培養(yǎng)學生“模型認知”素養(yǎng)的教材分析研究
——以高中化學必修內(nèi)容為例

高曉彤 李德高

(甘肅省蘭州新區(qū)舟曲中學 730087)

1 研究內(nèi)容

1.1 化學教材中涵蓋的“模型”類型分析

化學建模思想是指在解決化學問題時，為了揭示事物的本質(zhì)以及研究的方便，用化學語言和方法，從復雜的問題、條件和現(xiàn)象中經(jīng)過簡化抽象得出化學模型的過程.通過分析人教版化學教材中各章節(jié)內(nèi)容的呈現(xiàn)新式，挖掘出教材編寫者所運用的模型思想，并對模型的形式進行了分類，分為圖表模型、數(shù)學模型、結(jié)構(gòu)模型、規(guī)律模型等類別，各章節(jié)所包含模型類別見表1.

表1

1.2 教材中化學模型的功能價值

圖表模型主要包括圖片與表格兩種方式.化學教材中含有大量的圖片內(nèi)容，它們的作用主要是直觀展示化學儀器、物質(zhì)形態(tài)、實驗裝置、操作步驟、特殊現(xiàn)象、變化過程、工業(yè)生產(chǎn)、生活應(yīng)用等.表格內(nèi)容主要存在于教材內(nèi)容的資料卡片、實驗探究、實踐活動、科學視野、課后歸納總結(jié)中，其作用主要包括：列舉關(guān)鍵數(shù)據(jù)，給出關(guān)鍵性質(zhì)，記錄實驗過程(包含實驗步驟、現(xiàn)象、結(jié)論、反應(yīng)方程式等)，進行實驗對照，歸納總結(jié)知識等.這種對知識的呈現(xiàn)方式，能夠激發(fā)學習者產(chǎn)生本學科的學習興趣，幫助學習者快速獲取有效信息，掌握關(guān)鍵技能，形成學科邏輯思維.

數(shù)學模型主要集中在《化學計量在實驗中的應(yīng)用》這一章節(jié)，圍繞“物質(zhì)的量”給出的幾個計算公式，以及由此衍生的一系列化學計算方式，充分凸顯了“物質(zhì)的量”是宏觀聯(lián)系微觀的“橋梁”，也彰顯了“物質(zhì)的量”在化學計算的重要作用.化學作為理科的重要組成學科，學習、應(yīng)用和應(yīng)試考查之中均包含了大量的數(shù)學計算，要求學習者具有較強的運算能力，數(shù)學公式模型將幫助學生提升運算能力，加深對概念的理解.

結(jié)構(gòu)模型在教材中按照原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的順序發(fā)展，包含元素周期表、原子結(jié)構(gòu)示意圖、化學式、電子式、結(jié)構(gòu)式、結(jié)構(gòu)簡式、鍵線式、空間構(gòu)型、球棍模型、比例模型等內(nèi)容，從微觀和宏觀兩個層面揭示了化學物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，給學習者建立起“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)決定用途，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)”的化學觀念.

規(guī)律模型主要包含物質(zhì)的類別、性質(zhì)、化學概念、反應(yīng)類型、反應(yīng)原理、認知方式、思維方法和正確觀念等.例如氧化還原反應(yīng)原理、元素周期律、原電池反應(yīng)原理、化學平衡等內(nèi)容的學習，都采用規(guī)律模型的方式呈現(xiàn)和總結(jié)，對于認識化學反應(yīng)具有促進作用.

2 研究成果與教學策略分析

2.1 現(xiàn)有模型結(jié)構(gòu)下的教學效果評測

通過分析研究教材中模型構(gòu)建的類型與特點，不難發(fā)現(xiàn)，這些模型對應(yīng)的知識難度是比較簡單的，對學生的能力要求也是相對比較容易的.換言之，在教師的引導下，按部就班地完成教學任務(wù)，可以很容易促進學生掌握基本知識和技能，實現(xiàn)學生A、B層次能力(見表2)的發(fā)展，但是，在素養(yǎng)導向和能力探查的現(xiàn)行高考體制下，以及未來社會對人才高標準選擇的競爭壓力趨勢下，對學生素養(yǎng)和能力的培養(yǎng)要提高標準，設(shè)法促進學生C層次水平能力的發(fā)展.

表2

2.2 高階認知模型的構(gòu)建與教學策略分析

2.2.1 以“元素化合物”板塊教學為例，要對原有課本中各章節(jié)的零散知識分布進行系統(tǒng)整合

高度抽象出認識對象、化學問題、能力任務(wù)、認識角度等重要的認識變量，加深學生對知識內(nèi)容的系統(tǒng)歸納和高階認識，如圖1所示.

圖1

2.2.2 以“原電池工作”原理的認知，可以將其從課本中的圖表模型(如圖2所示)，深度融入電化學反應(yīng)原理的多重認知角度，整合為高階認知模型(如圖3所示)，方便學生從根本上認識原電池工作的基本原理，有利于學生建構(gòu)解決電化學問題的基本思維模型.

圖2

圖3

2.2.3 價類二維圖是元素化合物教學中幫助學生建構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)式思維方式最常見的工具，其橫坐標是物質(zhì)類別，縱坐標是元素化合價.以“元素及其化合物的轉(zhuǎn)化”為內(nèi)容構(gòu)建的模型——價類二維圖，可以加深學生對于物質(zhì)類別、物質(zhì)轉(zhuǎn)化、氧化還原反應(yīng)等知識的認識，大力促進能力水平的發(fā)展.例如，價類二維圖在元素化合物教學“氮及其重要化合物”中的作用，以氮元素為例，可以將所有含氮化合物按照物質(zhì)類別和氮元素化合價放入價類二維圖中，教師在授課環(huán)節(jié)可以讓學生自主完成價類二維圖，再進行補充.價類二維圖在元素化合物教學中主要的功能是從物質(zhì)類別和元素化合價角度預測陌生物質(zhì)的性質(zhì)及物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)化，幫助學生建立認識物質(zhì)的角度.本節(jié)課需要完成的知識目標是一氧化氮和二氧化氮，教師可以從驚蟄過后開始播種這樣的生活情境引入課堂，并逐步引導學生認識到在放電條件下氮氣和氧氣結(jié)合生成了一氧化氮.在二氧化氮溶于水的產(chǎn)物判斷時用到了價類二維圖，首先通過學生實驗讓學生觀察實驗現(xiàn)象，再讓學生結(jié)合價類二維圖預測產(chǎn)物.這樣教學的優(yōu)勢在于一方面讓學生對含氮元素化合物有了全面系統(tǒng)的認識，另一方面培養(yǎng)學生預測陌生物質(zhì)性質(zhì)的能力，落實了化學學科思維方法.

2.3 基于發(fā)展“模型認知”素養(yǎng)的實驗教學實例，如有機實驗教學：搭建常見有機物分子球棍模型

2.3.1 實驗目的

在有機物的學習和研究之中，對于有機物分子的結(jié)構(gòu)了解是研究其性質(zhì)的基礎(chǔ)，因為大部分有機物分子結(jié)構(gòu)空間構(gòu)型復雜，學生理解起來比較抽象，成為學習中的障礙.而借助球棍模型的搭建，可以讓學生更加具象地認識有機物的結(jié)構(gòu).學生通過搭建一系列有機物分子的實物模型，觀察原子間連接的順序，識別結(jié)構(gòu)中的官能團，分析化學鍵的特點，建立起對有機物分子結(jié)構(gòu)的深刻認識.

2.3.2 實驗儀器

環(huán)保型中學有機球棍模型套裝(26套)，橡皮泥30袋，牙簽(木小棍)26盒.

2.3.3. 實驗要求

2.3.3.1 進入實驗室禁止大聲喧嘩，服從實驗老師安排；愛護公物，嚴禁私自把實驗用具帶出實驗室；兩位同學分為一個小組；注意實驗安全.

2.3.3.2 按照要求、分小組完成以下分子結(jié)構(gòu)模型的制作，注意觀察各物質(zhì)的成鍵方式，觀察原子的空間分布情況.

2.3.3.3 每個小組派出一名代表分享本小組分子模型制作的過程，展示成果.

2.3.4 實驗步驟及任務(wù)(見表3)

表3