建构“一两果核”认知模型 解决化学原理中的说理问题

浙江 陈巧萍

浙江省化学选考原理题通常以工业生产中的真实应用为背景，基于原始科研数据、图像信息等，要求学生会分析走势、评估条件等。该题知识综合度高、难度较大，尤其是说理题，要求解释走势、回答成因等，学生常常找不到基本的解题思路，难用文字清晰描述具体原因。

究其原因，笔者认为主要有如下两方面：一是教师不强化“理”的意义，在习题讲解时缺乏系统性归纳，就题论题、单线模式，未建立起解决一类问题的方法；二是学生不重视“悟”的过程，知识体系零散，侧重答案的摘记，忽视了思维演变、自我内化、反思感悟的重要过程。为解决上述问题，笔者尝试以学生解题的思维历程为载体，建构解决说理题的思维模型。

一、“一两果核”认知模型

《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)提出“证据推理与模型认知”这一核心素养，要求学生知道通过分析、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，形成解决复杂化学问题的思维框架。《课程标准》强调了模型建构在化学学习中的重要地位，强调借助思维认知模型解决复杂化学问题。化学认知模型是学生认识和解决相关化学问题的思维机制，是指导学生学习化学知识、解决化学难题的一种系统化思维模式。

笔者通过分析教材以及浙江省选考真题，将反应原理题中说理题的认知模型概括为“一两果核”模型，包括“一个体系、两个变量、结果溯源、核心影响”这四个核心要素。

图1 “一两果核”认知模型

“确认一个体系”，明确说理体系。针对核心反应从“化学反应速率”和“化学反应限度”两个方面进行考虑。通俗概括，即该体系下的变化是平衡问题还是速率问题。选考真题是基于真实生产的多反应体系，学生需要厘清“主反应与副反应”“慢反应与快反应”的关系，锁定主反应或决速步，明确研究对象的化学方程式。

“锁定两个变量”，分析改变条件。两个变量常分为两种情况，对于某一条件的改变，可能引起两个反应的共同变化；对某一反应而言，往往存在两个改变条件，一是明线条件、二是明线条件带来的暗线条件变化。

“溯源结果变化”，比较影响程度。一般情况下，两个变量对同一个对象而言导致的变化结果不同，两个结果存在冲突点，依据最终的结果判断哪个因素的影响占主导作用。

“得到核心影响”，形成推理路径。依据最终结果进行逆向溯源，抓住核心影响因素的作用大于次要影响因素的作用，运用文字准确表达。

二、“一两果核”认知模型解决说理问题的思维程序

认知模型对于问题表征与形成问题解决的思维路径起着重要作用。如何将“一两果核”认知模型灵活应用于说理题中，需要形成一定的思维程序。

图2

①决定NO氧化反应速率的步骤是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。

②在恒容的密闭容器中充入一定量的NO和O2气体，保持其他条件不变，控制反应温度分别为T3和T4(T4>T3)，测得c(NO)随t(时间)的变化曲线如图3。转化相同量的NO，在温度________(填“T3”或“T4”)下消耗的时间较长，试结合反应过程能量图(图2)分析其原因____________________________________。

图3

图4 2020年1月浙江选考化学29题说理题答题要素

【答案】①Ⅱ ②T4ΔH1<0，温度升高，反应Ⅰ平衡逆向移动，c(N2O2)减小；浓度降低的影响大于温度对反应Ⅱ速率的影响

结合题给图像，Ea2>Ea1，第二步的活化能大，反应速率慢，决定了总反应速率。由图3可知，转化同样量的NO，T4温度下所需时间更多，意味着T4温度下反应速率更慢。已知T4>T3，温度高却速率慢？当因果产生冲突点，应该意识到存在隐藏条件的改变。基于“一两果核”认知模型，依次展开分析：

【例2】(2020·浙江7月选考·29节选)研究CO2氧化C2H6制C2H4对资源综合利用有重要意义。相关的主要化学反应有：

CO2和C2H6按物质的量1∶1投料，在923 K和保持总压恒定的条件下，采用选择性膜技术(可选择性地让某气体通过而离开体系)可提高C2H4的选择性。在773 K，乙烷平衡转化率为9.1%，保持温度和其他实验条件不变，采用选择性膜技术，乙烷转化率可提高到11.0%。结合具体反应说明乙烷转化率增大的原因是____________________。

【答案】选择性膜吸附C2H4，促进反应Ⅱ平衡正向移动。

该说理题明线与暗线变量都是促使平衡正向移动，结果并不冲突。该题难点是找到暗线，选择性膜选择的气体是乙烯。基于“一两果核”认知模型，依次展开分析：

图5 2020年7月浙江选考化学29题说理题答题要素

基于上述两道选考真题说理题的解决过程，可概括“一两果核”认知模型解决说理问题的思维程序：一个体系，依据题干描述明确反应体系实质→研究对象，核心反应的化学方程式→两个变量，依据题干信息锁定“明线暗线”两维变量→结果溯源，依据两个变量对结果的影响，找到冲突点，比较二者的影响程度哪个更大→核心影响，依据影响冲突锁定占主导的变量，形成推理路径→结合四个要素，准确文字表达。

图6 “一两果核”认知模型解决说理问题的思维程序

三、教学策略与教学实践

1.课前问题诊断与发展点分析

高三复习教学的意义是在学生会与不会之间搭建一个桥梁。课前通过上述两道例题进行学业诊断，了解学生存在哪些表述不清的问题，从学生的错误答案中找到问题的根本所在。

例1典型错误答案：第二步反应是总反应的决速步，温度升高使其反应速率加快，同时平衡逆向移动，平衡逆向移动的影响大于速率加快的影响，所以T4反应的时间长。

以上错误答案混淆了“速率”与“平衡”这两个不同体系，把二者混为一谈，没有利用“一个体系”进行原因解释。学生在一定程度上已存在两个变量比较的意识，知道结合冲突点，挖掘隐含条件来进行分析，但混用了速率与平衡这两个体系。教师在授课时应进一步明确“速率是快慢问题，平衡是限度问题”这个最重要的概念区分。

例2典型错误答案：选择性膜吸附CO和H2，促进反应Ⅱ平衡正向移动。

以上错误答案属于典型的“题目只看一半”，能回答出选择性膜促使平衡正向移动，却忽略了“可提高C2H4的选择性”这一信息，无法分析出选择性膜是让乙烯离开该体系。学生对于题干中“明线暗线”的分析还不够深刻，答题过于直白，没有深刻挖掘题给信息的潜在指向。教师在授课时应进一步强化学生阅读和理解题干的能力，提高找到隐含信息并应用的水平。

2.以“提炼—应用—评价—完善”为主线完成模型建构，强化教师“理”的意义

如何建立结构化、系统化的认知模型？如何让“一两果核”的模型更高效、深刻地被学生记住？笔者基于自己的教学实践，总结得到以“提炼—应用—评价—完善”为主线完成模型建构的教学策略。教学设计如图7所示，主要分为四个任务：任务一——研读高考真题，建立思维模型；任务二——解决多类题型，更新模型结构；任务三——学生互动评价，发现模型漏洞；任务四——提升总结归纳，完善“一两果核”模型。

图7 以“提炼—应用—评价—完善”为主线完成模型建构

任务一“提炼”，结合2020年浙江1月选考题(例1)与2020年浙江7月选考题(例2)的两道选考真题，展示学生的错误思维程序，诊断认知模糊点，引导学生提炼“一两果核”思维模型。任务二“应用”，训练两道例题2017年11月选考真题(例3)和2020年5月宁波模拟卷原理题(例4)，课堂展示学生的说理题答案，检测模型应用的能力。任务三“评价”，对比例3和例4的不同情境，让学生发现二者情境的不同，发现例3是两个条件对同一反应的影响，例4是同一条件对两个反应的影响，归纳两个变量有可能是两个条件改变，也可能是针对两个反应的变化。任务四“完善”，基于上述发现，师生共同修正“一两果核”模型，并进一步形成基于该认知模型解决说理问题的思维程序(图4)，完成2020年4月温州模拟卷原理题(例5)。

3.以“检测—评价—诊断—反思”为主线设计学生活动，重视学生“悟”的过程

学生是复习课中的主角，如何让学生真正参与到课堂模型建构与应用中，落脚点在于设计有意义的学生活动。笔者以“检测—评价—诊断—反思”为主线，将学生活动分为课堂前测、课堂评价、课堂诊断、课后反思四个环节。

课堂前测，找到学生说理题中的知识漏洞，进一步了解学生现有模型结构的混乱程度。课堂评价，展示来自学生的真实典型错误，学生的错误思维历程是最好的教学资源，能发现学生在理解模型、应用模型上的典型错误，同时引起其他同学的注意，调节课堂气氛。课堂诊断，教师以学生的典型错误为教学资源，组织学生互评，找到别人的错误并深入分析误答的原因，诊断得到现有说理程序的模糊点。课后反思，师生共同修订的“一两果核”思维模型并展开习题训练。该模型能否解决除课堂例题之外的其他习题？该模型是否需要进一步完善？把更新模型的任务留到更多的习题训练之后。

四、教学反思

1.建构认知模型，破译选考难点

模型思想是将复杂的化学问题通过建模简化处理，使同样的认知过程重复出现，便于知识的传递和方法的推广。本文建构的是原理题中说理题的模型，那么其他难点，如原理中的作图题、实验中的条件控制等是否也能通过建立认知模型来破译呢？引起学生重视化学学习中的建模意识，是这节复习课和“一两果核”模型建构的附属意义。

2.深化高三复习模型应用，形成学生自主思维程序