基于模型認知的化學教學設計

賈義晶　張程浩　劉存芳　史娟　張強

［摘 要］科學建模是理解知識本質和發展邏輯思維的重要途徑。在化學教學中引用生活實例可促進學生自主建構宏觀物質模型，而開展化學實驗探究有助于建構微觀物質模型。文章以生活實例和化學實驗為載體，基于模型認知對“氣體摩爾體積”一課進行教學設計，通過建模呈現化學知識的基本框架，突出知識本質，助力學生理解和學習化學基本知識，培養學生的“證據推理與模型認知”化學學科核心素養。

［關鍵詞］模型認知；科學建模；教學設計；氣體摩爾體積

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）14-0072-04

“證據推理與模型認知”是化學學科核心素養的重要內容之一，是學習化學學科的重要科學思維方法之一。模型認知是指在已有認知模型的基礎上，在新的情境中提出新的假設并建構、檢驗、評價、完善新的模型，再應用所建構的新模型進行新認知的螺旋式上升的過程。建構模型的過程簡稱“建模”。建模是基于原有的認知對新知識提出合理假設，通過自主探究、分析和推理等科學方法逐漸認識新知識的本質，建立科學模型的過程。通過模型的運用，可以幫助學生構建化學知識的基本框架，培養學生的邏輯思維能力、分析推理能力和實驗探究能力［1］。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中的“證據推理與模型認知”化學學科核心素養要求：具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系。知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律［2］。

本文以“氣體摩爾體積”一課為例，探討基于模型認知的化學教學設計，通過建模呈現化學知識的基本框架，突出知識本質，助力學生理解和學習化學基本知識，培養學生的“證據推理與模型認知”化學學科核心素養。

一、基于模型認知的教學設計思路

“氣體摩爾體積”是蘇教版高中化學必修第一冊專題1第二單元第二課時的內容。學生在學習本課內容之前，已經學習了有關物質的量的化學知識，具備基本化學計量計算的能力和從微觀角度解決問題的學習思想。教學中教師依據初中化學有關體積計算的公式，引導學生探究1 mol固體、液體、氣體體積的不同，預測不同狀態不同種類的物質的粒子空間分布；通過設置基于真實情境的問題，引導學生探究相同狀態下影響氣態物質體積的主要因素，建構外界因素影響氣體體積的認知模型；通過小組合作交流，引導學生探究電解水的實驗，導出氣體摩爾體積的概念及其運用，發揮學生的學習自主性，培養學生熱愛化學的情感，提升學生的合作探究能力和運用化學知識解決實際問題的能力。

二、教學過程

（一）聯系生活實際引出課程內容，激發學生的學習興趣

【多媒體】播放超市里巧克力、牛奶、殺蟲劑等不同狀態不同種類商品的包裝的視頻。

【引入新課】大家有沒有注意到不同商品的包裝袋上的計量方式有什么不同？分別有哪些計量方式？

【學生回答】餅干等固態物品的包裝袋上一般用質量來計量，果汁、洗衣液、防曬霜、噴霧等液態或氣態包裝袋上一般用體積來計量。

【教師總結】固態物質有固定形狀不易壓縮，用質量來計量；液態物質無固定形狀不易壓縮，用體積來計量；氣態物質無固定形狀能壓縮，用體積來計量。

【教師提問】根據之前的學習，我們知道固態、液態、氣態不同種類物質的摩爾質量一般不同，那么1 mol不同狀態、不同種類的物質的體積是否相同？

【學生回答】不同。（學生會從質量、密度與體積的關系數學模型進行宏觀思考，但是不會從微觀的角度來解釋問題）

設計意圖：將新知識的引入與日常生活相聯系，能極大地提高學生的學習積極性，引發學生主動思考問題、解決問題，初步建立固態、液態、氣態不同種類物質的宏觀模型；通過宏觀物品引出從粒子的角度去解釋“固態物質有固定形狀不易壓縮”“液態物質無固定形狀不易壓縮”“氣態物質無固定形狀易壓縮”的原因，增強知識的直觀性，使學生的邏輯思維有連貫性，便于學生理解新知識。

（二）實驗探究不同物質體積的影響因素，初步建立微觀物質模型

【多媒體】播放1 mol多種固體和液體的體積數據以及在不同溫度和不同壓強下固態、液態、氣態物質的體積數據，其中在標準狀況下部分1 mol物質的體積數據如表1所示，引導學生找出其中蘊含的規律。

【學生回答】相同條件下，1 mol固態物質Fe、Al和1 mol液態物質H2O、H2SO4的體積不同；1 mol氣態物質N2、CO的體積近似，約為22.4 L。

【教師提問】在微粒數目相同的條件下，為什么會出現固態物質和液態物質的體積不相同，而氣態物質體積近似的情況？影響1 mol固態、液態、氣態物質體積的因素有哪些？

【提示】物質由分子、原子等微觀粒子組成。

【學生回答】可能與構成物質的微粒的空間分布狀態有關。

【多媒體】展示固態、液態、氣態物質的微粒的空間分布示意圖（如圖1）。

【學生小結】影響物質體積的因素有微粒的數目、微粒的大小和微粒的間距。影響物質體積因素的初始模型如圖2所示。

設計意圖：從微觀角度分析固態、液態、氣態物質微粒的空間分布，引導學生自主總結出固態、液態、氣態物質體積的影響因素，初步建立起影響物質體積因素的初始模型，培養學生的微觀探析意識和觀察能力。

【教師提問】假設微粒數目和大小都相同，觀察固態、液態、氣態物質微粒的空間分布示意圖，可以觀察到它們的空間分布有哪些不同？

【學生回答】固態、液態物質微粒堆積比較緊密，而氣態物質微粒堆積比較松散。

【教師分析】把微粒想象成同一種大米，擺放在兩塊空地上，第一塊空地上擺放的大米間距大，第二塊空地上擺放的大米間距小（小于大米本身的大小）。第一塊空地上擺放的大米所占面積會受大米數量的影響，第二塊空地上擺放的大米所占面積受大米間距的影響可忽略不計。再在第三塊面積相同的空地上按照第二塊空地的顆粒間距擺放花生仁，這時會發現密集擺放的顆粒所占面積與顆粒本身的大小也有關。

【學生小結】對于氣態物質（微粒間距大的物質）來說，體積主要由微粒的數目和微粒的間距決定，微粒間距較大時可以忽略微粒自身大小的影響；固態、液態物質的體積主要由微粒的數目和微粒的大小決定，固態和液態微粒間距較小，可以忽略不計。影響物質體積因素的修正模型如圖3所示。

設計意圖：引入生活實例，確立影響固態、液態、氣態物質體積的本質因素，引導學生運用類比推理自主思考，對影響物質體積因素的初始模型進行修正，得到影響物質體積因素的修正模型。

（三）通過日常生活實例探究影響氣體體積的外界因素

【教師提問】1 mol氣態物質的體積大小主要由微粒間距決定，那微粒間距又受哪些因素影響呢？

【多媒體】播放夏季輪胎由于加氣過滿炸裂而造成危險事故的視頻。教師引導學生把輪胎的炸裂與氣態微粒的間距相互聯系，小組討論分析微粒間距會受哪些因素影響，得出結論并提出建議。

【學生小結】影響微粒間距的因素有溫度和壓強。夏天溫度較高，氣體受熱膨脹（微粒間距增大，體積增大），而輪胎和地面接觸會增大氣體的壓強，導致車胎容易炸裂。影響物質體積因素的擴展模型如圖4所示。

設計意圖：通過對夏天輪胎容易炸裂這一現象的研究，回顧初中學習的氣體熱脹冷縮原理，促進有關氣體體積與溫度、壓強關系知識的遷移學習，明確影響氣體體積的外界因素，使得所建構的模型更加具體化、精確化，讓學生對知識的本質有更清晰的認識，得到影響物質體積因素的擴展模型。

（四）回顧舊知識，遷移學習氣體摩爾體積

【實驗探究】根據如圖5所示的電解水實驗裝置圖進行實驗，觀察不同時間試管內的氣體體積的變化［3］，探究生成的O2和H2的體積比。

【學生回答】通過實驗觀察可得，生成的O2和H2的體積比約為1∶2。

【化學計算】根據電解水的化學方程式計算電解18 g H2O生成的O2和H2的質量；根據O2和H2的摩爾質量，計算O2和H2的物質的量；根據0 ℃、101 kPa（標準狀況）時O2和H2的密度，計算1 mol O2和H2的體積（如表2）。

【教師提問】從上述實驗現象和實驗數據分析，你得到什么結論？

【學生回答】在標準狀況下1 mol O2和H2的體積相同，大約為22.4 L。

【教師講解】根據氣體體積的影響因素可知，相同溫度、壓強下分子間距離一定，此時影響氣體體積的因素是微粒數，因此1mol不同氣體的體積近似相等。

【教師總結】氣體摩爾體積，顧名思義指的是單位物質的量的氣體所占的體積，單位為L/mol，符號為Vm。在0 ℃和101 kPa下，氣體摩爾體積約為22.4 L/mol。

【教師提問】學習氣體摩爾體積這個概念時，應注意哪些要點？

【學生小結】氣體摩爾體積是針對氣體而言的；氣體在不同溫度和壓強條件下的氣體摩爾體積是不同的，只有標準狀況下的氣體摩爾體積約為22.4 L/mol。影響物質體積因素的完善模型如圖6所示。

設計意圖：通過實驗探究，引出氣體摩爾體積的基本概念，加深學生的學習印象，發展學生的邏輯思維，培養學生的數據分析能力、推理能力和自主探究能力，得到影響物質體積因素的完善模型。

三、教學反思

氣體摩爾體積的內容比較抽象和概念化，是教學的重難點。本節課的教學基于宏觀情境從微觀角度分析影響氣體體積的因素，培養學生“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養，為以后的化學學習打好基礎；多次創設生活情境引入知識，培養學生運用化學知識解決實際問題的能力以及“證據推理與模型認知”化學學科核心素養。具體地，通過實驗探究，培養學生的遷移運用能力；運用生活實例激發學生的學習興趣，引導學生初步形成假設，建構初始模型；通過教學活動、學生討論和教師講解，逐漸完善模型，形成科學模型。在此過程中，學生不僅掌握了基本的化學知識，提升了類比推理能力及邏輯思維能力，還培養了“科學探究與創新意識”化學學科核心素養。從教學效果來看，不僅能夠促使學生回顧物質的量的學習思想，掌握氣體摩爾體積的概念及應用方法，還為阿伏加德羅定律的學習做了鋪墊，具有承上啟下的作用，同時，涵養了學生的“證據推理與模型認知”化學學科核心素養和“宏觀辨識與微觀探析”化學學科核心素養。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 王鵬飛，劉存芳. 新舊高中化學課程標準比較分析［J］.教學與管理， 2019 （4）： 44-47.

［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版［M］.北京：人民教育出版社， 2018：4.

［3］? 董軍，呂志會.以發展學科核心素養為主旨的化學課堂教學研究：以“氣體摩爾體積”的教學為例［J］.中學教學參考， 2021 （5）：78-80，91.

（責任編輯 羅 艷）

［基金項目］陜西省教育科學“十三五”規劃課題（課題編號：SGH20Y1196）；陜西理工大學研究生教改項目（項目編號：SLGYJG2012）。

［通信作者］劉存芳（1971— ），女，漢族，陜西人，教授，研究方向為化學學科教學及基礎教育研究。E-mail：liucf@snut.edu.cn。