基于“模型认知”的高三化学实验“主题串联式”复习研究

韦新平

摘要： 针对高三化学专题复习特点，提出三点思考： 情境创设、主题衔接，“催化”模型认知;问题导向、证据推理，“点燃”模型认知;建模、用模相结合，“升华”模型认知。以“无水氯化铝的制备实验”为例对高三化学实验的复习作具体分析和阐释。

关键词： 模型认知; 主题串联式复习; 学科核心素养; 无水氯化铝

文章编号： 10056629（2020）01003706

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 问题的提出

1.1 化学实验专题复习中存在的问题及思考

化学是一门以实验为基础的学科，实验对发展学生的化学学科核心素养有重要的作用。化学实验也是高考化学重点考查的内容，它将元素化合物知识、化学原理与实验装置、实验操作等相关知识融合在问题情境中，综合考察学生利用所学知识获取、加工、运用信息分析问题和解决问题的能力。然而，在化学实验专题复习中，由于知识容量大，内容关联性强，导致学生知识框架零散，知识记忆“碎片化”，缺乏系统性、方法性和规律性。高考试题中情境、装置、现象的陌生化，物质性质、反应原理的多样化都成为制约学生问题解决的瓶颈[1]。如何增进学生对化学实验专题内容更深层次的理解，让学生能够灵活应对陌生情境下的综合实验问题，是目前亟待解决的。

模型对学生建构知识，提升分析、解决问题的能力有很大的帮助。“模型认知”是高中化学学科核心素养的重要组成部分。《普通高中化学课程标准（2017年版）》明确提出“通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”[2]。其更高水平的要求为： 能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析，建立解决复杂化学问题的思维框架，并选择不同的模型综合解释或解决复杂的化学问题。因此，在綜合实验的问题情境当中，如何分析关键要素并建立思维框架、如何用认知模型解释或解决化学问题，在新课程、新高考背景下具有重要的研究意义。

1.2 高考试题研究给化学实验复习带来的启示

高考化学试题是高三复习备考重要的依据、参照和导向。通过对高考化学全国卷近年来非选择题化学实验题的分析，可以总结出以下几个特点： 实验素材新颖，问题情境多样，设问方式灵活，基础知识凸显、学科思维能力及核心素养的考察显现。从实验试题类型看，有物质制备型、组成测定型、性质探究型等;从考查角度看，可概括为物质性质及反应（物质及其变化）、实验装置、实验操作三大维度。题目具体的设问形式如表1所示。

通过教学实践，学生普遍反映： 围绕装置连接、操作目的及先后顺序的考察难度较大，难以掌握方法和规律。实际上，对装置及操作维度的考察往往会与问题情境中的物质性质与反应原理相关联，装置和操作只是表象和形式，物质及其变化才是核心。问题设置体现了较强的灵活性和综合性，凸显试题命制的“能力立意”及“素养为本”原则。因而在高三第二轮实验专题复习中，需要重点关注实验装置与实验操作维度，在问题解决的过程中强化学生获取信息的能力，将性质、原理与装置、操作、现象等联系起来，做到宏微结合、三重表征与证据推理，促进模型认知的建构。

2 基于模型认知的高三化学实验主题串联式复习教学案例

模型的建立需要学生根据已有知识经验，利用题示信息解决新情境中的问题，建构自己的理解，并将这种理解以结构化的形式表达出来[3]。因而建模教学需要合理组织结构化的教学内容，包括知识关联结构化、认识思路结构化、核心观念结构化。在高三复习中，教师往往将重心聚焦在知识关联结构化，忽视对学生认识思路结构化及核心观念结构化的培养，而这正是发展学生化学学科核心素养的关键。因而在复习的过程中，需要合理组织结构化的教学内容，创设真实生动的问题情境，在不同的主题框架下进行知识串联。同时要超越具体知识，帮助学生形成解决问题的一般认识思路与核心观念，建立认知模型，并能运用模型解决具体的问题。

对此，笔者以无水氯化铝的制备实验为问题情境，从方案设计与比较、装置连接与改进、操作流程与监控三个方面进行主题衔接，串联三个维度的相关考点，促进学生在问题解决过程中建立认知模型。

2.1 设计思路

高三“无水氯化铝的制备实验”教学整体设计流程如图1所示。

2.2 教学过程

[实验情境]AlCl3是一种白色而微带浅黄色的粉末，工业上用途广泛，常用作有机合成催化剂，还可用作絮凝剂、媒染剂等。已知AlCl3在178℃以上易升华，遇潮湿空气易水解产生大量白雾。

[提出问题]如何在实验室制取无水AlCl3？

2.2.1 环节1： 方案设计与比较

[任务1： 方案设计]结合物质性质特点，选择相关试剂，设计合成方案，并写出反应化学方程式。

[学生]方案①： 利用铝粉与盐酸反应，再在HCl气流中加热蒸干溶液得产品。方案②： 利用铝粉与干燥氯气反应，再冷凝收集产品。

[任务2： 方案比较]结合物质及反应特点，从原料利用率、反应条件、操作难度、生产效益、环境保护等工业生产角度，比较两种制备方案的优势及不足。完成表2。

[反思建模]物质性质及反应对工业生产有重要的指导意义，工业生产所关注的角度与物质性质及反应特点存在怎样的对应关系？请以框图的形式建立联系（见图2）。

设计意图： 从实验室到工业生产，引导学生从物质性质和反应特点出发，从原料、能耗、操作、效益、环保等维度展望工业生产。在设计、比较和评价方案的过程中，加深对物质及其变化的理解，将化学知识和生产实际相结合，形成“物质性质及反应特点指导工业生产的认识路径”，同时树立学生正确的科学态度，培养学生的社会责任感。

2.2.2 环节2： 装置连接

[任务3： 装置连接]参照方案②，请选择相应的仪器和试剂，设计一套实验室制备无水氯化铝的装置，并画出装置连接图。

[引导性问题]①如何获得纯净、干燥的氯气？②如何确定氯气和铝粉的反应装置类型？③如何防止生成的氯化铝变质？④过量氯气该如何处理？⑤如何确定装置间的连接顺序？

[反思建模]以无水氯化铝的制备实验为例，对于以气体流程为载体的物质制备型实验，仪器连接需要包含哪几个部分，先后顺序是什么？请以流程图的形式呈现出来。

[案例分析]请结合氯化铝的特性，运用装置连接模型（见图3），对以下同学设计的装置连接案例（见图4）进行评价，该方案存在哪些缺陷，如何改进？

[应用模型]氯化铝易升华，在玻璃管后应补充一个氯化铝的冷凝收集装置;氯化铝易水解，要在尾气吸收液NaOH溶液前补充一个盛有浓硫酸的干燥装置，防止水蒸气进入收集装置（见图5）。

设计意图： 在仪器选择与装置连接过程中，引导学生基于实验目的，结合试剂状态、性质特点和仪器的用途，建构物质制备型实验装置连接的思维模型，培养思维的有序性和严密性，并能用思维模型解决问题，评价装置的完整性与科学性。

2.2.3 环节3： 装置改进

[任务4： 装置改进]下表罗列了实验过程中可能出现的一些问题，这些问题发生在装置连接模型中的

哪一部分？如何对装置进行改进和优化？讨论并完成表3。

[反思建模]化学实验仪器连接过程中，除了要考虑装置的完整性，还需要考虑哪些保护性措施？这些保护性措施分别对应于装置的哪个部分？请在原装置连接模型上进行标注（见图6）。

[应用思维模型]结合对模型的认识，解决下列问题： （1）倘若去掉氯气的除杂及干燥装置，对实验会带来哪些安全隐患？（2）有同学提出在锥形瓶上方连接一个球形冷凝管以提高冷凝效果，请问是否可行？球形冷凝管适用于收集哪一类物质？（3）将吸收尾气用的NaOH溶液换成盛有碱石灰的球形干燥管，有哪些优势？

设计意图： 经历了从问题提出到问题定位，再到问题解决的过程，既提升了学生对装置连接模型的认识，又超越了装置连接模型本身，较深入地认识了装置各个部分可能存在的问题及解决策略，建立了更高层次的“装置连接的保护性策略思维模型”。这是对原认知模型的优化，也是对原认知模型的拓展，有利于学生问题解决能力的提升。

2.2.4 环节4： 操作流程及监控

[任务5： 实验操作排序]仪器连接后，有以下实验操作： a装入药品;b点燃硬質玻璃管处酒精灯;c检查气密性;d点燃圆底烧瓶处酒精灯;e冷却至室温;f熄灭圆底烧瓶处酒精灯;g熄灭硬质玻璃管处酒精灯。结合物质性质特点，对操作先后顺序进行排序。

[学生]c→a→d→b→g→e→f。

[反思建模]在以气体流程为载体的物质制备实验中，若产品易水解或易氧化，实验操作中各环节的顺序应怎样排列？以流程图的形式表示出来（见图7）。

[任务6： 实验流程监控]结合对实验操作各环节先后顺序的认识，请分析下列操作环节或调整顺序后可能出现的实验现象，以实现对操作流程的监控。完成表4。

设计意图： 结合氯气和氯化铝的性质特点，梳理实验操作的先后顺序，建立物质制备实验操作顺序思维模型，并能灵活运用于各种涉及易氧化、易潮解的物质制备型的实验中。另外，通过对各操作环节中实验现象的描述，强化信息获取及加工的能力，根据氯气和氯化铝的性质特点推断实验现象，宏观辨识与微观探析相结合，进一步深化对模型的理解。

3 高三化学专题复习中促进学生“模型认知”的教学思考

相对于高一高二新授课教学及单元复习，高三化学专题复习的知识容量和思维容量更大，内容的层次性和关联性更强，有利于学生在知识整合的过程中通过比较分析、归纳概括和抽象提炼，建立认知模型。但认知模型的构建、核心素养的提升并非一蹴而就，需要在复习中反复强化，逐步内化。具体而言，可以从以下几个方面入手。

3.1 情境创设、主题衔接，“催化”模型认知

常规复习课“知识回顾例题讲解方法归纳变式训练”式的教学模式单调枯燥、机械重复、耗时费力，不利于提高学生复习的效率和学习的热情。在复习中教师应精选实验素材，关注科研、生产热点，创设问题情境，以教学主题整合考点，并设计驱动性学习任务，组织学生开展多样化的学习活动。教学情境和主题是促进“模型认知”的“催化剂”。通过实验室制备无水氯化铝的问题情境，利用“方案设计与比较”“装置连接与改进”“操作流程与监控”三个教学主题，整合物质性质、反应、实验装置、操作和现象相关考点，开展路线设计、方案筛选、装置连接图绘制、装置改进献策等学习活动，引导学生串联知识、梳理方法、活化思维，并建构模型。多样化的主题活动“催生”认知模型的同时，也培养了学生的科学探究能力、实践创新精神和社会责任感，促进学科核心素养的落实。

3.2 问题导向、证据推理，“点燃”模型认知

模型是对客观事物或过程的一种表征方式，是利用证据进行科学解释的工具，它将已有知识与新的证据联系了起来[4]。模型认知离不开证据推理，证据推理是建构模型认知的前提。“证据推理与模型认知”中的“与”不能简单理解成两者的加和，它们是相互联系的统一体[5]。对于无水氯化铝的制备，无论是方案的设计、装置的连接、操作的排序还是实验现象的描述，都要密切联系物质性质及反应特点，做到“性质装置操作”三位一体。所以，教师在充分研究高考试题，挖掘实验素材和教学主题的同时，要对试题进行内容调整和形式变换，设置有思维梯度的问题链，对考点进行发散与整合，设计一连串的问题线索，引导学生深入思考，在问题导向和证据推理的过程中逐步建立认知模型。例如，氯化铝易升华、易水解的特性都是问题情境中的关键信息，是设计实验方案、确定装置连接及操作先后顺序的重要依据。通过对信息的提取、加工、整合以及问题的分解、关联、综合等证据推理过程，埋藏在学生思维深处的认知模型自然能被“点燃”。

3.3 建模、用模相结合，“升华”模型认知

在高三复习当中，需要广泛且深入地研究不同类型的试题，探寻问题设置的相似性与问题解决的规律性，引导学生在分析比较、归纳总结的基础上，对问题解决过程进行抽象、提炼、简化，并进行思路的外显，才能建立认知模型。同时，建立的模型需要不断地应用在新情境问题解决中才能得到内化，“建模”与“用模”要相互结合才能促进“模型认知”能力切实的提升。倘若不加以应用，总结出来的只能是“静态”的认识思路，局限于特定类型问题的解决。只有应用在不同的问题情境中，并“动态”地修正和完善，知识才能“升华”，思维才能提升，核心观念、认知模型才能有效地建立起来。所以，教师在复习中既要引导学生不断总结提炼，形成结构化的认识思路，也要带领学生学以致用，应用模型解决问题，拓宽认识思路，巩固认知模型。因此，促进“模型认知”的教学值得贯穿在高三化学复习始终。超越庞杂、零散的知识体系，帮助学生在更多的复习专题中挖掘、梳理、建构认知模型，优化复习备考，提升复习效率，值得我们做出更多的努力。

参考文献：

[1]钟国华. 2018年全国化学Ⅰ卷实验题的试题评析及教学启示[J]. 化学教学， 2019， （2）： 85～88.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3]雷范军， 王怀文， 高苗兰. 基于模型分析与解决问题的三个水平——以2018年高考全国理综Ⅰ卷三道化学试题为例[J]. 化学教学， 2018， （12）： 84～87.

[4]张晋， 毕华林. 模型建构与建模教学的理论分析[J]. 化学教育， 2017， 38（13）： 25～29.

[5]吴星. 对高中化学核心素养的认识[J]. 化学教学， 2017， （5）： 3～7.