培养高中生“模型认知”素养的化学数字化实验教学案例设计

蒋安诚 徐连芸 张丽茜

摘 要：核心素养作为新课标的重点，已成为高中生的必修课，在当今的教育改革进程中发挥着至关重要的作用。化学核心素养是一种重要的能力，它能够帮助学生在认知活动中更好地理解和应用化学知识。模型理解能力对于构建化学学科的基础知识和技能至关重要，同时也是促进化学学科思维发展的关键因素。提高学生对化学模型的认知能力对于培养他们的核心素养和提高学习效率至关重要，有助于提升化学教学的质量。文章以“配合物”认知模型教学设计为例展开研究。

关键词：模型认知；数字化实验；教学案例；应用研究

通过数字化实验教学案例的设计、研究和实施，可以幫助学生建立自己的知识模型，有效地提升他们在化学学科中的核心素养能力[1]。通过化学课程的学习，学生可以更好地理解学习中遇到的挑战，运用实验结果来归纳总结，建立起自己的知识网络；通过将日常生活经验与学科知识相结合，学生可以自主探索解决问题的方法，运用“认知模型”中的知识体系进行抽象概括，不断提升学生的分析、推理和解决问题的能力，促进学生核心素养能力的全面发展。本文以“配合物”认知模型教学设计为例展开研究如下[2]：

一、数字化实验教学案例设计的原则与方法

化学作为一门实验学科，其优势在于其具有数字化的特点，而实验则是其不可或缺的一部分，尤其是在设计方面。

在进行教学实验时，应该牢记以下几项基本原则：

（一）可操作性

为了满足高中阶段化学教学的需求，设计了一系列实验方案，其中涉及的药品和仪器可以在实验室轻松获取，而且实验操作的难度也适合高中生，不会给学生带来太大的挑战，同时也能够提高实验的成功率。

（二）科学性

该实验方案建立在严谨的科学理论框架之上，其中包含了精准的科学原则，而不是凭空推测出来的假设。在制订实验计划时，应当确保其具备充分的科学基础，包括实验要求、目标、思路以及最终结果。

（三）可重复性

通过反复研究和检验实验方案是有效的。在实验方案初步设计完毕之前，应该进行多次检查，仔细分析影响实验的各种因素，记录下所有的实验细节，以便在每次实验中，让学生获得准确的实验结果，避免出现结果的偏差。

（四）安全性

在实验室中，安全问题至关重要，尤其是在进行数字化实验时，由于使用的化学玻璃仪器和实验药品中含有潜在的危险物质，一旦出现任何疏忽都可能导致灾难性的后果。因此，应该坚持安全、规范的操作原则，严格执行相关的安全措施，以确保实验的顺利进行。

（五）绿色化学

在化学实验中，应当严格控制实验药品的使用，以确保实验的顺利进行，同时尽可能地节约化学能源[3]。为了让学生更好地了解如何有效地利用药品，应该采取措施来减少实验过程中产生的废水和废物，建立起节约资源的意识和理念。

二、高中生“模型认知”素养的化学数字化实验教学案例设计

（一）苯酚基团的“编译”

[生活情境]（展示）当看到某位同学与父母的合影时，可以通过化学实验来探究这种相似性，即他们的外表是否有所不同。

[学生]模型表明，不同族元素、晶体和系物在性质上都有相似之处，可能会发生变化。因此，可以通过分析新物质（如苯酚）的结构组成来探究其来源。

[学生]可以将“乙醇”中的苯和羟基结合物作为替代物来研究这种物质的构成。

[分析]研究苯酚与乙醇在结构上的差异，探讨它们之间的相似之处。

[学生]虽然两种物质都含有羟基，但是在这种新物质中，羟基与苯基的结合方式不同于乙醇。

[点评]酚是一类有机化合物，它们由羟基和苯环碳原子直接相连而成。与醇不同，最简单的酚是苯酚，它们具有独特的结构和性质。

设计意图：通过“思维模型”的深入探讨，让学生更加深刻地理解“化整为零”的思想，运用“多基团组合而成有机物”的认知模型，更好地探究苯酚的性质，有效地获取学习苯酚的方法。

（二）苯酚基团的“遗传”

[史话情境]“滴血认亲”被认为是古代最常见的亲子鉴定方式[4]，但现代科学家们却认为“滴血认亲”缺乏科学依据，因此，即使没有血缘关系，只要血型相同，也可以通过“血液互溶”来确定苯酚的溶解性。

[学生1]苯酚可以与多种有机溶剂，如苯和乙醇，形成类似血液的相容性，被溶解。

[学生2]苯的溶解度很低，乙醇和水之间可以相互溶解，但是苯酚在水中的溶解度却不可知。

[学生3]发现苯酚的羟基能够与水分子之间形成紧密的氢键，使得它们能够被完全溶解于水中。

[点评]这位同学的表现令人印象深刻，他不但能够运用“相似相溶”的思想来解读日常生活，而且还能够运用“氢键对溶解度影响”的原则来进行细致的分析。

[引导]请大家就苯酚的物理特性发表自己的见解，欢迎其他同学及时提出宝贵的意见。

[学生1]苯酚具有独特的香气，它的外观为无色晶体。然而，当它溶于乙醇和苯时，会产生一种白色的混合物，随着温度的升高，这种混合物会变得更加浑浊。

[学生2]经过我的观察，可以断定苯酚在冷水中的溶解性较弱，却能够轻松地被热水所吸收。

[学生3]经过一段时间的观察，苯酚的颜色逐渐变得淡红，这可能表明它已经受到损害。

设计意图：为了更好地培养“相似相溶”的概念，利用历史故事来引导学生对“模型认知”的概念进行理解，利用“自主探究”的概念来拓展他们的知识面，更好地实现深入的学习。

（三）苯酚基团的“进化”

[问题情境]“苯酚”是“乙醇”的延续，因此，有必要探讨“苯酚可能具有的化学性质”的深层

含义[5]。

[学生1]根据结构决定性质，分析苯酚拥有苯及其衍生物的全部特征。

[学生2]苯环可以通过卤代、硝化、加氢等多种反应来改变物质的性质，例如，乙醇可以与金属钠发生反应，也可以与乙酸酯发生反应，甚至可以在分子间脱水成醚，或者被氢卤酸取代。

[学生3]指出，“简单加和”的结论有待商榷，因为它忽略了基团之间的复杂相互作用，导致了许多未知的物理特征。

[学生4]表明，苯酚的溶解性与乙醇和苯有显著的不同，这一点我完全认可。

设计意图：本次设计旨在帮助学生深入理解苯和乙醇的化学特性，对自身的知识体系进行全面评估；通过“结构决定性质”模型的引导，学生可以更好地理解知识，将其转化为自己熟悉的概念，提升迁移和归纳能力，最终形成“基团间相互影响”不确定模型。

[引导]苯酚的特性是否与“乙醇”中描述得完全一致，还是存在着独特的特性？

[探究]苯酚羥基的反应性远远超过水和醇。在宏观层面上，苯酚的特征是什么？

[学生]可能会发现苯酚具有强烈的酸性。基础理由大概就是“苯环对羟基的影响”。

[学生实验]发现苯酚的酸碱度存在显著差异。

[学生1]观察到，当苯酚的浊液被加入氢氧化钠溶剂时，它的颜色会显著改善，说明它具有较强的酸性。经过紫色石蕊试液检测，未发现任何异常反应，说明苯酚的酸性水平相对较低。

[学生2]紫色石蕊试液没有变成红色，这很可能是因为苯酚的酸性过低，导致了它不能发生变化。

[学生3]研究结果表明在苯酚钠溶液中，盐酸和CO的浓度显著降低，这说明苯酚的酸性比碳酸更加稳定。

[评论]苯酚的弱酸性是由于它的羟基对它的影响造成的。酸的特性要远远低于碳酸，但却要高于碳酸氢钠。由于其酸性特征，苯酚很难被完全消除、分子间脱水、被氢卤酸取代等反应所抑制。

通过“酸的通性和强弱”的基础知识，“同中求异、异中求同”的科学思考模式，以及“基团间相互影响”的实践技能，希望学生更加深入地探索和掌握“基团间相互影响”的理论框架，以便更加全面、准确地理解其中的内容。

[引导]“羟基”可能会给苯环带来怎样的变化？最终的结果将会如何？

[学生1]可以通过参与实验来改善苯环的性质，提高它的加成或替换能力。

[学生2]可以说，苯环具有相对稳定的特性，因此羟基的存在可以显著改变它的性质。

[学生3]表明，羟基可能会使苯环更加稳定，提高其结构稳定性。通过“对照实验”的研究，可以更深入地了解羟基的活性。

[引导]因此，应该充分利用现有资源，结合各种可能的因素，进行深入的探究，以便制订出最佳的实验方案。

[学生]设计了一个实验，用于研究苯和苯酚与浓溴水的反应。

[学生]在苯酚溶液中添加了浓溴水，结果出现了一种白色的沉淀，随着添加量的增加，这种沉淀逐渐减少，最终消失。根据苯和溴的反应，可以得出结论：苯环很容易被溴所替换，但很难形成反应。因此，猜想苯酚会被浓溴水所替换。

[引导]苯酚被浓溴水所取代，形成了三种不同的三溴苯酚：2、4和6，这些化合物的存在，是否能得出一个重要的结论？

[学生]通过比较苯、苯酚、溴的取代条件及其产生的结果，发现羟基对苯环的作用是显著的，它大大提高苯环的替换性。

[评论]由于浓溴水具有极高的灵敏度，它已成为日常生活及工业实践中广泛使用的苯酚的定性及定量分析方法。

通过从反面的角度探索事实，希望帮助学生更好地理解新的思维模型的构建，以此为基础进行深入的分析和探究。通过深入探究“模型法”，学生可以更好地理解并掌握“模型认知”，提升他们的学习能力和素养。

（四）苯酚基团的“价值”

[图片展示]苯酚的用途

[点评]苯酚虽然在日常生活、工业生产和医疗中被广泛使用，但如果不正确地使用它，就可能导致严重的环境污染，因此，必须以辩证的态度来看待它。除了苯酚，其他酚类物质也在日常生活中扮演着重要的角色。

[任务情境]丁香酚被认为是一种具有重要意义的香料，因此，需要通过分析它的结构来探究它的特性；对“从丁香花中提取丁香酚”进行解决。研究丁香精油中酚的含量。

[课堂总结]利用生物遗传学的理论，运用比较、预测、归纳以及实验的方法，对苯酚的知识进行深入探究，有利于构建“官能团决定物质特性”和“基团间相互影响”两大思考模型。通过不断探究和实践，可以更好地掌握思维模型，提高学习的效率。

设计意图：本次设计旨在通过探究问题来评估学生对苯酚特性的理解和模型应用的掌握情况。通过模型预测新物质，运用其特性解决实际问题，帮助学生深入理解“学以致用”化学概念，更好地体会“模型认知”素养在实际应用中的重要性。

结合上述教学案例，将“模型认知”素养融入化学数字化实验教学中是化学课堂教学的重要目标，自然成为当下一线化学教师教学研究的热点和焦点，其主要用途体现在：

1.化学核心素养是当下一线化学教师教学研究的重要目标，它的主要用途是：通过引导学生进行深入的思考，培养他们的科学思维，加深对化学知识的理解，通过数字化实验案例的教学，让他们更好地掌握新的知识，同时也增强他们的科学探索能力和动手能力。通过实际操作来验证和深化理论知识；通过科学探索，应该培养出一种冷静、谦虚、谨慎的心态，认识到获得成功并非易事，而是需要多次尝试、反复检验和验证自身的推断；通过引导和指导，可以帮助学生建立多种化学思维模式，将零碎的知识结合起来，形成一个完整的知识网络[6]。

2.激发学生的求知欲，培养他们的证据意识、求证能力、逻辑思维和提出问题的能力。通过数字化实验案例教学，可以培养学生的模型认知能力，在创造实验情境的同时，帮助他们更好地理解化学理论，使抽象的概念变得更加直观，使微观现象变得更加宏观。此外，这种方式还激发学生的认知冲突和好奇心。采用提出问题、构建假设、制订探索步骤、解决问题的方式，不但有助于增强学生的实践技能，更有助于他们形成良好的证据观念、检验技巧、思维能力以及解决问题的思维模式。当面临生活中的挑战时，应该积极寻找解决方案，学习如何运用科学的方法来解决问题。教师在课堂上应该根据学生的特点和需求，灵活地运用各种化学模型，以培养他们的分析能力和模型认知能力。

结束语

将“模型认知”的知识和技能纳入数字化实验课堂中，无疑会带来巨大的发展机遇，尽管在实践中会遇到一些挑战，但凭借其独特的优势，一定能够克服这些障碍。通过深入研究教材资源，提高自己的实验操作技能，以便在学生遇到困难时能够及时帮助他们解决。

参考文献

[1]毕华林，叶剑强.国际核心素养研究的主题领域与脉络演进[J].山东师范大学学报（人文社会科学版），2019，64（3）：97-105.

[2]靳建军.浅谈化学探究性实验教学[J].神州，2011，（11）：150.

[3]国务院办公厅.关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见[J].人民教育，2019（Z2）：10-13.

[4]邓玉华，杜丽君.数字化实验在化学核心素养“宏观辨识与微观探析”维度的教学应用：以弱电解质的教学为例[J].化学教育（中英文），2019，40（21）：77-81.

[5]孙可平.科学教学中模型/模型化方法的认知功能探究[J].全球教育展望，2010，39（6）：76-81.

[6]张丙香，毕华林.中学生科学概念心智模型的理论研究综述[J].化学教学，2017（10）：6-11.

本文系2022年青海省中小学教育教学研究课题：“双减”背景下高中生化学模型思维培养的实践研究。（课题编号：QJX22YB37）。