促进深度学习的模型建构思想在高三专题复习中的应用——以“实验设计与评价”专题复习教学设计为例

2021-07-08 09:17江苏

教学考试(高考化学) 2021年3期

江苏周萍

深度学习是指在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程。化学实验综合题多以实际的工业背景为命题素材，给出需要补缺的实验流程，辅以相关信息，多角度、多梯度设问，对学生的考查要求较高，尤其是最后一问的实验设计，对考生来说是很大的挑战，导致得分率较低。为解决这一问题，笔者将“化学综合题中的实验设计与评价”作为实验基本原理及基本操作复习后的一个挑战性学习主题，促进学生积极主动地进行深度学习。通过思维建模的方法，加强对学生思维方法和解题策略的指导，帮助学生快速找到解决问题的思路和方法，提升化学学科核心素养。

1 情境导入促深度学习

情境素材的重要价值是形成驱动性任务，引导学生学习、促进学生学科核心素养的发展。好的情境素材能够吸引学生主动学习，能够造成学生的认知冲突，挑战学生的认知角度，能够丰富学生的认知思路、帮助学生形成认知方法等。

本课以诺贝尔生理学或医学奖获得者屠呦呦发现的青蒿素为素材，给出以下资料：历史记载，青蒿可以治疗疟疾，并且收效显著。屠呦呦团队对200多种中药中提取的380余种物质进行筛选，最后将焦点锁定在青蒿上，经过大量实验发现，青蒿的抗疟效果并不理想，这是怎么回事呢？给出信息：青蒿素的结构。

设计意图：通过创设情境，列出古籍记载内容与实验实际结果的差异，引发思考，引导学生关注青蒿素结构特点，培养学生运用“结构决定性质”这一学科思想解决问题的意识。

资料：前人经过很多次失败后，1971年9月，屠呦呦重新设计了提取方法，改用低温提取，用乙醚回流或冷浸，后用碱溶液中和酸性物质的方法制备样品。该提取物经过鼠疟药效评价显示抑制率达到100%。因此，青蒿乙醚中性提取物抗疟药效的突破，是发现青蒿素的关键。

设计意图：通过资料信息，引导学生从实验探究中去发现实验方法及改进措施，提炼出实验设计的思维视角，归纳实验设计的一般思路，实现知识和方法的迁移。让学生体验科学家的思考过程，了解知识是如何被发现的，为什么会被发现，科学家又是通过怎样的方法成功地解决了问题。

2 真题赏析明考点考向

科学实验中的学科思想如何体现在高考试题上，让学生感悟二者的联系，这也是本课设计的目的之一。同时设计富有挑战性的学习任务又是深度学习的基本特征，因此，针对高三学生的实际情况，设计了赏析2020年江苏高考真题的环节。

【例1】(2020·江苏卷·19)实验室由炼钢污泥(简称铁泥，主要成分为铁的氧化物)制备软磁性材料α-Fe2O3。其主要实验流程如下：

(1)酸浸。用一定浓度的H2SO4溶液浸取铁泥中的铁元素。若其他条件不变，实验中采取下列措施能提高铁元素浸出率的有________(填序号)。

A.适当升高酸浸温度

B.适当加快搅拌速度

C.适当缩短酸浸时间

(2)还原。向“酸浸”后的滤液中加入过量铁粉，使Fe3+完全转化为Fe2+。“还原”过程中除生成Fe2+外，还会生成________(填化学式)；检验Fe3+是否还原完全的实验操作是________。

(3)除杂。向“还原”后的滤液中加入NH4F溶液，使Ca2+转化为CaF2沉淀除去。若溶液的pH偏低、将会导致CaF2沉淀不完全，其原因是______________________。[Ksp(CaF2)=5.3×10-9，Ka(HF)=6.3×10-4]

(4)沉铁。将提纯后的FeSO4溶液与氨水-NH4HCO3混合溶液反应，生成FeCO3沉淀。

①生成FeCO3沉淀的离子方程式为________。

②设计以FeSO4溶液、氨水-NH4HCO3混合溶液为原料，制备FeCO3的实验方案：________。[FeCO3沉淀需“洗涤完全”，Fe(OH)2开始沉淀的pH=6.5]。

【答案】(1)AB

(2)H2取少量清液，向其中滴加几滴KSCN溶液，观察溶液颜色是否呈血红色

(3)pH偏低形成HF，导致溶液中F-浓度减小，CaF2沉淀不完全

【解析】第一问“酸浸”中提高铁元素浸出率的措施，属于对原料的处理，考查温度、反应物接触面积等对反应速率的影响，因此升高温度和搅拌是两个常见的措施，通过前期对实验基本原理和基本操作的复习，这一问正确率较高。

第二问是对还原产物的判断及对还原完全的检验，酸浸过程酸过量通过加过量铁粉除去，铁除了与Fe3+反应生成Fe2+，也会与H+反应生成H2。检验Fe3+是否被还原完全的试剂可以选择KSCN溶液。

第三问是加入NH4F除去Ca2+过程中溶液酸碱性对沉淀是否有影响，可结合HF电离平衡和CaF2沉淀溶解平衡两个化学方程式进行定性综合分析，也可以结合题中两个平衡常数进行半定量分析，从数量级角度推算出Ca2+完全沉淀时F-的浓度，进而估算出此时溶液的pH接近2，由此得出结论。

第四问涉及陌生条件下离子方程式的书写，学生总体书写不错，方法掌握到位。但对于制备FeCO3的实验方案得分普遍偏低，大部分学生没有思路，无从下笔。在反应物已知(上述书写的化学方程式)的情况下，如何判断试剂加入的顺序、调控条件、完善操作，学生掌握的并不是很理想，对物质分离和提纯的基本原理应用能力较弱，需要进一步强化。

设计意图：通过真题赏析，让学生初步体会这类题型的考查方式。涉及以下三个方面：(1)从难度上分析，由易到难、层层递进，有利于学生掌握这类题型的解题策略；(2)从考点上分析，涉及基本实验操作、反应条件控制、实验操作目的、情境化学方程式的书写、实验方案设计等问题，有利于学生在后续复习中明确方向；(3)就目前的水平分析，已有知识和方法能解决简单问题，但不能挑战难度较大的实验方案设计与评价，所以需要不断地历练和积累，让学生感受到知识储备不足，同时明确提升方向。

教师结合《普通高中化学课程标准(2017版2020年修订)》中学业质量水平4的内容：能设计有关物质转化、分离提纯、性质应用等的综合实验方案；能对实验方案、实验过程和实验结论进行评价，提出进一步探究的设想，让学生明确课标要求，树立目标意识，明晰评价标准，激发学习动机，促进有意义的深度学习的发生。

3 演练过程悟建模用模

3.1 建模

在专题复习中渗透化学建模的思想，“为问题建模”，将模型建构和复习内容进行有效整合，注重知识和方法的概括提炼，形成解决这类问题的化学思维模型。

【例2】(2019·江苏卷·19节选)实验室以工业废渣(主要含CaSO4·2H2O，还含少量SiO2、Al2O3、Fe2O3)为原料制取轻质CaCO3和(NH4)2SO4晶体，其实验流程如下：

(4)滤渣水洗后，经多步处理得到制备轻质CaCO3所需的CaCl2溶液。设计以水洗后的滤渣为原料，制取CaCl2溶液的实验方案：________________。

[已知pH=5时Fe(OH)3和Al(OH)3沉淀完全；pH=8.5时Al(OH)3开始溶解。实验中必须使用的试剂：盐酸和Ca(OH)2]。

设问：实验目的是什么？怎样达到实验目的？过程中需要知道哪些信息？

设计意图：目标清晰才能层层推进，因此分析滤渣成分是最首要的一步。加入(NH4)2CO3溶液后，微溶的CaSO4会转化成难溶的CaCO3沉淀，但SiO2、Al2O3、Fe2O3不会溶解，因此滤渣成分包括：CaCO3、少量的SiO2、Al2O3、Fe2O3以及未转化的CaSO4。

设问：了解了滤渣成分，如何实现对目标产物的转化？

设计意图：引导学生画出操作流程图，结合题给信息，梳理核心物质的转化，实现思维的显性化，体现思维的有序性。

图1

将学习过程中的思维外显是深度学习的一个重要策略，一般有三个途径：1.通过学生的自我分析让思维外显，2.通过学生的质疑辩论让思维外显，3.通过教师的连续追问让思维外显。在实际操作过程中，教师引导学生先自主构建模型，然后小组交流汇报，通过自评互评，教师适时点评、追问，指出每一步操作的依据，并提出完善方案的建议。

呈现实验方案：在搅拌下向足量稀盐酸中分批加入滤渣，待观察不产生气泡后，过滤，向滤液中分批加入少量Ca(OH)2，用pH试纸测量溶液的pH，当pH介于5～8.5时，再过滤。其中需要注意的问题有以下三点：①加液的顺序，不宜向滤渣中加入盐酸；②判断盐酸是否足量；③pH的控制及操作名称。由此引导学生自主建构“实验设计与评价”的思维模型(如图2所示)，实现在互动中的深度学习，此为“建模”。

图2

3.2 用模

实践证明，学生一旦形成对某一问题的认知模型，那么在遇到类似的问题时，学生将会自觉地运用已有的认知模型去分析和解决问题，即“借助建构出来的模型进行学习与迁移”，此为“用模”。

设问：请大家试着用建构的模型重新思考2020年江苏卷19题中如何制备Fe2CO3，你会有怎样的收获？

依据实验目的(制备FeCO3)，学生建构操作流程的模型，发现核心物质的转化已经具备(即前一问书写的情境化学方程式)了，但添加顺序对反应有影响吗？通过教师引导点拨，学生意识到试剂的添加顺序应该是“向FeSO4溶液中缓慢加入氨水-NH4HCO3混合溶液”，若颠倒会直接生成Fe(OH)2沉淀，无法得到目标产物，也就自然关联到条件的控制(碱性太强会导致产物的变化)。同时紧扣提示信息“FeCO3沉淀需‘洗涤完全’”兼顾到沉淀洗涤方法和沉淀洗涤完全这两个基本操作。通过建构的思维模型帮助学生迅速作出判断，同时学生对找准实验条件，控制pH范围也有了更深的认识，从而对实验方案的优化和表达上也会更加关注细节、趋于完善。

设计意图：“用模”让学生在实践中进一步明确操作过程，体会“建模”的意义，为掌握相似题型的解题策略提供思路方法，能在有限的思维时间中找到与当前问题相匹配的模型使问题得以解决。这不仅增强学生对解决这类挑战性问题的信心，同时也提升了高阶思维能力，发展了“实验探究与创新意识”“证据推理与模型认知”等学科核心素养。