基于認知模型的高中生化學概念學習研究

摘 要：化學概念學習需要學生具備一定的邏輯思維能力。通過認知模型的學習和應用，學生可以鍛煉自己的邏輯思維能力，學會從復雜的信息中提煉出關鍵要點，形成清晰的思維脈絡。這種能力不僅有助于學生在化學學科中取得好成績，還能為他們在其他學科的學習和生活中提供有力支持。通過學習認知模型，學生能夠深入理解化學概念的本質和內在聯系，而不僅僅是停留在表面記憶。這種深度理解有助于學生將所學知識應用到實際問題中，提高解決問題的能力。同時，對化學概念的深度理解還能激發學生的學習興趣，增強學習的主動性和持續性。

關鍵詞：高中化學；概念學習；認知模型；元素周期律

化學概念具有高度抽象性、概括性的特征，且是高中化學課程教學的重難點。如何界定化學，化學有哪些原理，這些知識點非常復雜，多數學生學習化學概念時存在吃力的情況[1]。所以，如何提升高中化學概念教學質量，是現階段化學教育的重點問題。從中學化學的考查狀況來看，在解決化學問題過程中，需要學生有獨立思考的能力。因此，在中學化學學習中，要強化學生的認知方式，便于從整體層面培養學生化學素養[2]。認知模型是描述人類如何理解、存儲、處理和應用知識的一種理論框架。在高中化學概念學習中，認知模型強調學習者主動構建知識網絡，形成系統的認知結構。通過運用認知模型，學生能夠更好地理解化學概念的內在聯系，提高學習效果。本文以人教版必修第一冊《元素周期律》課程為例，剖析認知模型下的高中生化學概念學習路徑。

一、提出問題

（一）元素周期律學習難點與問題

化學是一門以實驗為基礎的學科，實驗操作與觀察對于概念學習具有重要意義。學生應積極參與實驗活動，通過觀察實驗現象，加深對化學概念的理解。同時，實驗操作還能培養學生的動手能力和實驗設計能力。作為高中化學的一個核心概念，元素周期律對高中生認識物質性質與元素性質及其相關變化規律具有指導作用。歸納總結高中化學中的元素周期律概念、原理，重點在于研究物質結構、性質與用途的關系；元素位置、結構與性質的關系、物質與元素的遞變規律。不管是比較物質性質或是預測元素性質，都要求學生必須了解周期表內核心元素的位置與微觀結構[3]。整理當前高中生在化學課堂中的學習資料發現，對元素周期律的認識不足主要表現為：（1）概念模糊，思維混亂。盡管學生理解了從材料特性出發來證明化學特性的遞變定律，但也很容易將它們搞混，難以準確地將它們區別開來。（2）認知片面，輕重不分。學生在學習元素周期規律知識點過程中，對物質用途、物質結構以及性質推斷極為關注，但很少去探究元素結構、性質及位置關系。（3）思想不成體系。在預測未知因素的屬性時，缺乏合理的推斷和系統的分析思想。對材料特性的研究也只限于對材料的存儲和分類，預測未知物時，過度依賴元素位置，很少去分析物質結構。

（二）元素周期律認知模型的構建

對于高中化學概念教學來說，學習進階理論可描述高中生理解某核心概念和技能掌握，這就需要化學教師注重學生技能和概念學習方向、方法以及各階段水平要求，繼而分析學生的元素周期律規律認知層次。

為使學生以系統、有序的思維體驗展開學習，從知識維度、本體維度和問題維度三個方面，建立適合于高中的元素周期律的認知模式。這一模型以元素周期律為認知對象，主要為物質維度、元素維度[4]。元素維度的核心要素為結構、位置與性質，而物質維度核心要素則為結構組成、用途及性質，任務維度有分析型、設計型，采用數據分析與方案設計方式進行元素周期律的論證。

（三）元素周期律學習路徑

該課程學習前，大部分學生對元素周期定律的認知都停留在1級或者2級，即以分類觀點和代表性來了解有關材料的特性。大多數學生在前面學習元素化合物的時候，就以核心元素和代表物為主要線索，并在一定程度上掌握了一些科學探索和元素化合物的知識，但還沒有從元素屬性演化的核心要素出發[5]。

從最近發展區理論分析，當前的高dxO8HTy7URlSWwkf/RlpiA==中生所掌握元素周期律大多集中在水平3、水平4層面，也就是借助元素性質、元素位置以及元素結構進行其遞變規律的論證，繼而向水平5進階。探究、論證元素周期律的過程，為高中生提供了活動主線。

二、教學設計

由于化學概念固有的定義性、抽象性和具體性等特點，使其在中學化學概念運用上呈現出一些共同的特點。為此，對元素周期律的化學概念教學做出以下教學設計：

（一）教學目標

研究發現，元素的周期規律是人類在經過論證和推理之后，根據不同的事實和實驗結果，得出的一個科學理論，該過程極為漫長。高中化學元素周期律教學目標為：（1）學生在科學論證活動中，創建元素周期律的認知模型，自物質維度、元素維度理解和掌握物質性質、結構、用途的關系與元素結構、位置、性質的關系。（2）論證過程中，全面轉化學生的錯誤認知與迷思理念。（3）對元素周期律探究過程進行深入感知，加深對“演繹法”“分類”和“歸納”等概念的理解，明白所有科學理論都需要經過實踐認證。

（二）教學流程

記憶是概念學習的基礎，而有效的復習策略則能幫助學生鞏固所學知識。學生可以采用聯想記憶、繪制思維導圖等方法，提高記憶效果。同時，制訂合理的復習計劃，定期回顧已學內容，有助于保持對化學概念的持久記憶。將“元素周期律”設計為三課時教學，教學問題主線為元素周期律發現過程，以此對教學流程進行設計，具體包括：（1）溫

故知新。以重溫元素周期表的相關知識點為核心主題，元素周期律學習任務為重溫元素周期表的結構，對同主族原子結構、元素性質之間關系進行總結。（2）問題聚焦。以探索元素周期律形成路徑——聚焦問題、論點提煉為核心主題，該環節的學習任務主要包括元素組成物質、元素的共同屬性、元素排列規律、元素規律排列因素等。（3）論證過程。核心主題包括：a.元素結構、元素位置和元素性質之間的關聯性——分析、論證數據，該環節學習任務為外層電子數、電子層周期性變化；化合價周期性變化以及元素原子半徑；元素非金屬性、金屬性的周期變化；b.物質性質、物質結構、物質用途之間的關聯性——設計、論證實驗，該環節學習任務為論證元素之間的金屬性強弱，具體為：鋁、鎂、鈉的單質和酸、水反應，最高價堿堿性比較。元素非金屬性強弱論證，具體為：氯、硅、磷、硫的單價與氫氣反應，最高價含氧酸酸性比較；（4）理論提升。a.核心主題為元素結構、元素位置、元素性質的認知模型，學習任務為總結元素結構、元素位置和元素性質之間的關聯度，原子結構決定著元素性質和元素位置；b.核心主題為物質結構、用途、性質的認知模型，學習任務為總結物質性質、物質結構、物質用途之間的關聯度，論證元素性質與物質性質有著十分緊密的關系；c.元素周期律預測作用為核心主題，學習任務為基于元素周期律的認知模型，對未知元素性質進行預測與論證。

（5）學習反饋。核心主題為真題演練，學習任務為通過元素周期律認知模型展開高考選擇題的分析。

（三）教學過程

首先，對資料進行詳細研究。證明原子外部電子的排列方式，元素的價態和半徑的周期性改變。

學生活動A：填寫人教版化學教材表格。例如：以一至十八個元素為橫軸，以其最外層的電子數為縱軸，以元素的化合價為縱軸，繪制柱狀圖，并進行觀測。

學生活動B：依照教材表格的原子半徑數據，以原子量為橫軸，以原子半徑為縱軸，畫出折線，從點、線、面等多個層面對資料進行剖析，并總結出其規律性。

學生活動C：采用數據分析與圖表制作的方式論證元素周期律。在原子序數持續增加的情況下，會改變元素的半徑、最外層的電子排列及原子的價態。

其次，實驗證據。對金屬、非金屬周期性變動情況進行論證。

學生D：總結堿性元素內部的金屬性判定標準，經過實驗的設計，得出了鋁、鈉、鎂等元素的金屬性，其中，方案一：分析鹽溶液和金屬單質是否會有置換反應；方案二：分析空氣中金屬單質的燃燒程度；方案三：分析金屬單質和等濃度稀鹽酸反應程度；方案四：分析氧化物對應堿性，方案一～三的實驗依據為金屬單質還原性強弱順序、金屬活動順序；方案四的實驗依據為Al（OH）3、NaOH及Mg（OH）2的化學性質。學生以小組的形式來討論這個計劃的可行性，使用活動C進行試驗的記錄和檢驗，分析金屬單質還原性強弱，同時論證元素金屬性。

學生E：比較判斷鹵族元素非金屬性標準，通過實驗方案的設計，證明了其非金屬性的強弱次序。每個學生都在討論這個計劃的可行性，并在課本的基礎上，對該問題進行驗證。

學生F：通過課本上的“科學探究”，證明隨著原子序數的增加，元素的屬性呈現出了周期變化。在此基礎上，通過元素周期表的有關理論，歸納出元素結構對主族元素的傳遞、相似性和循環等規律的影響，建立元素的性質、位置和結構之間的關系，以及材料的性質。通過對材料的結構和功能之間的聯系，構建對材料的周期規律的認識[6]。

三、教學反思

隨著學習的深入和知識的積累，學生需要對已有的認知模型進行不斷優化和創新。這包括補充新的化學概念、完善知識結構、更新信息處理方式等。通過不斷優化和創新認知模型，學生可以更好地適應化學學科的發展需求，提高自己的學習能力和創新能力。學習效果評估是檢驗學生學習成果的重要手段。學生可以通過做題、參加測試等方式，檢驗自己對化學概念的掌握情況。同時，教師應及時給予學生反饋，指出學習中的不足和需要改進的地方，幫助學生更好地調整學習策略[7]。在教學研究過程中，根據學生學習進程的相關理論，建立了元素周期律核心理念的認知模式。項目研究有助于建立起“元素周期規律”的認知模式，深化“結構影響品質”這一基本科學問題的理解。在此基礎上，提出了“狀態—結構—性質”的概念，并提出了解決問題的方法。專題研究部分是以“工程”類型問題為主要內容的探索性研究，旨在提高對“結構—屬性—用途”的認識。在開展科學研究活動中，通過對“控變量法”的學科理念的學習，收集了許多實驗，確立科學的基本思路，并通過文獻資料的檢索、資料的分析，增強了學生的實踐意識[8]。在課堂上，化學教師應注意任務的系統與層次性，高度重視學生的學習方向、路徑及各層次的需求。基于認知模型的高中生化學概念學習是一種有效的學習策略，通過構建和應用認知模型，學生可以更好地理解和掌握化學概念體系，深入理解微觀結構與性質以及宏觀變化與規律之間的關系，提高實驗觀察和推理能力，掌握定量分析與計算的方法，并將所學應用于實際問題解決中。同時，不斷優化和創新認知模型也是提高學習效果和創新能力的重要途徑。

結束語

認知模型是個體在認知過程中所構建的知識結構和信息處理方式，它幫助人們理解、解釋和預測現象。在化學學習中，認知模型對于高中生系統地掌握化學概念、原理及規律具有重要意義。通過構建認知模型，學生可以更好地理解化學知識之間的內在聯系，提高學習效率和解決問題的能力。總而言之，隨著學習的深入和知識的積累，學生應根據實際情況對認知模型進行優化升級。這包括調整概念框架、完善知識體系、改進學習策略等方面。通過不斷優化認知模型，學生能夠更好地適應化學學習的需要，提高學習效率和質量。基于認知模型的高中生化學概念學習是一種科學而有效的學習方法。通過運用這種方法，學生能夠更好地理解化學概念，提高學習效果，為未來的化學學習和科學研究奠定堅實的基礎。

參考文獻

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[7]韓雪源.基于ISM法的中美高中化學教材結構比較研究：以“物質的量、氧化還原反應、元素周期律”為例[D].桂林：廣西師范大學，2023.

[8]催春香.指向深度學習的普通高中化學課堂學習活動設計與改進研究：以“鹽類水解”為例[D].蘭州：西北師范大學，2023.