核心素養(yǎng)視域下高中生化學建模能力培養(yǎng)研究

摘 要：培養(yǎng)高中生的建模能力是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中關于培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的具體要求之一。對此，文章提出，教師需要拓寬教學途徑，如利用實際化學問題激活學生的模型建構意識、聚焦多重表征鍛煉學生的建模能力、根據(jù)不同的教學需求引入信息技術手段。在這個過程中，教師應考慮高中生化學建模能力的基礎，利用情境教學、實驗教學、示范教學等方法，促進學生進行建模思考，提高學生的學習思維水平，在回答問題、實踐應用中運用模型構建方法。

關鍵詞：高中化學；核心素養(yǎng)；建模能力

中圖分類號：G427" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2097-1737（2025）03-0051-03

核心素養(yǎng)是定位于培養(yǎng)全面發(fā)展的人所提出的教育概念，在高中化學學科中引申出了五個維度，即宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認知、科學探究與創(chuàng)新意識、科學態(tài)度與社會責任。其中，證據(jù)推理與模型認知素養(yǎng)的生成需要學生具備模型假設、推理能力，可以找準并建立觀點、結論、證據(jù)間的邏輯關系。對此，高中化學教師可以基于以上要求推進教學活動，以提高學生的建模能力促進其化學學科核心素養(yǎng)的生成。

一、核心素養(yǎng)視角下高中生化學建模能力的培養(yǎng)層次和模式

（一）能力培養(yǎng)層次

高中生的化學建模能力是由模型表征能力、模型建構能力、模型應用能力組成的，在整個建模能力體系中分別占比30%、30%和40%。其中，模型表征能力是指學生在遇到化學問題時可以準確識別出其理論模型，抓住問題的關鍵，提煉有用的信息，通過簡化的、概括的方法用模型表述問題；模型建構能力是指學生可以拆分、化解化學問題，用分析、歸納的方式抓住問題中的主干化學知識、信息，用化學語言重新加工信息、處理問題；模型應用能力是指學生對已經(jīng)建構的化學模型進行評價及改進，進而動態(tài)應用該模型解決問題[1]。

（二）能力培養(yǎng)模式

化學模型按照不同的分類依據(jù)可以分為物質(zhì)模型、想象模型、符號模型和表達模型等，但總體上學生需要具備的建模能力是相對共同的、一致的。根據(jù)高中生的學習特點、學科基礎，教師可應用五步教學法培養(yǎng)其化學建模能力：第一步，拋出問題情境，引發(fā)學生思考；第二步，指導學生明確建模目標，選擇對應模型以體現(xiàn)原型特點；第三步，展示并分析模型原理、方法，引導學生自主建構新模型；第四步，應用模型解決實證問題，暴露個人建模短板；第五步，評價并改進模型，用精化模型更好地描述化學問題或解釋特定現(xiàn)象。

二、核心素養(yǎng)視角下高中生化學建模能力的培養(yǎng)流程

（一）圍繞實際問題激活學生的模型建構意識

化學來源于生活，從生活中提取的素材即是簡單的模型形態(tài)。要培養(yǎng)高中生的化學建模能力，教師可以從生活實際問題入手，激發(fā)其模型建構的意識，同時在使用化學模型解釋生活問題的過程中培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和社會責任感。比如，教師可以從實際出發(fā)，提問學生是否了解蒸饅頭的過程，蒸饅頭需要使用哪些食材，是否知道食材間發(fā)生了怎樣的化學反應。學生帶著問題觀看實驗視頻，寫出實驗中涉及的化學反應方程式，并利用相關化學知識回答初始問題，解釋類似的生活現(xiàn)象[2]。

（二）圍繞多重表征鍛煉學生的模型建構能力

高中生已經(jīng)具備了初步的模型意識和模型建構能力，但對于模型的認知相對淺顯，習慣用單一的方式來表征化學概念。因此，教師需要有意識地引導學生使用多種方式來建構模型，以提高其建模水平。例如，在講授“沉淀溶解平衡”一課時，教師要循序漸進推進學生建模能力的生成：第一階段先讓學生通過宏觀表征表達實驗現(xiàn)象；第二階段引導學生宏觀思維向微觀思維進行轉(zhuǎn)變，嘗試用微觀表征呈現(xiàn)粒子和粒子間的相互作用；第三階段讓學生發(fā)散思維，探索用符號表達溶液離子方程式、用曲線畫出溶解平衡曲線圖等不同的建模方式，并讓學生對比不同建模方式的優(yōu)缺點，形成系統(tǒng)的知識和能力架構。

（三）圍繞信息技術降低學生的模型建構門檻

不同學習基礎的學生具備的化學模型建構能力有所差異，而不同的課時知識又給學生建構模型提出了不同的難度要求。這就需要教師充分利用信息技術豐富教學方法，幫助學生利用有效的學習工具完成學習任務，體會化學建模的樂趣，獲得學習成就感。例如，教師可以建議學生使用NOBOOK虛擬軟件完成具有危險性的化學實驗，獲得建模所需的關鍵數(shù)據(jù)和信息；再操作MindMap繪制電子版思維導圖，梳理所獲得的信息，為建構模型作準備；接著對應思維導圖，使用ChemDraw軟件繪制分子結構模型。這一過程可以提高學生的學習效率和質(zhì)量。

三、核心素養(yǎng)視角下高中生化學建模能力的培養(yǎng)策略

（一）創(chuàng)設教學情境

模型思維是化學建模能力的重要組成部分。在教學中，教師應當引導學生注重參與建構模型的過程，發(fā)揮學生的主體地位。這需要教師創(chuàng)設一定的情境，激發(fā)學生的變化觀念與平衡思想，產(chǎn)生證據(jù)推理與模型認知的基本想法。

其一，教師可以選擇以舊知導入的形式創(chuàng)設情境。例如，講授“化學平衡移動”時，教師可利用NO2引導學生回顧化學平衡狀態(tài)的特征，總結化學平衡的本質(zhì)。教師可以提出問題：“如果外界條件發(fā)生改變，化學平衡狀態(tài)被破壞，過了一段時間，這樣的平衡狀態(tài)是否會重新建立？如果建立了，化學平衡移動概念模型應當是怎樣的？”在問題的驅(qū)動下，學生進行推理、驗證，書寫概念模型。其二，教師可以選擇真實的問題作為情境創(chuàng)設材料，吸引學生注意力，激發(fā)學生好奇心，使學生關注到與化學相關的社會問題。例如，講授“鹽類的水解”時，教師可以播放毛竹的相關圖片和視頻，補充某地毛竹林的文字資料，如土壤酸化。然后，教師提出問題：

“你想到了哪些與土壤酸化有關的知識？”根據(jù)學生的答案教師繼續(xù)追問：“常見氮肥有哪些？NH4Cl是鹽，為什么會使土壤酸化？如何證明自己的猜測？”

教師以此為學生搭建現(xiàn)實問題與化學知識之間的模型聯(lián)系[3]。其三，教師可以利用化學史實資料創(chuàng)設情境，給學生進行提示，升華學科的內(nèi)涵。仍以“化學平衡移動”為例，教師可以介紹勒夏特列原理的意義，然后分別使用科學歷史、現(xiàn)代社會案例揭示這一原理的平衡思想，對學生進行啟發(fā)，讓其在小組討論中嘗試找到化學平衡移動的一般規(guī)律。

（二）進行實驗探究

高中化學教學要以實驗為主要形式，幫助學生理解、記憶知識，培養(yǎng)核心素養(yǎng)。同樣，培養(yǎng)學生的化學建模能力也需要進行實驗探究，讓學生在宏觀辨識和微觀探析中推理證據(jù)、認知模型，生成科學探究精神。

例如，教師可順應已創(chuàng)設的情境，或者學生的好奇心拋出問題“既然化學平衡的方向可以移動，那什么樣的條件會促使這樣的移動發(fā)生？”，引導學生通過實驗進行探究。學生首先要在宏觀上對實驗現(xiàn)象進行觀察，如觀察不同試管的顏色變化情況；然后再使用微觀化學知識進行分析和解釋，如“導致顏色發(fā)生變化的原因是哪個溶液發(fā)生了怎樣的水解？在已發(fā)生水解的溶液中再加入哪種化學物質(zhì)，會使其中的某一化學元素生成物濃度增加，進而出現(xiàn)平衡移動？”。學生要學會用化學語言描述這樣的實驗過程，建立語義模型。教師根據(jù)學生的學習結果進行引導：“我們能否根據(jù)現(xiàn)有實驗現(xiàn)象總結出濃度與化學平衡之間的關系？”學生進一步收集證據(jù)，進行分析和推理：“濃度為什么會影響平衡的移動？

可以使用哪些化學知識進行驗證？”學生在小組內(nèi)進行討論分析，用圖像表征建立模型[4]。

課堂時間充裕且實驗內(nèi)容安全時，教師可以讓學生從設計實驗方案開始完成實驗探究下的完整的模型建構，以進一步提高學生的創(chuàng)新能力和動手能力。例如，小組合作設計驗證氮肥使土壤酸化的方案，選擇并裝置實驗設備。在得出第一次實驗結果之后，學生從微觀角度使用證據(jù)總結實驗結論，進行小組展示和組間評價。該過程的目的是激發(fā)學生的認知沖突，使學生能從不同的實驗結果逆向反推化學實驗的本質(zhì)，幫助學生科學、合理地運用實驗，初步建構宏觀、微觀模型。

（三）示范分析模型

學生的化學建模能力是逐步生成、逐步提高的，教師在此過程中雖然扮演著指導者的角色，但也需要通過示范講解輸出正確的知識，以幫助學生深刻認知化學本質(zhì)。

教師可以通過再次演示實驗和學生共同分析模型。對于“化學平衡的建立與移動”部分的知識，教師在讓學生通過完成電化學反應實驗探究化學平衡問題并建立模型之后，可再向?qū)W生演示幾種實驗，讓學生進行觀察，雙方共同得出模型分析的結論，如向裝有KI溶液的燒杯中加入少量KI固體，觀察電流表指針的偏轉(zhuǎn)方向、偏轉(zhuǎn)角度，記錄反應進行時電流表指針的變化情況。結合本小組所完成的實驗，學生思考以下問題：是否存在可逆反應？老師所完成實驗的模型與自己所繪制的模型有什么區(qū)別？在不同條件下實驗現(xiàn)象達到平衡狀態(tài)是否是同一種平衡？教師引導學生進行口頭表征描述，建立模型思維。接著，教師用“速度—時間表”表示平衡移動的過程，呈現(xiàn)晦澀難懂的化學概念，引導學生繼續(xù)思考問題：如果降低了反應物的濃度，平衡會如何移動？增加濃度平衡又會如何移動？教師可以在已生成的圖像模型中畫出曲線關鍵點，助力學生實現(xiàn)由感性認知到理性認知的過渡[5]。

（四）適時適度提問

無論是讓學生通過實驗建構模型，還是讓學生參與到模型分析過程中，教師都應當在合適的時機提出難度、方向恰當?shù)膯栴}，促進學生不斷地思考，在科學探究中生成核心素養(yǎng)。

例如，在分析氮肥導致土壤酸化的根本原因時，教師可以分別提出引導性問題和核心性問題。引導性問題可以包括：“基于實驗可以看到NH4Cl溶液是由什么組成的？其溶液體系中有哪些微粒？電離方程式是什么？離子間相互作用是否對水的電離有影響？”提出引導性問題的目的是讓學生深挖pH值的價值，從微粒來源、種類、相互作用等多個化學微觀角度，探究NH4Cl溶液呈酸性的根本原因，并圍繞證據(jù)鏈條進行合理推理，以分析模型。在學生給出答案后，教師可以追加核心問題：“為什么NH4+會和H2O電離出的OH-發(fā)生離子反應？”該問題可以引導學生從電離角度初步體會“有弱才水解”的化學規(guī)律，培養(yǎng)學生的微觀探析核心素養(yǎng)。

（五）實踐應用中完善模型

學生形成模型意識、完成模型分析后，還要應用模型，并在應用中檢驗自我。這種應用可以是解習題，也可以是設計實際問題的解決方案。

例如，在“化學平衡移動”的模型應用階段，教師可以提出問題：想要在化學工業(yè)生產(chǎn)中提高合成氨的產(chǎn)率可選擇以下哪種方法？（1）向反應器中注入過量N2；（2）采用適當催化劑；（3）在高壓下進行反應；（4）在較高溫度下進行反應。又如，在“鹽類的水解”模型應用階段，教師可以讓學生回顧情境素材和預設問題，結合課外資料思考：“可以使用哪種科學方法控制竹林土壤的酸化問題？”該問題既能檢驗學生課堂學習的成果，又催生了學生的社會責任意識和環(huán)保觀念。

四、結束語

培養(yǎng)學生的建模能力是《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》的要求，是讓學生生成核心素養(yǎng)的必然途徑。教師要基于核心素養(yǎng)各要素的特點，順應高中生的學習思維、成長規(guī)律，設計相應的教學活動，讓學生對完成化學建模有正確的認知、主動的想法，同時具備合格的個人能力。要注意的是，在這一過程中，教師要充分尊重學生的主觀能動性，有意識地引導其使用多重表征進行建模練習，逐步提升其建模水平。

參考文獻

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作者簡介：陳清峰（1982.11-），男，福建福鼎人，任教于福鼎市第六中學，一級教師，本科學歷，

福鼎市優(yōu)秀教師，榮獲福鼎市高中化學優(yōu)質(zhì)課一等獎、寧德市作業(yè)設計二等獎、福建省“一師一優(yōu)課”

省級優(yōu)質(zhì)課。