初中化學發展學生模型認知能力的教學探索

作者簡介：鄭麗萍，1970年生，廣西貴港人，本科，高級教師，主要研究方向為初中化學教學。

摘 要：模型認知是指利用模型認識事物或通過構建模型解決問題的一種思維方法。模型認知是化學學習和化學教學必不可少的方法，培養學生的模型認知能力已經成為化學課程改革的重要內容之一。初中化學物質的認識模型構建能提高學生分析問題、解決問題的能力，幫助學生形成有序的化學知識體系。初中化學教師可通過豐富的探究活動增強學生的學習體驗與感知，以改進教具、數形結合的方式突破微觀結構重難點，使用地方特色情境素材體現學科知識與社會生活的聯系，使學生在內化和外顯物質認識模型的過程中發展化學核心素養。

關鍵詞：初中化學；模型認知；物質的認識模型；金剛石、石墨和C60

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）10-0069-04

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《2022年版化學課標》）提出，初中化學作為一門自然科學課程，具有基礎性和實踐性，對落實立德樹人根本任務、促進學生德智體美勞全面發展具有重要意義。初中化學教師要充分發揮化學課程的育人功能，激發學生對物質世界的好奇心，促使學生形成物質及其變化等基本化學觀念，養成科學態度和社會責任，發展學生的科學思維、創新精神和實踐能力。化學是在原子、分子水平上研究物質的性質及其變化的學科，學生需要學會通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互聯系，建立認知模型，并會運用模型解釋化學現象，揭示化學反應的本質和變化規律。因此，模型認知是化學學習和化學教學必不可少的方法，培養學生的模型認知能力已經成為化學課程改革的重要內容之一。學生化學核心素養的培養需要在日常教學中落實。教師在教學中將抽象的化學知識形象化、具體化，引導學生從點、線、面多維度進行知識構建，運用多種模型來描述和解釋化學現象，或者依據物質及其變化的信息來建立解決復雜化學問題的思維框架，有利于發展學生的模型認知能力，有效提高化學教學質量。

一、解讀初中化學物質的認識模型

模型是人們為了達到對目標對象進行解釋、認識或研究等特定目的，對目標對象所做的一種簡化、直觀、定性或定量、文字或圖形的描述［1］。模型認知是指利用模型認識事物或通過構建模型解決問題的一種思維方法。素養為本的初中化學教學，教師要重視模型的凝練和構建，引導學生基于具體的化學知識來構建具有廣泛遷移價值的化學認知模型［2］，發展學生的化學核心素養。

《2022年版化學課標》設置了五大學習主題，將基于化學核心素養的課程目標具體轉化為內容要求，讓化學核心素養落實變得有徑可循。學習主題2“物質的性質與應用”（如圖1）中，核心知識“常見的物質”選取具有基礎性和代表性的物質，貫穿初中化學教學全過程，對學生知識和能力的要求整體呈螺旋上升態勢。常見的物質與生產、生活、科技有密切聯系，情境素材豐富，實踐探究多樣，能引起學生的化學學習興趣。但學生在不同階段逐一認識了各個具體物質后，面對大量的事實性知識，若缺少思路與方法的提煉，忽視物質之間的聯系，碎片化的學習方式容易造成學生的認識角度單一，停留在辨識記憶等較低的學科能力水平，解決問題的能力較低，無法在陌生情境中多角度分析和解決復雜問題。因此，教師要通過構建認識物質的思維模型，將物質的存在、組成、性質、變化和用途等認識視角之間的相互聯系進行整合，幫助學生形成有序的化學知識體系。

胡久華等基于教學實踐提出初中階段物質的認識模型（如圖2），共分為三級認識角度，包含組成及構成、性質、用途及影響、存在、制備五個一級認識角度，并對一級認識角度進行細化，幫助學生形成分析問題的思維方式［3］。但是物質的認識模型不能當作一個具體知識點傳授給學生，而是應該通過特定實例的學習過程逐步讓學生自主構建起來［4］。在模型構建的過程中，教師起到充分的引導作用，幫助學生理解和掌握各認識角度之間的聯系。

圖2 初中階段物質的認識模型

二、培養學生模型認知能力的教學思考

（一）教材的地位和作用

“金剛石、石墨和C60”一課位于人教版化學九年級上冊第六單元“碳和碳的氧化物”課題1。學生從已有的生活經驗中獲得了一些有關碳單質的感性認識，通過前面五個單元的學習，基本形成了由現象分析性質，由性質推演用途的邏輯思維方式，是初步建立物質的認識模型的較好時機。然而，學生對物質的性質與其內在結構的關系尚不十分清晰。因此，幫助學生建立“結構—性質—用途”三者之間的聯系，形成物質的認識模型三個一級認識角度（如圖3），使學生認識到化學在促進社會發展和提高人類生活質量方面的重要作用，是本課題的重要認知目標。

圖3 物質的認識模型三個一級認識角度

（二）教學中注意探討的問題

教材介紹了金剛石、石墨和C60都是碳單質，三者因碳原子排列方式不同導致各自性質存在明顯差異；介紹了金剛石和石墨的性質與用途，木炭、活性炭、C60的結構、性質與用途；介紹了碳單質的研究進展、人造金剛石和金剛石薄膜。教師通過實物、圖片、模型等直觀手段引導學生感受和體會物質的結構與性質，知識要求不高。結合日常教學經驗，筆者認為，教材存在以下幾個值得注意的問題。

第一，教材僅設置了“木炭或活性炭的吸附性”實驗，對金剛石和石墨的物理性質并未設置實驗探究，缺少足夠的直觀感受和體驗幫助學生了解金剛石和石墨的物理性質，學生難以形成性質決定用途的觀念。

第二，《2022年版化學課標》學習主題3“物質的組成與結構”的學習活動建議提出，以金剛石和石墨為例，探討物質組成及結構與物質性質的關系，可見金剛石和石墨是學生形成結構決定性質觀念的重要抓手。但是教材對金剛石和石墨的結構只有圖片呈現，沒有進行文字說明。日常教學中，教師會用金剛石、石墨的球棍模型輔助說明，但是這些傳統教具通常是由塑料球和金屬棒或硬質塑料棍組裝而成的，難以體現石墨層之間容易滑動的微觀結構特點，教具的使用對教學目標達成的貢獻較低，難以落實微觀探析、模型認知素養。

第三，教材通過正文、資料卡片等介紹了碳單質的研究進展、化學學科的新發展方向。對于新型碳材料的應用，教師在教學時若一筆帶過，會使課堂教學錯失化學學科育人的重要時機。新型碳材料的應用可以讓學生體會到化學對生產、生活、科技、社會的貢獻和作用，通過了解中國科學家的成就培養學生民族自豪感和愛國情懷、科學態度和社會責任。

（三）教學思路及教學目標

在實際教學中，許多教師會采用講解、閱讀、對比的方式進行教學，幫助學生形成“結構決定性質、性質決定用途”的認知模型。但由于以上三點原因，在這一物質的認知模型形成過程中，學生因缺乏深刻感知和事實性證據為支撐，難以將生硬灌輸的化學觀念內化，更難以將所習得的化學觀念較好地運用于之后的化學學習中。因此，教師可以通過豐富的實驗探究、直觀的模型、數形結合推理等方式，引導和啟發學生認識物質的結構、性質和用途之間的關系，使學生在自主構建和運用認識模型的過程中體會模型的結構化和系統化，形成從多角度認識物質的學習習慣，學會尋找規律方法進行歸納和總結，從而在今后的學習中完善認識模型，發展模型認知能力。

依據課標要求、教材內容、教情和學情分析，筆者確定“金剛石、石墨和C60”第一課時的教學目標如下：通過實驗探究、模型推理，認識金剛石、石墨、木炭和活性炭的結構、性質與用途，培養學生的科學探究能力；通過對比、歸納，建立物質的組成、結構、性質之間的物質認識基本模型，初步形成多角度認識和研究物質的視角，培養模型認知素養；通過對碳單質的知識拓展和對石墨烯應用真實情境的展示等，培養學生的愛國情懷、科學態度和社會責任。

三、構建并運用物質認識模型的教學策略

知識是學科育人的關鍵要素，是有待發育的“精神種子”，教學活動是“土壤”和“發育過程”［5］。基于以上分析，教師通過創設問題情境，引導學生開展化學實驗探究活動，從化學學科的視角、通過科學的思維活動去構建并運用物質認識模型，理解結構、性質、用途之間的聯系，形成化學觀念，養成科學態度和社會責任，由此發揮化學學科的育人價值［6］。

（一）采用豐富的實驗探究活動，增強學生的學習體驗與感知

教師以“浪漫盲盒”為新課導入，讓學生從屏幕的提示信息猜想盲盒中的碳單質是什么。學生根據光彩奪目、堅硬、無色固體等物理性質特征，猜想盲盒中是鉆石。接著，教師給學生展示“大鉆石”（塑料）和金剛石刻刀，提出問題：“鉆石的主要成分是什么？如何鑒別真假鉆石？”具有沖擊力的“大鉆石”點燃學生的學習熱情和探究欲望，在教師的引導下，學生進行化學實驗探究活動。

活動任務一：鑒別真假鉆石

學生交流討論并完善鑒別方法：分別用“大鉆石”和金剛石刻刀上鑲嵌的金剛石以相同的力度劃玻璃，通過對比劃痕的深淺鑒別真假鉆石。實驗探究活動讓學生真實感受到鉆石、金剛石的堅硬，知道金剛石可以用于切割玻璃等，認識物質性質與用途的關系，歸納概括出物質性質決定用途、用途反映性質的結論，初步形成物質認識模型中“性質—用途”的聯系。

活動任務二：體驗石墨的神奇

根據石墨在生活中的應用，教師引導學生從用途反映性質的角度，對石墨的物理性質進行合理猜想。

師：同學們能根據石墨的用途，推測其具有的物理性質嗎？

生1：石墨可用于制作鉛筆芯，由此可知石墨顏色深、較軟。

生2：由石墨電刷或石墨潤滑粉可知石墨較潤滑。

生3：根據石墨電池電極推測其具有導電性。

接下來，教師提供石墨棒、石墨粉、6B鉛筆芯和2H鉛筆芯等實驗物品，指導學生進行實驗探究，充分感受石墨的顏色、光澤、質地、潤滑度和導電性等物理性質（如表1）。學生在體驗式的探究活動中認識石墨的物理性質，驗證了猜想。至此，物質的認識模型中“性質與用途”部分得到驗證和運用，為后續模型的完善打下了基礎。

表1 探究石墨物理性質的學生活動

[石墨的物理性質 學生活動 顏色、光澤、質地 學生分別用6B和2H鉛筆芯，以相同的力度在紙上涂畫，比較石墨的顏色，然后傾斜紙張繼續觀察石墨的光澤 潤滑度 學生用手指捻一捻石墨粉，感受手指的觸感 導電性 學生將石墨棒、6B鉛筆芯和2H鉛筆芯分別接入相同的電路中，比較小燈泡的亮度 ]

（二）改進現有教學用具，數形結合突破結構與性質的關系

學生通過實驗探究認識了金剛石和石墨的物理性質后，教師提出問題：“金剛石和石墨都是自然界中存在的天然礦石，為什么它們都能穩定存在？同為碳單質，為什么金剛石堅硬，而石墨質軟、滑膩呢？”學生運用初步構建的“性質—用途”模型無法解釋金剛石、石墨硬度的差異，“石墨穩定存在但質軟易切割”這個問題中的矛盾更是激起學生的求知欲望。此時，教師引出微觀結構，利用模型演示、數形結合兩種方式探秘碳單質的結構，化抽象為具象，引導學生在討論和交流中外顯對結構與性質的認知水平，最終完善“結構—性質—用途”的物質認識模型。

現有教學教具石墨的球棍模型（如圖4），模型層與層之間的碳原子使用金屬棒連接，較難表現出石墨層間易發生滑動的結構特點，因此教師利用塑料軟管將層間的金屬棒進行替換。教師展示石墨和金剛石的結構模型，推動和按壓石墨的結構模型，觀察發現“石墨層”之間可以滑動，但是層內碳原子之間無明顯變化；推動和按壓金剛石的結構模型，發現金剛石結構穩定無明顯變化。

為了進一步說明，教師運用多媒體展示石墨和金剛石的微觀結構模型，將結構中碳原子間的距離標出（如圖5），并提供資料卡片“碳原子間的距離越近，碳原子間的作用力越強”。教師用數形結合的方式化抽象為具象，幫助學生從“物質結構決定性質”的角度理解石墨與金剛石的差異。學生完善物質的認識模型，明白石墨層與層之間的作用力較弱，容易破壞，容易滑動，所以石墨質地軟、有滑膩感，但層內碳原子間的作用力較強，較難破壞，所以常溫下石墨能穩定存在；金剛石結構中碳原子間的作用力都較強，難以破壞，因此金剛石堅硬且穩定。

圖5 石墨（左）和金剛石（右）的微觀結構模型

在豐富的實驗探究活動中，學生能獲得感性的體驗和理性的事實性知識。為了鍛煉學生運用模型描述和解釋化學現象的能力，教師要求學生運用物質的認識模型進行分析，說明木炭、活性炭具有凈水除味的性質和用途。學生運用“結構—性質—用途”的物質認識模型，討論總結出木炭和活性炭都具有疏松多孔的結構，因此具有吸附性，可以吸附色素、異味的結論。

（三）使用地方特色情境素材，體現學科知識與社會生活的聯系

隨著科技的發展與研究的深入，除了天然存在的物質，人類創造出了許多新物質。C60等新型碳單質的發展與應用除了具有知識功能價值，還是學生鏈接前沿科技、拓展視野的重要窗口。將前沿科技信息與學生的真實生活相聯系，滲透科學、技術、社會、環境（STSE）教育理念，使學生在學科知識、情感態度等多角度得到收獲。

首先，教師播放視頻介紹世界首條石墨烯大橋——南寧大橋，作為介紹新型碳單質的地方特色情境素材，讓學生真實感受新型碳單質在生活、生產、科技發展等方面的廣泛應用，深刻體會化學學科對社會發展的貢獻，激發學生的民族自豪感和文化自信。使用時代性的地方特色情境素材，能將化學與可持續發展、化學與社會等大概念落在細處、落在實處，實現學科育人。

然后，教師要求學生結合教材介紹、認識模型及查閱的資料，說一說C60、石墨烯、碳納米管的結構、性質與用途之間的聯系。學生再次運用“結構—性質—用途”的物質認識模型分組討論，得出下面的結論：C60形似足球，內部中空，因此C60性質比較穩定，可以作為負載材料應用在生物學、醫學等方面；石墨烯和碳納米管是單層或管狀結構，是石墨加工后的新型碳單質，具有優良的導電性、導熱性，在電子器件、航空航天、儲能材料等領域有重要的應用。

四、培養學生模型認知能力的教學效果與反思

（一）以感促悟，培養嚴謹的科學態度

探究金剛石、石墨的物理性質實驗是本課重要的兩個教學活動。教師在課后訪談中發現，學生非常喜歡參與課堂探究實驗，對實驗現象印象深刻，知識掌握較牢固。學生在設計實驗方案、完成實驗的過程中，能夠根據預測的性質設計相應的驗證實驗，加強了對控制變量法等實驗方法的認識，培養了嚴謹求實的科學態度。

（二）化虛為實，發展宏微辨析能力

金剛石、石墨、C60等物質的結構與性質的聯系是本課的重難點。學生在本課學習之前，對物質的組成、構成有一定的認識，但不清楚原子的排列方式如何影響物質的性質。為了打開學生的認識視角，教師在教學活動中讓學生通過觀察形象化的結構模型教具、分析數形結合的模型圖片，感受宏觀性質與微觀結構的關系，發展宏觀、微觀辨析能力。同時結合模型教具中運用到的物理知識、數形結合的模型圖片中呈現的數學知識，體現了化學與其他學科的交叉融合，有助于引導學生探討和理解學科知識與科技、社會、環境之間的相互聯系，發展新時代人才所必備的核心素養。

（三）由內而外，提高模型認知素養

思維的形成是認知過程中的高階要求，絕不是在教學活動中簡單的“想一想”就能達成的。本課為了幫助學生構建“結構—性質—用途”認識模型，發展學生的模型認知能力，教師在教學活動中分階段、正逆多向引導學生對模型進行搭建和運用。學生根據金剛石的物理性質實驗內化性質決定用途的知識，根據石墨的物理性質實驗內化用途反映性質的知識，在石墨和金剛石的微觀結構探究中內化結構決定性質的知識，最終在活性炭的分析中外顯認識模型，在新型碳材料的分析中有效檢驗學生面對陌生問題時調用物質的認識模型分析和解決問題的能力。

（四）舉一得三，發揮化學育人價值

本課構建了物質的認識模型中的“結構—性質—用途”模型，還有“存在”“制備”及更多二、三級視角需要搭建和完善。本課只是物質認識模型構建的開端，今后在碳的氧化物的性質及制備、金屬、酸堿鹽等章節的教學設計過程中，教師應當有意識地將其納入物質的認識模型體系，以物質的認識模型為核心，將學科知識結構化，將學科思想體系化，充分發揮化學學科育人的功能價值。

總之，初中化學教師發展學生模型認知能力的教學，應結合化學課標及課程內容等對模型認識進行整體規劃設計，對模型進行內涵梳理及外延拓展，通過精心設計活動任務，幫助學生逐步構建認知模型并對模型進行遷移運用。化學學科育人應在教學活動中潛移默化地滲透，讓學生理解化學知識，形成化學學科思想，掌握化學學科能力，達到較好地運用模型方法解決具體情境中復雜問題的教學效果。

參考文獻

［1］邢紅軍.論科學教育中的模型方法教育［J］.教育研究，1997（7）：53-56.

［2］鄭長龍.化學學科理解與“素養為本”的化學課堂教學［J］.課程·教材·教法，2019，39（9）：120-125.

［3］胡久華，章潔妮，林佩賢.基于認識模型的初三物質主題復習教學［J］.中學化學教學參考，2020（7）：55-60.

［4］張永久.基于化學認識模型發展學生認識素養［J］.教學月刊·中學版（教學參考），2020（6）：39-43.

［5］郭元祥.論學科育人的邏輯起點、內在條件與實踐訴求［J］.教育研究，2020，41（4）：4-15.

［6］畢華林，王雨.化學學科育人價值及其實施路徑分析［J］.中小學教材教學，2023（1）：40-44.

（責編 韋榕峰）