化學模型并加以檢驗；（6）建立最合適的模型?；诖?，化學建模為按照現實需求及科學方法，構建將原型結構、特征等進行清晰表征的過程[2]。進行化學建模教學，不僅能增強學生建模能力，還能提高信息處理、問題分析等多方面能力和化學核心素養。教學基本原則如下：

1.原型和模型之間的相似性

依據教學內容構建模型，需盡可能確保原型與模型的相似性，旨在使學生看到模型后進行自我思考及推理。雖然模型具備抽象性，可抽象應將原型作為基礎，若是和原型存在較大差距，學生不僅無法理解而且也會喪失建模教學的本有價值。

2.以生為主

“以生為主”是化學建模教學的主要特征，化學模型發揮“中介”作用幫助學生掌握化學本質。由此，開展化學建模教學“以生為主”是第一原則。這一原則要求教師在建模教學過程中，不要采取“灌輸式”教學模式，而需按照教學內容做好化學模型的設計，正式課堂教學中讓學生思考探索這一模型，通過教師的講解，輔助學生更為深入地掌握化學原型。

3.模型具備條件性

在條件不同情況下的化學物質，比如酸堿性、壓強等相關條件，有可能致使化學物質的反應、結構發生改變，可由于模型屬于高度抽象的原型體現形式，所以應用模型應滿足一定條件，基于化學反應、物質處在不同條件，應使用不同的化學模型?；诖?，建模教學過程中必須依據條件性原則，按照化學實驗條件構建針對性的化學模型，切忌一概而論，否則不利于學生掌握相關知識、增強化學建模能力、提高核心素養。

三、建模教學相關策略

1.簡化模型輔助模型的理解及使用

關于模型，其屬于針對現實問題的簡化抽象，可以將研究對象的共性及本質準確、直觀反映，避免其中非本質及次要因素。因為所遇到的化學問題多數類似于“理想模型”，由此便能將問題作為理想模型進行處理，進而最大程度簡化問題難度，快速找到問題的處理思路以及方法[3]。

2.通過實驗探究輔助構建化學模型

針對化學實驗而言，無論對掌握化學知識還是提高科學素養，均發揮十分關鍵的作用，讓學生體驗到物質本有性質。所謂實驗探究，主要是學生親身經歷探究知識的一個過程，讓其依據已掌握的經驗知識，建立處理問題所需的思維模型。進行實驗探究幫助學生更為扎實掌握物質有關性質，一方面提高教學效率，另一方面調動學習興趣。

3.分析問題、解題推理，構建解題模型

通常利用建模思想處理化學問題，即把化學問題建立成概念、數學或者是物理關系，化學教學過程中建模思想的應用范圍十分廣泛，例如某個規律、方程式、反應類型等均可以稱之為思想模型。日常教學中，教師要著重引導學生通過建模思想進行問題分析以及推理解題，能夠使學生建立和該題型相似的解題模型，再次面對相似題型時，能及時歸入到已經形成的思維模型，進而提高解題效率及正確率[4]。

四、教學案例分析

現階段，很多學生認為高中化學學習難度較大，此類問題發生的多數原因為未能認識到化學核心素養培養的重要性，僅對理論知識機械化輸出，忽視了學生的實際學習需求及學習進度，導致其缺乏學習的自主性；另外，在化學課堂教學中，部分教師缺少必要的建模能力，致使教學內容相對混亂，一方面教學效率難以提高，另一方面不利于化學核心素養的夯實。基于核心素養培養要求，在傳授化學知識的同時，還應教會其處理化學問題的方法和思路，通過建模能力引導其更好地掌握所學知識，達到學以致用的效果。接下來，本文將以“有效碰撞理論”與“原電池”為例，對建模教學策略加以分析。

1.有效碰撞理論

主要教學目標為，通過假設猜想這一反應歷程，用于邏輯推理以及發散思維能力的發展，讓學生針對反應歷程構建起一個先驗模型；進行材料分析、學習小組討論等推理證據，逐漸修正先驗模型由此構建起理論模型；分析材料并以理論模型給出合理解釋，了解化學反應速率會受到基元反應活化能帶來的影響[5]。

第一，教師可以為學生創設如下問題情境：在常壓常溫條件下，氫氣和氧氣混合難以觀察到反應現象，但將其點燃能夠生成水，而且添加催化劑有可能引發爆炸。同時給學生拋出幾個思考問題：（1）化學反應過程中氧氣和氫氣分子如何進行原子重組？（2）所需條件有哪些？讓學生以小組為單位進行頭腦風暴，例如在容器內氫氣和氧氣分子相互接觸，可是因為能量不充足無法反應，接受外界能量之后斷掉分子之間舊鍵，并且生成新鍵，得以未完成反應。根據學生提出的模型，教師應提供相應的材料引導學生分析，再由證據推理對模型進行修正。

第二，模型修正。第一份材料支持。（1）資料：分子當中的能量速度和分布圖；（2）資料：各種氣體在標準條件下，平均碰撞頻率為109S-1，即1s內1個分子和其他分子進行1億次碰撞。學生結合教師提供的素材實施小組討論以及組際分享：首先，溫度在相同情況下，分子之間因為不同的運動速度自然能量也不同，越高能量會有更大速度；其次，分子之間發生頻繁碰撞，其是發生反應的基礎前提。第二份材料支持。（3）資料：已知2HI=H2+I2濃度是10-3mol/L的HI氣體，973k時分子碰撞速度在3.5×1028L-1.S-1左右，如果每一次分子發生碰撞均能反應，那么反應速率5.8×104mol/L.S，可是具體速度是1.2×10-8mol/L.S。

依據對資料進行分析，會有學生提出現有論點的補充與駁斥，即并非每次碰撞均有反應發生，并且反應要求碰撞和能量，至于碰撞要求方向。

第三，模型遷移。教師可以讓學生通過構建的理論模型解決并解釋現實問題。（1）問題：常規反應的活化能范圍在60kJ/mol-250kJ/mol，如果活化能沒有超過40KJ，因為較快的反應速率所以難以通過一般方法進行測定，而超過400kJ，反應速率相對較小。通過理論模型進行數據及事實的解釋說明，即反應速率和活化能之間為直接關系，較小的活化能不涉及外界能量提供支持，得以快速發生反應，因此部分反應要求有條件誘發。（2）問題：依據下表中反應的鍵能和活化能數據，能說明什么。

表1 問題數據表

由此能說明：首先，鍵能和活化能不是一個概念；其次，反應存有中間態。另外，教師還可以提出一些拓展問題，例如按照有效碰撞理論，如何改變條件和對化學反應速率進行調控。旨在讓學生憑借這一理論模型進行速率調控，加深了解化學模型。

2.原電池

第一，創設情境。組織學生對已經掌握的相關原電池知識加以復習：置換反應、電解質以及正負極知識等，通過“板書+多媒體”的形式展示。

第二，拋出問題。依據Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu，構建單液原電池模型。教師通過問題驅動模式，組織學生自主進行化學建模，從而構建相應的圖像模型。

第三，建立模型。依據制定的計劃組織學生進行合作式學習，依據學生設計的思路，畫出這一圖像模型。然后讓學生以小組為單位進行實驗，根據圖像模型進行原電池反應模型的建立，同時在實驗過程中觀察反應現象，然后就相關現象進行討論分析：（1）基于原電池持續進行的化學反應，電流表上面的顯示數值逐漸變?。唬?）伴隨進行的反應，逐漸提高溶液溫度；（3）鋅片和銅片均發現有銅析出。

第四，分析模型。實驗模型建立之后，通過問題驅動形式組織學生學習實驗模型。（1）原電池發生化學反應以及現象是否和預想存在出入；（2）導致原電池反應現象發生的原因是什么。第一個問題學生提出：未能預測會提高溶液溫度；只要沒有停止化學反應，則不會出現較大的電流表顯示數值起伏。第二個問題學生提出：因為硫酸銅和鋅發生置換反應，所以在鋅片和銅片上均會看到銅析出。另外，一些化學能在化學反應過程中轉換成熱能，所以溶液會伴隨反應發生提高溫度，基于持續進行的化學反應，鋅片和銅片均會被消耗，一直到其中一類物質徹底被消耗才停止。

第五，完善模型。化學教師再拋出一個問題，即通過實驗和圖像的形式進行原電池模型構建，其屬于單液原電池且其中存在一些缺陷，讓學生進一步完善這一模型，在學生修正模型之后組織分析交流：針對雙液原電池而言，電極物質與電解質溶液具體是什么。學生依據提示加以完善，進行雙液原電池的實驗及圖像模型構建，CuSO4與ZnSO4是電解質，Cu片與Zn片為電極。總之，讓學生剖析單液原電池存在的不足，引導其完善模型并加以修正，依據已經掌握的化學知識培養其創造性思維，一方面有利于學生深入理解知識，另一方面有利于化學核心素養的提升。除此之外，建模教學還能應用在有機化學中?！肮倌軋F”可以反映某類有機化合物所具備的共同特性[6]。通過進行“官能團”的建模教學，讓學生緊密聯系相對薄弱的有機化學知識，進而達到夯實基礎知識的目的。與此同時，學生也應嘗試構建每個官能團的網絡示圖。通過學生自己構建提高自身的知識素養。以羧基（—COOH）官能團為例，選擇“乙酸”作為代表物質，復習羧酸全部性質且建立起知識網絡示圖。

結語

高中化學教師應該與時俱進且要樹立起終身學習理念。針對新事物、新方法和新理念應不懈追求，汲取當前有關化學建模教學的成功經驗，形成兼具自己教學風格的模型建構思維方法。教師在正式授課前需做好教學設計，針對學生化學建模能力的提高點全面把握，課堂教學中應對學生加以科學引導，著重對其化學建模能力的培養，不僅會提高教師建模教學水平，還能強化學生的建模能力。