基于化学认识模型 发展学生认识素养

□张永久

（杭州第二中学，浙江杭州 310053）

化学认识模型是指导学生学习化学知识、研究化学问题的一种系统化思维模式，可在“研究范围是什么、从哪些角度切入研究、需要完成哪几类任务”等方面为学生提供系统化的指导。化学教学中，针对某一特定领域、特定目的建构化学认识模型，并基于化学认识模型设计和实施教和学，有利于促进学生认识素养的发展。以下是笔者的一些实践和思考。

一、化学认识模型的建构和运用过程就是认识系统化的过程

建构化学认识模型，就是把特定的研究对象和解决问题过程转化为可重复、可推广的认识规律，提取解决该类问题的一般思维方法，形成结构化、系统化的思维模型。在此基础上，引导学生基于化学认识模型学习化学知识、解决化学问题，帮助学生跨越认知障碍，引导学生遵循思维规律挑战认知高度，让学生学会像专家一样去学习知识和研究问题。高中化学教学中，化学认识模型的建构和运用过程可用图1来表示。

图1 化学认识模型的建构和运用

化学认识模型的建构过程是一个输入过程，输入的不仅仅是化学知识系统，还有化学问题系统、能力任务系统和化学认识系统等，在输入过程中需要学生对知识、问题、任务等进行深度加工，以形成系统化的认识角度和稳定的认识思路。化学认识模型的建构过程还是一个建立联系通道的过程，需要建立不同化学知识之间的联系、不同化学问题之间的联系、不同能力任务之间的联系以及不同认识角度和认识思路之间的联系。运用化学认识模型解决问题的过程是一个输出过程，是一种认识角度、认识思路外显化的具体途径，从中提升学生自觉调用认识角度、自动检索思维方法、自我监控问题解决过程的能力。

化学认识模型是一种具有多种教学功能的思维模式。在学生学习化学知识和研究化学问题的过程中，化学认识模型是关于知识系统、认识系统、实际情境系统、能力任务系统的总纲。在教师施教的过程中，化学认识模型又是指导教学设计、教学实施、教学评价的总纲，教师可以根据化学认识模型设计教学目标、能力活动任务和相关化学能力活动，可以根据化学认识模型确定评价素养类型和对应的表现水平。

二、基于化学认识模型促进学生认识素养发展的两种途径

（一）通过构建和运用化学认识模型提升学生的学习和研究能力

高中化学可以分成元素化合物、物质结构基础、化学反应原理、有机化学基础、化学实验等几大领域，每个大领域还可以分成若干个子领域，学生在每一个领域的学习过程中都会由于没有清晰的认识角度、认识思路等原因产生认识瓶颈，导致在解决与该领域相关问题时常会产生思维障碍。教学中，通过构建并运用化学认识模型来提升学生针对某领域内知识的学习能力、相关问题的研究能力，从而有效促进学生的认识素养发展。

以元素化合物为例，教学中教师可以根据教材中每一章、每一节的学习要求，并根据前后顺序的安排，分两个阶段来完成。

第一阶段，先以某种元素为线索（如氯、硫、钠、铁及其化合物）建构化学认识模型，让学生基于所建构的化学认识模型学习对应元素化合物的知识，研究相关问题。针对氯、硫、钠、铁等具体元素的化合物学习时，可以引导学生建构对应元素的“价态—类别二维图”，让学生以此作为学习元素及其化合物性质、解决元素及其化合物相关问题的化学认识模型，完成关于对应元素及其化合物的性质预测和验证、相互转化反应的预测和验证等学习活动。如必修1 中关于“氯及其化合物”的教学就属于上述的第一阶段，可以引导学生建构氯元素的“价态—类别二维图”，让学生以此作为学习氯元素及其化合物性质、解决氯元素及其化合物相关问题的化学认识模型，完成关于氯气、次氯酸等含氯物质的性质预测、转化等学习活动[1]。当然，在其他元素及其化合物教学中，也可以建构对应元素的“价态—类别二维图”，进行类似的学习和研究活动。

第二阶段，构建并运用适用面更广、更具有迁移价值的元素化合物认识模型，以促进学生自觉运用多种角度认识元素化合物的性质，促进学生形成认识元素化合物性质的稳定思路。当学生已掌握比较丰富的元素化合物知识，积累了较多的元素化合物知识的学习经验、研究与元素化合物相关问题的能力，就应该让学生的认识发展进入第二阶段，即建构和运用适用面更广、更具迁移价值的元素化合物认识模型，王磊老师团队提出了现已成为中学化学教学经典的元素化合物认识模型[2]。其中包含：①研究领域（元素化合物领域内的研究对象可归结为元素和不同元素、物质和物质组等）；②化学问题（元素化合物领域内的问题通常会以物质保存、物质使用、物质鉴别和鉴定、物质分离和物质制备等多种实际问题形式，本质上可归纳为“性质”和“转化”两类）；③任务维度（能力水平从低到高依次分为理解型任务、应用型任务、迁移型任务三类）；④认识维度（以物质类别通性、基于核心元素价态、基于元素周期律、基于化学反应原理等作为元素化合物领域的认识角度，其中类别通性、核心元素价态是核心认识角度）等。教学中基于元素化合物认识模型进行教和学，有利于落实新课标要求的教、学、评一体化原则。

在与物质制备相关的化工生产内容教学中，也要引导学生建构针对性的化学认识模型。笔者在进行“铜、铁的冶炼”教学时，设计了以下任务。

任务1分析“铜矿→铜”的关键步骤（初步形成化学认识模型）。

任务2由“铜矿→铜”经类比迁移研究“铁矿→铁”的过程（由学生自主运用“模型”研究工业炼铁相关内容，既为学生设计认知脚手架，也给学生创设一个发展“模型认知”素养的机会）。

任务3从炼铜、炼铁等个例的研究中，概括出金属冶炼一般步骤（让学生经过拓展、归纳，概括得出学习和研究金属冶炼的“化学认识模型”的一般形式，再经过讨论得出适应面更广的物质制备“化学认识模型”），详见图2。

图2 关于物质制备化工生产问题的化学认识模型建构

上述教学过程中，学生不仅学习理解了有关铜、铁冶炼的知识，还提高了对化工生产相关的认识能力，对物质制备相关的化工生产过程有了概括性的认识，为将学到的知识更好地迁移运用打下了基础。

实际上，化学认识模型可看作是一种具有传递功能的认识成果，是师生之间、生生之间交流过程中可以相互传递的智慧化符号；解决化学问题过程中，化学认识模型可以成为学生自主操控的接近理想化的方法，又是学生开展化学思维活动的基本单位，还是师生、生生之间交流思维成果的工具。

（二）通过构建和运用化学认识模型发展学生的专项能力

高中化学中有些模块、有些章节的学习，需要与之匹配的专项能力，实际上解决不同领域相关的实际问题也往往需要相应的专项能力。高中化学教学中教师要有计划地针对不同领域培养学生的专项能力，才能将化学学科核心素养落实到相应的化学知识学习过程中，以达到化学学业质量水平的要求。在关于元素化合物的教学中，就需要培养学生的“物质性质的预测能力、物质组成的探究能力、物质的制备能力”等专项能力。

关于物质性质的预测能力是一项重要的专项能力，是学习元素化合物知识、解决与元素化合物有关的实际问题所必需的关键能力。我们认为，可以在不同阶段构建并运用对应的化学认识模型来培养学生的“关于物质性质的预测能力”。在不同阶段，不同的学生对于物质性质的认识能力差异较大，可以针对学生的实际情况构建不同的化学认识模型来发展学生的认识素养。若学生在关于物质性质学习方面的经验不多，可以引导学生构建如图3所示的物质性质认识模型，让学生根据图3中三种认识角度预测物质的化学性质。

图3 物质性质的认识模型

结合关于物质性质的实验探究过程，也可以跟学生一起建构图4[3]所示的“研究物质性质的认识模型”，让学生运用此认识模型探究重要物质的化学性质。

图4 研究物质性质的基本程序

例如，黄铁矿（FeS2）是我国工业制硫酸的重要原料，也是高中阶段需要学生研究并掌握其性质的一种重要化合物，但大多数学生只是靠记忆了解“黄铁矿能够在氧气中燃烧生成二氧化硫”，没有研究黄铁矿性质的经历，对黄铁矿的多种性质无法做出预测和验证。因此，可设计如下教学流程，引导学生对黄铁矿的性质进行预测和验证。

第一步：观察FeS2样品。黄铁矿呈金黄色，外观似黄金（黄铁矿的俗名叫作“愚人金”），是一种自然矿物，预测其有较好的稳定性。

第二步：引导学生从元素价态、物质分类等角度预测其性质。黄铁矿中铁元素呈+2价，所含过硫根离子（S22-）中硫元素呈-1价，预测黄铁矿既有氧化性，也有还原性；FeS2属于盐类物质、过硫化物（可以跟过氧化物类比），预测其能够跟酸反应，能够发生分解反应等。

第三步：设计实验方案进行验证。FeS2与稀硫酸混合，产生臭鸡蛋气味的气体，同时溶液中有浅黄色的物质生成。将FeS2隔绝空气加强热，可以生成一种黑色固体和一种浅黄色的固体。

第四步：通过与其他物质进行比较，总结归纳黄铁矿的性质。与FeS 比较，FeS2与稀硫酸反应生成FeSO4与H2S2；与H2O2比较，H2S2也会分解生成H2S与S，进一步推理，FeS2隔绝空气分解生成FeS与S。

通过上述探究活动，学生对FeS2的性质就有了比较清晰与完整的了解。

在有机化学基础内容学习过程中，可以引导学生结合有机化合物的特点构建“预测有机物性质的认识模型”，让学生依据“化学键的饱和度、键的极性→断键部位→断键方式与反应类型→反应试剂、反应条件、反应产物→邻近基团对键极性的影响……”的思维程序来学习和研究重要有机物的性质。如在选修模块《有机化学基础》中关于“醛”的教学中，可以抓住“羰基”（这是烃的含氧衍生物中十分重要的官能团，醛、羧酸、酯等烃的含氧衍生物都含有碳氧双键），碳氧双键属于多重键（双键或三键），由于碳元素和氧元素的电负性不同，所以碳氧双键是极性多重键，在此基础上再引导学生分析讨论醛基中羰基对碳氢键的影响，形成对醛基特征的整体认识，理解与醛基相关的化学反应（加成反应、氧化反应等），学生经历了这样的分析碳氧双键结构特征的一般思路，就为将来分析其他多重键的特征和相关反应打下了迁移应用的基础。

化学教学中还可以结合实际问题，引导学生构建“材料问题的认识模型”，让学生依据以下程序研究材料问题。第一步，分析材料的化学成分；第二步，根据材料的性能和使用注意事项研究物理性质和化学性质；第三步，考虑材料的价值，分析制备时原料的选择等……基于这一认识模型能够发展学生从生活中发现问题的能力，可用于研究铝、铁、铜等金属材料，也可用于研究非金属材料。

建构有迁移价值的发展专项能力的化学认识模型，是化学知识学习实现化学学科关键能力发展、化学学科核心素养培养的具体途径。引导学生建构并运用化学认识模型，可以促进学生将外显在化学认识模型中的认识角度、认识思路内化为自我监控、自我评价能力。

化学认识模型，可以针对某个单元、某个章节或某个模块，包含认识角度系统、知识系统、能力任务系统等多个系统构成的较大系统。从系统的层面、鸟瞰的视角对某领域进行认识化的梳理，使学习过程变得有序、有系统、有进阶。化学认识模型为教师和学生提供了理解知识最普遍的世界观和方法论。当然，化学认识模型不能当作一个具体知识点传授给学生，而是应该通过特定实例的学习过程逐步让学生自主构建起来。