模型认知导向下化学学科核心素养的培养

张志欣

（福建省仙游第一中学，福建莆田 351200）

引 言

模型是重要的研究方式，在近代科学发展中具有非常重要的作用。在化学学科教学中，教师可通过构建相应的化学模型，帮学生更好地学习化学知识。因此，在模型认知引导下，教师应深入分析化学学科和核心素养的核心内涵，优化课堂活动设计，加强学生对核心素养的培养，从而提高课堂活动的有效性。

一、提出问题

随着新课程改革的不断推进，教育部考试中心提出了“价值引领、素养导向、能力为重、知识为基”的命题理念。如何在课堂教学中落实立德树人、发展素质教育、培养学生的核心素养已成为高中一线教师的重要研究课题。笔者结合多年教学经验，就如何借助模型认知培养学科核心素养，提出一些个人建议，以供参考。

二、模型认知的内涵与作用

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中将化学学科核心素养分为“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个维度，它们各有侧重，又相互补充、相互促成。模型认知通过模型对化学研究领域的研究结果加以解释或描述，是一种简化、直观的描述方式，也是研究化学的基本思维方法。合理建立和运用模型是学生实现知识迁移、解决问题、突破创新的重要抓手[1]。学生只有掌握了科学的思维方法，才能在研究物质的变化过程中，更深入地理解物质及其变化规律和本质；加深对宏观现象与内在本质的联系的理解，将抽象的概念具体化，理解物质微观结构与性质的关系；发展证据推理和数据加工能力；突破原有认知局限，在新情境中运用所学知识解决相关问题，真正落实学科素养的培育。因此，模型认知在学生学习过程中的思维导向和支撑作用是不可忽略的。

三、模型认知在课堂教学中的实践

（一）依托思维模型，渗透变化观念

与初中化学相比，高中化学知识不仅内容更多，难度和深度也有所增加。元素化合物作为高考考查的必备知识之一，在教材的编排上较为分散，知识点之间的联系较少，导致学生难以掌握不同物质之间的联系及其转化规律。在日常教学中，教师要引导学生按照一定的知识主线进行知识归类，构建知识点之间的联系，掌握不同物质之间的转化规律[2]。而价类二维图作为一种能够体现物质类别与反应规律的思维模型，在模型构建和使用中，恰好能帮助学生完善知识体系、掌握物质的转化规律，最终达到培养学生元素观、分类观及转化观等学科素养的目的。

以“硫和含硫化合物的相互转化”的教学为例，教师可引导学生分析硫元素常见的化合价，列举各种价态的代表性物质，将所列的各种代表性物质按类别进行分类，自主构建“价类二维关系图”，如图1所示。

图1

通过建构价类二维图，学生可以将硫及其化合物整合成一个知识体系。然后，教师要让学生以不同物质为原料，设计不同的实验方案来制备新物质。例如，在二氧化硫的制备中，学生要清楚地抓住两条主线：①同种价态不同类别物质的转化，实现Na2SO3→H2SO3→SO2之间的转化；②不同价态含硫化合物的转化，实现浓H2SO4→SO2或S（H2S、Fe2S）→SO2之间的转化。通过分析转化的条件及实验所需设备，学生能够深入理解酸碱反应规律、氧化还原反应规律，发展自身的分类观念和变化思想。如此，学生在建立“价类二维图”模型过程中，不仅可以掌握元素及其化合物的性质与用途，提升化学学科素养，还能认识到化学建模在学习元素化合物知识中的作用和重要性，使自身知识与技能两个方面均得到提升，从而感受到化学的魅力。

（二）运用实物模型，促进宏微结合

化学是在原子、分子等微观层次研究物质组成、性质、结构及其应用的一门自然学科，其特征是从微观层次认识物质，具有较强的抽象性。在教学过程中，教师可采用抽象概念具体化的建模思想优化概念教学，将抽象的微观结构通过图片、动画及实物模型等方式进行展现，由此将微观的化学结构直观化、宏观化，降低理解难度，让学生的学习变得有形化和简单化，使其更好地理解与掌握化学知识，同时培养宏观辨识与微观探析能力[3]。

例如，在必修一“电解质概念”的学习中，学生已经知道了NaCl 晶体熔融状态下能导电，而HCl 晶体则不能。但深究其原因，学生不甚了解。而在学习了化学键及晶体类型后，学生可以借助晶体模型发现，在熔融状态时，NaCl 晶体中的离子键被破坏，产生了自由移动的Na+和Cl-，具备了导电的条件；而HCl 晶体熔融时，由固态HCl 变成了液态的HCl，拉大了HCl 分子间的距离，破坏了分子间作用力，但HCl 分子结构并没有变化，体系中并不存在自由移动的带电粒子，因而不能导电。借助晶体模型，学生实现了导电这一宏观性质与微观结构之间的良好结合，强化了结构决定性质这一特有的化学观念。

在同分异构体的教学中，教师可以借助于球棍模型，在学生了解了甲烷的结构基础上，要求学生增加C 原子的个数，从甲烷演变为乙烷、丙烷乃至丁烷，学生会惊奇地发现到丁烷时，出现了两种不同的连接方式，这样就自然而然地建立了同分异构的概念。同样，学生借助模型也可以发现二氯甲烷只有一种结构。这种抽象概念具体化的建模教学，有助于提升学生的微观探析能力。

（三）建立化学模型，培养证据推理意识

化学是一门基于实验的自然科学。通过对实验现象的认真观察和对实验数据的详细分析处理，去伪存真，建立符合化学反应本质的学科模型，是研究化学的常用方法[4]。也就是说，模型是在合理的证据推理的基础上建立起来的。在模型建立的过程中，学生的证据推理意识和能力能够得到很好的培养。

以原电池模型建立为例，由于学生具有“电荷定向移动形成电流”和“氧化还原反应中有电子转移”的认知基础，教师可以让学生思考：“如何让氧化还原反应中的电子发生定向移动从而形成电流，让化学能转化为电能？”同时提供铜片、锌片、碳棒、导线、水果、稀硫酸、硫酸铜溶液等仪器和药品，让学生开展实验探究，并基于实验事实，得出形成原电池的条件；根据铜片或碳棒上产生气泡的现象，推理得出锌片失去的电子移向铜片或碳棒并被H+所得，再用电流计检验电流的产生；将电解质改为硫酸铜，观察两极附近溶液颜色的变化，得出溶液中离子移动的方向等实验事实，并形成证据推理，构建原电池模型。

（四）完善化学模型，培养创新能力

建模作为科学性与假定性的辩证统一体，不仅要接受实践的检验，还要在实践中不断改进、纠正与扩充[5]。要想通过模型认知培养学生的学科素养，教师在指导学生建构与完善模型的过程中，就要充分利用现有的素材与资源创设情境，尽量启发其感性思维，助推其进行化学模型的建构，发展其创新意识与尊重事实的科学素养，并锻炼他们的思维概括能力，从而推动化学学科核心素养的培养[6]。

例如，学生基于对铜锌原电池的结构、电荷移动方向和化学反应的分析，抽象构建出了最原始的原电池模型。这时，教师可设计一些新的问题情境，激发学生分析、解决问题的兴趣，并完善模型。

问题1：铁生锈被腐蚀实际上是发生了原电池反应，请同学们回顾初中化学中铁生锈的条件并结合“铜锌原电池”模型，探究铁被腐蚀的电化学原理。

问题2：已知H2的热值很高，请设计实验实现2H2+O2=2H2O这一反应中化学能向电能的转化，实现氢能的利用。

问题3：如何避免单液电池中氧化剂与还原剂直接接触而造成的能量损失？

学生通过结合原电池模型，分析铁在生锈过程中得失电子的情况，由溶液中的阳离子在正极得到电子的认识上升到溶解在水中的氧气得到电子这一新的认识上，初步建立氧电极的雏形。在此基础上，学生自然能够建立氢电极的模型，实现氢氧燃料电池的设计，明白电极材料可以不作为电极反应物、可以是同种金属(Pt)或石墨，明白电极反应物可以是外界通入的一组可以进行燃烧反应的气体。如何避免氧化剂与还原剂直接接触？这一问题必然会促使学生思考双液电池、离子交换膜的使用原理。一系列组合问题，促进了学生思维的发展，让学生感受到探究过程的复杂性，并在情境中建构、完善化学模型，培养了他们的创新能力。

结 语

在高中化学教学活动中，教师充分借助模型认知方法，能够帮助学生理解事物及其变化的本质特征和规律，解释或描述有关的化学现象，预测物质间的变化结果；通过构建化学模型，为学生提供解决复杂的化学问题的思路和方法，提高他们分析和解决问题的能力；通过建构化学模型，加深学生对化学知识与现实生活之间联系的认识，全面培养他们的化学学科素养，使其掌握解决化学问题的技巧与思路，让他们深化理解所学内容并学会实践运用。