基于模型认知的化学教学设计

贾义晶　张程浩　刘存芳　史娟　张强

［摘 要］科学建模是理解知识本质和发展逻辑思维的重要途径。在化学教学中引用生活实例可促进学生自主建构宏观物质模型，而开展化学实验探究有助于建构微观物质模型。文章以生活实例和化学实验为载体，基于模型认知对“气体摩尔体积”一课进行教学设计，通过建模呈现化学知识的基本框架，突出知识本质，助力学生理解和学习化学基本知识，培养学生的“证据推理与模型认知”化学学科核心素养。

［关键词］模型认知；科学建模；教学设计；气体摩尔体积

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）14-0072-04

“证据推理与模型认知”是化学学科核心素养的重要内容之一，是学习化学学科的重要科学思维方法之一。模型认知是指在已有认知模型的基础上，在新的情境中提出新的假设并建构、检验、评价、完善新的模型，再应用所建构的新模型进行新认知的螺旋式上升的過程。建构模型的过程简称“建模”。建模是基于原有的认知对新知识提出合理假设，通过自主探究、分析和推理等科学方法逐渐认识新知识的本质，建立科学模型的过程。通过模型的运用，可以帮助学生构建化学知识的基本框架，培养学生的逻辑思维能力、分析推理能力和实验探究能力［1］。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中的“证据推理与模型认知”化学学科核心素养要求：具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系。知道可以通过分析、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，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律［2］。

本文以“气体摩尔体积”一课为例，探讨基于模型认知的化学教学设计，通过建模呈现化学知识的基本框架，突出知识本质，助力学生理解和学习化学基本知识，培养学生的“证据推理与模型认知”化学学科核心素养。

一、基于模型认知的教学设计思路

“气体摩尔体积”是苏教版高中化学必修第一册专题1第二单元第二课时的内容。学生在学习本课内容之前，已经学习了有关物质的量的化学知识，具备基本化学计量计算的能力和从微观角度解决问题的学习思想。教学中教师依据初中化学有关体积计算的公式，引导学生探究1 mol固体、液体、气体体积的不同，预测不同状态不同种类的物质的粒子空间分布；通过设置基于真实情境的问题，引导学生探究相同状态下影响气态物质体积的主要因素，建构外界因素影响气体体积的认知模型；通过小组合作交流，引导学生探究电解水的实验，导出气体摩尔体积的概念及其运用，发挥学生的学习自主性，培养学生热爱化学的情感，提升学生的合作探究能力和运用化学知识解决实际问题的能力。

二、教学过程

（一）联系生活实际引出课程内容，激发学生的学习兴趣

【多媒体】播放超市里巧克力、牛奶、杀虫剂等不同状态不同种类商品的包装的视频。

【引入新课】大家有没有注意到不同商品的包装袋上的计量方式有什么不同？分别有哪些计量方式？

【学生回答】饼干等固态物品的包装袋上一般用质量来计量，果汁、洗衣液、防晒霜、喷雾等液态或气态包装袋上一般用体积来计量。

【教师总结】固态物质有固定形状不易压缩，用质量来计量；液态物质无固定形状不易压缩，用体积来计量；气态物质无固定形状能压缩，用体积来计量。

【教师提问】根据之前的学习，我们知道固态、液态、气态不同种类物质的摩尔质量一般不同，那么1 mol不同状态、不同种类的物质的体积是否相同？

【学生回答】不同。（学生会从质量、密度与体积的关系数学模型进行宏观思考，但是不会从微观的角度来解释问题）

设计意图：将新知识的引入与日常生活相联系，能极大地提高学生的学习积极性，引发学生主动思考问题、解决问题，初步建立固态、液态、气态不同种类物质的宏观模型；通过宏观物品引出从粒子的角度去解释“固态物质有固定形状不易压缩”“液态物质无固定形状不易压缩”“气态物质无固定形状易压缩”的原因，增强知识的直观性，使学生的逻辑思维有连贯性，便于学生理解新知识。

（二）实验探究不同物质体积的影响因素，初步建立微观物质模型

【多媒体】播放1 mol多种固体和液体的体积数据以及在不同温度和不同压强下固态、液态、气态物质的体积数据，其中在标准状况下部分1 mol物质的体积数据如表1所示，引导学生找出其中蕴含的规律。

【学生回答】相同条件下，1 mol固态物质Fe、Al和1 mol液态物质H2O、H2SO4的体积不同；1 mol气态物质N2、CO的体积近似，约为22.4 L。

【教师提问】在微粒数目相同的条件下，为什么会出现固态物质和液态物质的体积不相同，而气态物质体积近似的情况？影响1 mol固态、液态、气态物质体积的因素有哪些？

【提示】物质由分子、原子等微观粒子组成。

【学生回答】可能与构成物质的微粒的空间分布状态有关。

【多媒体】展示固态、液态、气态物质的微粒的空间分布示意图（如图1）。

【学生小结】影响物质体积的因素有微粒的数目、微粒的大小和微粒的间距。影响物质体积因素的初始模型如图2所示。

设计意图：从微观角度分析固态、液态、气态物质微粒的空间分布，引导学生自主总结出固态、液态、气态物质体积的影响因素，初步建立起影响物质体积因素的初始模型，培养学生的微观探析意识和观察能力。

【教师提问】假设微粒数目和大小都相同，观察固态、液态、气态物质微粒的空间分布示意图，可以观察到它们的空间分布有哪些不同？

【学生回答】固态、液态物质微粒堆积比较紧密，而气态物质微粒堆积比较松散。

【教师分析】把微粒想象成同一种大米，摆放在两块空地上，第一块空地上摆放的大米间距大，第二块空地上摆放的大米间距小（小于大米本身的大小）。第一块空地上摆放的大米所占面积会受大米数量的影响，第二块空地上摆放的大米所占面积受大米间距的影响可忽略不计。再在第三块面积相同的空地上按照第二块空地的颗粒间距摆放花生仁，这时会发现密集摆放的颗粒所占面积与颗粒本身的大小也有关。

【学生小结】对于气态物质（微粒间距大的物质）来说，体积主要由微粒的数目和微粒的间距决定，微粒间距较大时可以忽略微粒自身大小的影响；固态、液态物质的体积主要由微粒的数目和微粒的大小决定，固态和液态微粒间距较小，可以忽略不计。影响物质体积因素的修正模型如图3所示。

设计意图：引入生活实例，确立影响固态、液态、气态物质体积的本质因素，引导学生运用类比推理自主思考，对影响物质体积因素的初始模型进行修正，得到影响物质体积因素的修正模型。

（三）通过日常生活实例探究影响气体体积的外界因素

【教師提问】1 mol气态物质的体积大小主要由微粒间距决定，那微粒间距又受哪些因素影响呢？

【多媒体】播放夏季轮胎由于加气过满炸裂而造成危险事故的视频。教师引导学生把轮胎的炸裂与气态微粒的间距相互联系，小组讨论分析微粒间距会受哪些因素影响，得出结论并提出建议。

【学生小结】影响微粒间距的因素有温度和压强。夏天温度较高，气体受热膨胀（微粒间距增大，体积增大），而轮胎和地面接触会增大气体的压强，导致车胎容易炸裂。影响物质体积因素的扩展模型如图4所示。

设计意图：通过对夏天轮胎容易炸裂这一现象的研究，回顾初中学习的气体热胀冷缩原理，促进有关气体体积与温度、压强关系知识的迁移学习，明确影响气体体积的外界因素，使得所建构的模型更加具体化、精确化，让学生对知识的本质有更清晰的认识，得到影响物质体积因素的扩展模型。

（四）回顾旧知识，迁移学习气体摩尔体积

【实验探究】根据如图5所示的电解水实验装置图进行实验，观察不同时间试管内的气体体积的变化［3］，探究生成的O2和H2的体积比。

【学生回答】通过实验观察可得，生成的O2和H2的体积比约为1∶2。

【化学计算】根据电解水的化学方程式计算电解18 g H2O生成的O2和H2的质量；根据O2和H2的摩尔质量，计算O2和H2的物质的量；根据0 ℃、101 kPa（标准状况）时O2和H2的密度，计算1 mol O2和H2的体积（如表2）。

【教师提问】从上述实验现象和实验数据分析，你得到什么结论？

【学生回答】在标准状况下1 mol O2和H2的体积相同，大约为22.4 L。

【教师讲解】根据气体体积的影响因素可知，相同温度、压强下分子间距离一定，此时影响气体体积的因素是微粒数，因此1mol不同气体的体积近似相等。

【教师总结】气体摩尔体积，顾名思义指的是单位物质的量的气体所占的体积，单位为L/mol，符号为Vm。在0 ℃和101 kPa下，气体摩尔体积约为22.4 L/mol。

【教师提问】学习气体摩尔体积这个概念时，应注意哪些要点？

【学生小结】气体摩尔体积是针对气体而言的；气体在不同温度和压强条件下的气体摩尔体积是不同的，只有标准状况下的气体摩尔体积约为22.4 L/mol。影响物质体积因素的完善模型如图6所示。

设计意图：通过实验探究，引出气体摩尔体积的基本概念，加深学生的学习印象，发展学生的逻辑思维，培养学生的数据分析能力、推理能力和自主探究能力，得到影响物质体积因素的完善模型。

三、教学反思

气体摩尔体积的内容比较抽象和概念化，是教学的重难点。本节课的教学基于宏观情境从微观角度分析影响气体体积的因素，培养学生“宏观辨识与微观探析”化学学科核心素养，为以后的化学学习打好基础；多次创设生活情境引入知识，培养学生运用化学知识解决实际问题的能力以及“证据推理与模型认知”化学学科核心素养。具体地，通过实验探究，培养学生的迁移运用能力；运用生活实例激发学生的学习兴趣，引导学生初步形成假设，建构初始模型；通过教学活动、学生讨论和教师讲解，逐渐完善模型，形成科学模型。在此过程中，学生不仅掌握了基本的化学知识，提升了类比推理能力及逻辑思维能力，还培养了“科学探究与创新意识”化学学科核心素养。从教学效果来看，不仅能够促使学生回顾物质的量的学习思想，掌握气体摩尔体积的概念及应用方法，还为阿伏加德罗定律的学习做了铺垫，具有承上启下的作用，同时，涵养了学生的“证据推理与模型认知”化学学科核心素养和“宏观辨识与微观探析”化学学科核心素养。

［   参   考   文   献   ］

［1］  王鹏飞，刘存芳. 新旧高中化学课程标准比较分析［J］.教学与管理， 2019 （4）： 44-47.

［2］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版［M］.北京：人民教育出版社， 2018：4.

［3］  董军，吕志会.以发展学科核心素养为主旨的化学课堂教学研究：以“气体摩尔体积”的教学为例［J］.中学教学参考， 2021 （5）：78-80，91.

（责任编辑 罗 艳）

［基金项目］陕西省教育科学“十三五”规划课题（课题编号：SGH20Y1196）；陕西理工大学研究生教改项目（项目编号：SLGYJG2012）。

［通信作者］刘存芳（1971— ），女，汉族，陕西人，教授，研究方向为化学学科教学及基础教育研究。E-mail：liucf@snut.edu.cn。