基于建模的教学探究

李岚媛　白洁　闫春更　周宝石　周青

摘要：以化学键为例，基于建模教学的一般模式（情景分析、模型建立、模型分析、模型拓展、模型应用）设计教学，试图让学生完成对化学键概念的主动建构。作者对此建模教学进行了实证研究，结果表明实验班和控制班成绩有显著性差异，说明此建模教学显著提高了教学效果。

关键词：建模教学；化学键；教学设计

文章编号：1008-0546（2017）03-0007-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.03.002

一、引言

模型与建模是科学发展中的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力[1]。所谓模型是指对问题进行抽象、简化、类比、概括，抓住主要特征，忽略次要特征，以不同的表征形式，例如图像、文字、符号来呈现现象、概念、过程或是事件等，以达到不同的功能与目的。建模顾名思义即是建构模型的过程，它是一种有效参与式的，重要的学习方式[2]。建模教学对促进学生知识的学习和思维的发展具有重要意义：其一，学生可以通过建构历程了解科学知识的本质和来源，進而获得对知识深刻而全面的理解[3]；其二，建模教学有利于落实以学生为主体的新课程理念，实现学生对知识的主动建构；其三，建模教学可以培养学生抽象、概括、类比、模拟、归纳、演绎等思维能力。建模教学相比传统教学的优越性已经得到很多研究的证实。

建模教学是美国物理学家David Hestenes[4]针对学生学习物理时普遍存在效率低、记忆时间短等问题首次提出来的一种有效教学方式，他认为只有当把物理理论的结构和物理学家的思维、心理历程清晰地展现出来，学生对客观世界的相关认识才能实现由生活经验向科学概念的转变。Hestenes认为建模教学主要包含四步：第一步，分析情境，确定建模目的；第二步，通过假设、类比等方法建立模型；第三步，分析模型的有效性、局限性；第四步，得出结论，并将模型应用于其它新问题中。1996年Halloun[5]在此基础上提出了基于问题解决的建模过程，主要包含五个部分：（1）模型选择，根据建模目的，从已有知识和经验中选择一些基本的、简单的模型；（2）模型建立，对所选模型的成分和结构进行再次建造，并建立解决问题的数学模型；（3）模型效正，发挥批判性思维，根据具体的问题情境对模型作出适度的变型；（4）模型分析，加工数学模型，得到问题答案，并对答案作出解释；（5）模型拓展，用已有模型去描述、解释、预测新问题或者在此模型的基础上进一步建立新模型。

本文在此基础上提出化学建模教学的步骤：

（1）情景分析，通过感受实验现象或实际生活问题，明确建模的目的；（2）模型建立，根据已有知识和经验通过类比、假设等方法建立模型，并借助概念、数字、图形等对所建构的模型进行表征；（3）模型分析，进一步确定模型的核心部分，分析该模型的局限性；（4）模型拓展，将此模型和其它情景相结合，建立新模型；（5）模型应用，将建立的模型应用到其它情境中。

化学键是高中化学的核心概念之一，它解释了原子形成分子或物质的过程，揭示了化学反应的实质，有利于学生从微观角度认识宏观物质和化学反应，对学生养成宏微结合、变化守恒的学科思想有着十分重要的作用。在化学键教学中，教师一般第一课时讲授离子键，第二课时讲授共价键，要求学生在学习离子键的基础上进行知识迁移学习共价键。然而，考虑到实际课程安排情况，将离子键、共价键分课时讲授导致学生类比迁移效果比较差，不利于学生类比迁移能力的发展和对化学键概念的整体建构。此外，教师往往忽视概念的建立过程，课堂教学仅限于介绍概念、训练巩固概念，而不能引导学生厘清概念的来龙去脉，让学生深入理解概念。本研究采用建模教学的方法，突出化学键概念发展的历程，学生通过对比离子键和共价键形成过程的异同，完成对化学键概念的主动建构。

二、教学过程

1. 情景分析

[教师活动]播放小视频（丰富的物质世界），引导学生回忆元素周期表中的元素数目，抛出问题——元素的原子如何形成物质，引发学生思考讨论。

[学生活动]观看视频，积极思考，小组讨论2分钟，小组代表阐述意见。

（得出原子之间存在一种相互作用力）

设计意图：让学生明白建构化学键概念的原因，即让学生明确现在要解决的问题是原子是怎样形成分子或物质的？

2. 模型建立

[教师活动]通过PPT展示人类对原子结合为分子的认识过程。

（古希腊哲学家根据他们当时已有的知识和经验认为原子都是带钩子的球体，原子和原子相遇时，发生钩连；19世纪中期，随着物理学的发展，人们把原子间的结合力类比于磁铁的吸引或太阳系中各行星间的万有引力；近代以来，随着对原子结构认识的不断深化，人们发现当原子最外层电子是2（仅限于H和He）或8时，原子比较稳定，并且每个原子都有达到外层电子充满的趋势。）

[学生活动]认真观看PPT，聆听老师的讲解。

设计意图：让学生了解人们认识原子结合为分子的过程和化学键理论的发展历程，借助此发展史促进学生对化学键概念的建立。

[教师活动]引导学生独自画出H、Na、Cl的原子结构图，按照2或8电子稳定结构模型分小组讨论NaCl、HCl、H2、Cl2的形成过程。

[学生活动]先独自画出H、Na、Cl的原子结构图，再根据2或8电子稳定结构模型小组讨论（6分钟，可作适当调整）NaCl、HCl、H2、Cl2的形成过程，请小组代表发言。

设计意图：体现新课标将学习的主动权真正地交给学生的理念，让学生去积极思考，主动完成概念的建构。

[教师活动]通过PPT动画展示NaCl、HCl、H2、Cl2的形成过程。

[学生活动]观看PPT，对比自己的建构，体会离子键和共价键的形成过程。

设计意图：动画一方面直观、清晰地向学生展示原子结合成为分子的过程，另一方面也可以弥补部分同学想象力和理解力不足的问题。

[教师活动]根据微粒间相互作用方式的不同，帮助学生建立离子键、共价键和化学键的概念。

[学生活动]在老师的引导下，建构离子键和共价键的概念。

设计意图：通过NaCl、HCl、H2、Cl2四种物质所含化学键的异同，让学生在比较和对比中建构离子键和共价键的概念。

[教师活动]讲述用原子结构图表示化学键形成过程的不足之处，即表示方法复杂，不适合广泛应用，引出用电子式表示原子最外层的电子（板书举例Na原子、Cl原子、Na离子、Cl离子的电子式）。

[学生活动]认真聆听老师的讲解，学习用电子式表示相应的原子或离子。

[教师活动]将学生分组，要求学生小组讨论写出K原子、S原子以及K+、S2-的电子式。

[学生活动]小组讨论3分钟后，每个小组抽取1个人上黑板分别写K原子、S原子以及K+、S2-的电子式。

设计意图：电子式的书写对高一学生来说是一个全新的概念，需要教师通过具体实例板书说明，并通过学生练习进行强化。

[教師活动]投影加板书展示用电子式表示NaCl和HCl的形成过程，引导学生自己练习用电子式表示KCl、MgCl2和H2S的形成过程。

[学生活动]认真观看投影和老师板书所展示的用电子式表示NaCl和HCl的形成过程。在老师的帮助下尝试自己用电子式表示相应物质的形成过程。

设计意图：让学生进一步理解离子键和化学键的形成过程，学会用电子式表示原子、离子以及相应物质的形成过程。

3. 模型分析

[教师活动]借助PPT帮助学生回顾离子键和共价键的概念建构过程，引导学生借助表1，通过小组讨论总结共价键和离子键的异同并根据学生的情况进行补充、完善。

[学生活动]小组讨论，完成表格；小组代表发言，小组之内，小组之间互相补充；在老师的帮助下，完善离子键和共价键的相关知识。

设计意图：让学生通过小组内、小组间合作的方式逐步学会自己总结知识。在教学中深入贯彻学生是主体，教师是主导的理念。

（4）模型拓展

[教师活动]根据化合物所含化学键的不同，科学家对化合物又进行了分类，具体是怎么分类的呢？

[学生活动]通过阅读课本，获得离子化合物和共价化合物的定义。

[教师活动]设置两组化合物让学生辨别其是离子化合物还是共价化合物？第一组：NaCl、Na2O、HCl、H2S；第二组：MgSO4、Ca（NO3）2、NaOH。

[学生活动]根据离子化合物和共价化合物的定义进行判断。（第一组化合物皆只含一种化学键，学生都能正确判断，但是第二组化合物既含离子键又含共价键，根据课本上的定义，学生认为它们既是共价化合物又是离子化合物。）

[教师活动]指出课本上共价化合物的定义不严谨，应当是“只含共价键的化合物叫做共价化合物”。

[学生活动]明确共价化合物的定义，重新判断第二组化合物的种类。

设计意图：在学习离子键和共价键的基础上，丰富学生的物质分类观。教师首先引导学生阅读课本，使其初步获得离子化合物和共价化合物的分类标准，其次借助MgSO4、Ca（NO3）2等既含离子键又含共价键的化合物，引发学生认知冲突，随后通过对课本共价化合物的完善改进，促使学生完成对离子化合物和共价化合物概念的建构。

5. 模型应用

[教师活动]PPT展示化学反应的实质就是化学键的断裂和形成，并简要说明化学反应的吸热和放热现象就是由化学键断裂所吸收或化学键形成所释放能量的不同引起的。为下节课的学习埋下伏笔。

[学生活动]通过PPT与老师的讲解，从化学键的角度认识化学反应的实质。

设计意图：让学生初步理解化学反应的实质。

三、教学评价

笔者采用建模的教学方式进行“化学键”的教学，教学过程关注学生的既有知识和经验，既体现了建构主义的教学观和学习观，还体现了以学生为主体的新课程理念。该建模教学主要包括：（1）情景分析，让学生明确了学习化学键的原因和意义，激发了学生强烈的求知欲；（2）模型建立，借助化学史让学生感受和了解化学键的发展历程，选取合适的节点让学生在科学家的基础上自我发现、自我主动建构化学键的涵义；（3）模型分析，学生通过思考、交流进一步明确离子键和共价键的异同；（4）模型拓展，在学习了离子键和共价键的基础上，能从化合物所含化学键的种类入手建构离子化合物和共价化合物的概念，以一种全新的分类方式对化合物进行分类；（5）模型分析，了解化学键在化学反应中的作用。当化学键的课堂教学进行这样的调整之后，不管是课堂上学生的表现还是后期的纸笔测验成绩，都取得了令人满意的结果。值得一提的是平常化学学习困难的同学在课后主动找我欣喜地说，他竟然能听懂化学课，会做化学题了，平常化学学习一般的同学也说这节课逻辑清晰，听得特别明白。学生的真实反馈足以说明该建模教学的有效性。

四、研究结果

1. 建模教学显著提高学生学业成绩。

笔者选取陕西省渭南市某中学同一化学老师教授的两个高一平行班为研究对象，对此建模教学进行了实证研究。控制班也将化学键分为两个课时，第一课时讲授离子键，其流程为：先以氯化钠为例，讲解离子键的形成过程，再分别介绍离子键的定义、成键粒子、相互作用、形成条件，然后介绍离子化合物的概念，紧接着引入电子式概念，并分别学习用电子式表示原子、离子以及离子化合物，最后用电子式表示离子化合物的形成过程。第二课时讲授共价键，其流程为：先以氯化氢为例，讲解共价键的形成过程，再分别介绍共价键的定义、成键粒子、相互作用，然后用电子式表示共价化合物的形成过程，并区别出极性共价键与非极性共价键，给出了共价化合物的定义，最后讲解了复杂共价化合物电子式的书写。研究的主要内容是编制化学键问卷，测定建模教学的实施是否对两个班的教学效果产生显著性差异。诊断试题共7道选择题，每道题正确赋值1分，错误赋值0分，结果显示：实验班平均分为5.75；控制班平均分为3.80。用SPSS19.0对两个班答题情况进行独立样本检验，结果显示两个班成绩有显著性差异，分析数据见表2。这表明基于建模的化学键教学，能有效提高学生学业成绩。

2. 建模教学有利于学生理解和接受新知识。

本建模教学设计首先通过问题情境让学生明白为什么要建构化学键这一概念，激发学生的求知欲，接着利用人类对原子结合为分子的认识过程，让学生在近代科学家研究的基础上初步体会化学键的形成过程，最后学生通过对比微粒间的不同相互作用，完成对离子键和共价键概念的建构。这样的教学组织使学生深入知识发展的过程，不但学习了科学知识内容，还了解了科学知识的本质和来源，有利于学生理解和接受新知识，并且避免了学生学习知识时只知其然不知其所以然的状况。

3. 建模教学锻炼了学生抽象、概括、类比、模仿、归纳等各种思维能力。

建模教学除了有利于学生理解和接受化学概念之外，更重要的是促进了学生抽象、概括、类比、模拟、归纳等科学思维能力的发展。本教学设计在模型建立时让学生通过对比微粒间作用方式的不同自主建构离子键、共价键的概念，锻炼了学生的类比、抽象概括能力；模型表征时让学生模仿老师用电子式表示离子化合物和共价分子的形成过程，锻炼了学生的模仿能力；模型分析时让学生借助表格自主总结离子键和共价键的异同，锻炼了学生的归纳总结能力。各种思维能力蕴涵着很高的认识价值，学生一旦将它们内化为自己的认知图式，就能更加透彻地理解科學知识，获得认知水平的跃进。

4. 降低学生认知难度，活跃课堂气氛。

建模教学以建构主义为指导原则，关注学生原有经验并以此作为新知识的固着点和成长点，课堂教学以学生为主体，强调学生对知识的主动建构。本教学设计正是以学生已初步掌握原子结构、知道原子最外层电子数达到2或8时能够稳定存在这一原有认知为教学的切入点，引导学生自主建构化学键的概念，降低学生的认知难度。建模教学强调小组讨论，并营造良好的讨论氛围，构建学生之间互相帮助、互相合作的活跃课堂。

五、启发与思考

建模教学有利于落实新课程理念，将教学的重心从如何教转向如何学，从关注结果转向过程与结果并重[2]。教师成为学生学习的促进者与引导者，学生成为课堂的主体，是知识的建构者和生成者。将建模思想引入实际教学，有利于学生构建完整的知识体系，发展抽象、概括等各种思维能力，形成主动、积极的学习态度。建模教学作为一种高效的教学方式已广泛应用于数学、物理学科，但在化学教学中的研究还很少，化学建模教学策略以及学生对化学进行建模学习的认知机制还有待进一步研究。

参考文献

[1] 邱美虹. 模型与建模能力之理论架构[J].科学教育月刊，2008（306）：2-9

[2] 吴三香. 科学教育中“建模学习”的研究[D].扬州：扬州大学，2011

[3] 张静，郭玉英. 物理建模教学的理论与实践简介[J]. 大学物理，2013，02：25-30

[4] David Hestenes.Modeling software for learning and doingphysics：Thinking Physics for Teaching [M]. Carlo Bernardiniet al（Eds）.New York：Plenum，1995：25-65

[5] Ibrahim Halloun.Schematic Modeling for Meaningful Learning of Physics[J].Journal of Research in Science Teaching，1996，33（9）