培养学生“模型认知”素养的教材分析研究——以高中化学必修内容为例

高晓彤 李德高

(甘肃省兰州新区舟曲中学 730087)

1 研究内容

1.1 化学教材中涵盖的“模型”类型分析

化学建模思想是指在解决化学问题时，为了揭示事物的本质以及研究的方便，用化学语言和方法，从复杂的问题、条件和现象中经过简化抽象得出化学模型的过程.通过分析人教版化学教材中各章节内容的呈现新式，挖掘出教材编写者所运用的模型思想，并对模型的形式进行了分类，分为图表模型、数学模型、结构模型、规律模型等类别，各章节所包含模型类别见表1.

表1

1.2 教材中化学模型的功能价值

图表模型主要包括图片与表格两种方式.化学教材中含有大量的图片内容，它们的作用主要是直观展示化学仪器、物质形态、实验装置、操作步骤、特殊现象、变化过程、工业生产、生活应用等.表格内容主要存在于教材内容的资料卡片、实验探究、实践活动、科学视野、课后归纳总结中，其作用主要包括：列举关键数据，给出关键性质，记录实验过程(包含实验步骤、现象、结论、反应方程式等)，进行实验对照，归纳总结知识等.这种对知识的呈现方式，能够激发学习者产生本学科的学习兴趣，帮助学习者快速获取有效信息，掌握关键技能，形成学科逻辑思维.

数学模型主要集中在《化学计量在实验中的应用》这一章节，围绕“物质的量”给出的几个计算公式，以及由此衍生的一系列化学计算方式，充分凸显了“物质的量”是宏观联系微观的“桥梁”，也彰显了“物质的量”在化学计算的重要作用.化学作为理科的重要组成学科，学习、应用和应试考查之中均包含了大量的数学计算，要求学习者具有较强的运算能力，数学公式模型将帮助学生提升运算能力，加深对概念的理解.

结构模型在教材中按照原子结构、分子结构、物质结构的顺序发展，包含元素周期表、原子结构示意图、化学式、电子式、结构式、结构简式、键线式、空间构型、球棍模型、比例模型等内容，从微观和宏观两个层面揭示了化学物质的结构，给学习者建立起“结构决定性质，性质决定用途，性质反映结构”的化学观念.

规律模型主要包含物质的类别、性质、化学概念、反应类型、反应原理、认知方式、思维方法和正确观念等.例如氧化还原反应原理、元素周期律、原电池反应原理、化学平衡等内容的学习，都采用规律模型的方式呈现和总结，对于认识化学反应具有促进作用.

2 研究成果与教学策略分析

2.1 现有模型结构下的教学效果评测

通过分析研究教材中模型构建的类型与特点，不难发现，这些模型对应的知识难度是比较简单的，对学生的能力要求也是相对比较容易的.换言之，在教师的引导下，按部就班地完成教学任务，可以很容易促进学生掌握基本知识和技能，实现学生A、B层次能力(见表2)的发展，但是，在素养导向和能力探查的现行高考体制下，以及未来社会对人才高标准选择的竞争压力趋势下，对学生素养和能力的培养要提高标准，设法促进学生C层次水平能力的发展.

表2

2.2 高阶认知模型的构建与教学策略分析

2.2.1 以“元素化合物”板块教学为例，要对原有课本中各章节的零散知识分布进行系统整合

高度抽象出认识对象、化学问题、能力任务、认识角度等重要的认识变量，加深学生对知识内容的系统归纳和高阶认识，如图1所示.

图1

2.2.2 以“原电池工作”原理的认知，可以将其从课本中的图表模型(如图2所示)，深度融入电化学反应原理的多重认知角度，整合为高阶认知模型(如图3所示)，方便学生从根本上认识原电池工作的基本原理，有利于学生建构解决电化学问题的基本思维模型.

图2

图3

2.2.3 价类二维图是元素化合物教学中帮助学生建构系统结构式思维方式最常见的工具，其横坐标是物质类别，纵坐标是元素化合价.以“元素及其化合物的转化”为内容构建的模型——价类二维图，可以加深学生对于物质类别、物质转化、氧化还原反应等知识的认识，大力促进能力水平的发展.例如，价类二维图在元素化合物教学“氮及其重要化合物”中的作用，以氮元素为例，可以将所有含氮化合物按照物质类别和氮元素化合价放入价类二维图中，教师在授课环节可以让学生自主完成价类二维图，再进行补充.价类二维图在元素化合物教学中主要的功能是从物质类别和元素化合价角度预测陌生物质的性质及物质之间的转化，帮助学生建立认识物质的角度.本节课需要完成的知识目标是一氧化氮和二氧化氮，教师可以从惊蛰过后开始播种这样的生活情境引入课堂，并逐步引导学生认识到在放电条件下氮气和氧气结合生成了一氧化氮.在二氧化氮溶于水的产物判断时用到了价类二维图，首先通过学生实验让学生观察实验现象，再让学生结合价类二维图预测产物.这样教学的优势在于一方面让学生对含氮元素化合物有了全面系统的认识，另一方面培养学生预测陌生物质性质的能力，落实了化学学科思维方法.

2.3 基于发展“模型认知”素养的实验教学实例，如有机实验教学：搭建常见有机物分子球棍模型

2.3.1 实验目的

在有机物的学习和研究之中，对于有机物分子的结构了解是研究其性质的基础，因为大部分有机物分子结构空间构型复杂，学生理解起来比较抽象，成为学习中的障碍.而借助球棍模型的搭建，可以让学生更加具象地认识有机物的结构.学生通过搭建一系列有机物分子的实物模型，观察原子间连接的顺序，识别结构中的官能团，分析化学键的特点，建立起对有机物分子结构的深刻认识.

2.3.2 实验仪器

环保型中学有机球棍模型套装(26套)，橡皮泥30袋，牙签(木小棍)26盒.

2.3.3. 实验要求

2.3.3.1 进入实验室禁止大声喧哗，服从实验老师安排；爱护公物，严禁私自把实验用具带出实验室；两位同学分为一个小组；注意实验安全.

2.3.3.2 按照要求、分小组完成以下分子结构模型的制作，注意观察各物质的成键方式，观察原子的空间分布情况.

2.3.3.3 每个小组派出一名代表分享本小组分子模型制作的过程，展示成果.

2.3.4 实验步骤及任务(见表3)

表3