核心素養視域下培養化學模型認知能力的探索

易傳波

(江蘇省清江中學,江蘇 淮安 223001)

在化學教學中,建構化學模型讓學生將復雜抽象的化學知識通過化學模型進行形象通俗化理解,使學生對具有同質效應的問題形成相對固定的化學模型,既能促進學生輕松理解化學知識,更能提升解題效率、培養學生良好的思維品質、發展學生化學核心素養.

1 指向學習能力,探析模型認知能力的意義

1.1 掌握微觀結構,發展抽象思維

在化學教學中,培養學生的模型認知能力既有助于學生深度理解新知,更可培養學生的抽象思維,讓學生將微觀的化學結構轉化成大腦中的化學模型,進而輕松理解微觀世界的知識[1].

如在“微粒之間的相互作用力”這一節中,學生要學習到球棍模型相關的知識,此時教師可以先為學生出示幾幅物質的球棍模型圖,讓學生初步感知這一模型框架,然后再去掌握其他物質的球棍模型.課堂教學中,教師首先為學生出示HCl球棍模型,其中棍的一端連接較小的表示氫離子的球體,棍的另一端連接到較大的表示氯離子的球體,在此基礎上,教師讓學生推理水分子的球棍模型,學生自然能夠得出,水分子應當是由氧原子在中間,氫原子分別和氧原子相連接這樣的結構組成,從而繪制出一個大球通過兩根棍連接到兩個較小的球上.通過球棍模型結構,清晰地將微觀世界的物質結構展示在學生眼前,賦予抽象知識直觀鮮活的色彩,也在潛移默化中培養了學生的抽象思維.

1.2 整理零散知識,形成科學體系

化學知識龐雜而瑣碎,這也導致很多學生在學習化學時產生凌亂、張冠李戴的現象.如何將這些零散、看似毫無關聯的知識串聯起來,形成一個嚴謹、科學、有邏輯關系的知識體系,既是學生綜合能力的體現,也是教師在教學中應認真思考的課題.而通過培養學生模型認知能力,可以起到以點帶面、以面促點的良好效果.

如在“物質的分散系”這一節中,學生要學習到與分散系相關的分類知識,此時教師就可以利用學生已有的模型認知框架進行零散知識的整理.在學習分散系的過程中,學生已經形成了對于分散系、分散質、分散劑的分類,需要以溶液、溶質、溶劑為標準進行類比這樣的認知模型,那么對于濁液、膠體、溶液三個概念的整理,教師也可以引導學生采用類比的認知模型進行記憶,形成相應的知識體系:“我們可以將濁液、膠體、溶液看作成往水中加入不同大小的沙粒,當沙粒大于100 nm時,我們稱之為濁液,當在1～100 nm時,我們稱作膠體,當沙粒特別微小,直徑甚至小于1 nm時,我們就可以將其稱作溶液了.我們也可以理解成買飲料時的大杯、中杯、小杯,分別是不同大小顆粒物形成的分散系.”這樣學生就通過類比的方式形成知識體系,教師讓學生將這樣的知識體系繪制出來,并在其中提示:“對于膠體,我們還需要注意當光束通過膠體時,我們可以在垂直于光線的方向看到一條光亮的通路,我們可以稱之為丁達爾效應.”讓學生再將這些零碎的知識補充完整,促使學生對溶液類問題形成了完整的認知.

2 立足教材文本,挖掘滲透模型認知的內容

2.1 在化學計算中形成模型意識

模型認知能力對于化學教學和學生學習能力的提升具有重要意義,也是落實核心素養中培養學生關鍵能力的重要舉措.化學計算是化學學習中不可回避的環節,針對同質類問題,在化學計算教學中融入模型認知思想,引導學生結合問題實際進行綜合分析,構建程式化解題模型,不僅可以幫助學生快速解決化學問題,提升解題效率,更能促進學生系統化、綜合化思維的發展[2].

如在“物質的化學計量”這一節中,學生要學習到與如何計量化學物質相關的知識,此時學生建立起的框架是1 mol純凈物中含有多少個分子、離子這樣的認知模型,即所有的以“mol”表示的純凈物量都可以轉化為分子、離子、原子數量來計量,此時教師就可以進行提問:“1 mol O2中含有多少個氧原子?1 mol NaOH中含有多少個離子?兩種離子分別有多少?”學生此時就會依據已知條件展開分析,已知1 mol=6.02×1023個分子或原子,那么1 mol氧氣中肯定含有6.02×1023個氧分子,但是教師提問的卻是原子數量,因此需要進行變化計算,最終得出有12.04×1023個氧原子,而對于NaOH溶液,雖然其在水溶液中解離成了兩種離子,但是基本的量卻沒有發生改變,因此還是只有1 mol的Na+和OH-的量.學生形成了對1 mol的數量認知模型,在解題中只需清晰認知物質中各種微粒的結構組成,則可快捷輕松解決問題.

2.2 在物質分類中構建集合概念

分類能力也是學生能力的一種.化學分類要求學生明確不同物質間具體的、細微的差別,厘清各物質之間的區別與聯系,這就要求學生在深刻記憶知識的基礎上熟悉每種知識、每個概念的特點,將不同種類的知識分門別類的形成集合,從集合的角度思考不同知識類別之間的細微差異,從而有效促進學生清晰化學概念.在此過程中,借助模型,構建起物質間完善的認知體系[3].

如在“物質及其分類”這一節中,學生要學習到與物質分類相關的化學知識,此時教師就可以讓學生通過物質分類建立集合的概念.教師首先對學生講述:“我們生活中的物質有多種多樣,按照物質的存在狀態來分可以分為氣態、液態、固態等,但在我們化學概念上,物質只分為混合物和純凈物兩類.大家思考一下以下物質都是什么類別呢?”接著為學生出示幾幅圖片,有沙土、礦泉水、金單質、氯化鈉晶體,學生此時就會開始思考,想到混合物和純凈物的分類標準和框架就是是否有其他物質一同存在.基于這一認知模型,學生判斷含有不同沙粒的沙土和含有多種礦物質的礦泉水中都包含有多種物質,所以都是混合物;而金單質和氯化鈉晶體則都僅僅含有一種物質,因此是純凈物.厘清問題中包含的物質個數,搞清楚混合物、純凈物、化合物的概念,建立起相關概念的模型,學生在界定時即可輕松進行分類,梳理出概念的集合.

3 聚焦創新思想,優化培養模型能力的策略

3.1 鼓勵想象,高效解題

模型能力的培養需要教師創新教學理念,優化教學方法.在化學課堂上,教師要充分發揮學生的想象力,讓學生進行知識暢想,并根據學生的想象內容引導學生進行假設和驗證,在驗證過后對學生的想象做出反饋,從而有效促進學生的想象力發展,幫助學生建構模型認知能力.

如在“研究物質的實驗方法”這一節中,教師可以利用如何針對物質進行分離提純引導學生進行想象并進行驗證.教師首先對學生簡述:“我們將混合物進行分離提純時可以利用混合物中各組分的差異特點,例如狀態、沸點、水溶性等,主要原則是盡量減少物質的損失.”接著教師提出幾個問題:“如果現在有兩種物質組成的固體混合物,一種可溶一種不可溶,我們應當如何提純?”學生此時就會開始想象,想到可以利用可溶性,加適量的水讓可溶的物質溶于水中,然后就可以過濾出難溶于水的成分.教師接著提問:“這樣的話我們只得到了一種難溶于水的物質,那么另一種怎么辦?”學生此時又會開始想象,想到可以利用蒸發結晶得到另一種成分.教師繼續講述:“大家很聰明,那么現在有一種新情況了,如果兩種物質都溶于水,但是兩種物質的溶解度隨溫度變化有較大差異,我們應當怎么處理?”由于前面學生已經掌握物質的溶解度隨溫度變化這一模型特點,他們很容易思考只要控制溫度即可析出不同的物質,這樣既發揮了學生的想象力,又提高了學生解決實際問題的能力.

3.2 實踐應用,內化鞏固

應用是培養學生模型認知能力的有效延伸,學生在掌握了知識框架和認知體系后,只有應用這種框架和體系解決化學問題才能夠真正發揮模型認知能力的作用,教師在課堂教學中一般利用生活現象引導學生進行應用[4].

如在“防止二氧化硫對環境的污染”這一節中,學生要學習到與如何防治二氧化硫相關的知識,此時教師就可以讓學生應用已有的模型框架進行生活現象的解釋.教師首先對學生講解:“大家已經了解過與硫化物、二氧化硫相關的知識,也已經形成了自己的認知框架,在工業上一般使用石灰石粉末加水制作成漿液與煙氣混合進行脫硫,大家可以寫出其中的化學方程式嗎?”學生因為此前已經掌握了含二氧化硫氣體的脫硫方法,此時教師可將其演繹為“石灰石-石膏法”化學模型,此時,學生將二氧化硫與碳酸鈣結合形成硫酸鈣和二氧化碳的化學方程式寫出來,從而實現了對生活現象的解釋和知識的應用,既達到鞏固內化知識的目的,更拉近了化學與生活的距離.

化學教學中,將化學知識系統化為某一化學模型,用以解決生活問題既是踐行化學新課標“能有意識運用所學的知識或尋求相關證據參與社會性議題的討論”的具體體現,也是落實化學源于生活、服務生活基本理念的重要渠道.

高中化學五大核心素養中“證據推理和模型認識” 指出:高中化學教學要能使得學生認識化學現象和模型之間的聯系,能運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構,性質和變化,預測物質及其變化的可能結果……,在高中化學教學中,教師要注重學生模型認知能力的培養,既促進學生思維不斷邁向縱深,更發展學生的綜合能力,真正實現學生化學核心素養的漸進式提升.