基于模型认知的深度教学实践

摘要： 基于深度学习理论，以书写和调控陌生化学反应为学习主题，通过建构各种平衡与化学反应关系的认知模型，使书写陌生反应变得“有理可循”；通过应用模型解决实际问题，使调控反应变得“有理可控”；通过作业反馈，检验深度学习的效果。培养学生的高阶思维，促进变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知核心素养的发展。

关键词： 平衡思想; 模型认知; 深度教学; 书写和调控陌生化学反应; 高三复习

文章编号： 1005-6629（2024）06-0051-07 中图分类号： G633．8 文献标识码： B

化学的特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质［1］。化学符号作为宏观物质和微观世界的抽象表达方式，是化学家进行化学思维的工具［2］，也是学生进行化学学习的工具。陌生化学反应的方程式的书写、分析与调控等是高考的重点内容，突出考查学生的宏观辨识与微观探析、变化观念与平衡思想、证据推理与模型认知等素养水平。

查阅有关陌生化学反应的方程式的文献，多数是从配平策略进行研究，较少挖掘“平衡与化学反应”之间的联系，忽视了平衡对化学反应的指导作用，使学生的学习停留在浅层学习、机械学习，阻碍了学生高阶思维的发展；较少创设真实问题情境，忽视了陌生反应的方程式的调控价值，无法激发学生的思维、情感、价值观的全面参与。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》建议教师在组织教学时应有目的、有计划地进行“认识思路”和“核心观念”的结构化设计，逐步提升学生的化学知识结构化水平，发展化学学科核心素养［3］。已有研究表明，深度学习是促进学生核心素养发展的有效途径。深度教学强调在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，从宏微结合、变化守恒的视角，运用证据推理与模型认知等深度学习的思维方式，解决综合复杂的问题，获得结构化的化学核心知识，建立运用化学学科思想解决问题的思路方法，培养创新精神和实践能力［4］。

1 教学主题的确定

基于以上分析，笔者在高三一轮复习“氮及其化合物”专题时，引导学生建构平衡与化学反应关系的认知模型，使书写陌生化学反应的方程式变得“有理可循”；选定去除废水中的氨态氮为挑战性任务，引导学生设计去除方案，表征并调控陌生反应，使调控反应变得“有理可控”。积极开展建构学习与问题解决学习，促进学生学习方式的转变。

2 教学目标

（1） 通过课前书写陌生化学反应的方程式，诊断书写角度与书写水平；通过评价与讨论，诊断预测及分析陌生反应的角度与思路，建构平衡与化学反应关系的认知模型。

（2） 通过课堂设计去除废水中氨态氮的方案，激发学生主动应用平衡与化学反应关系的认知模型，对陌生反应进行预测、分析、调控，建构真实情境中调控复杂变化的思路。

（3） 通过课后分析“镁基储氢材料MgH2制H2”的原理和效果，诊断学生应用模型表征陌生化学反应的水平以及分析、解决实际问题的能力。

（4） 通过表征陌生化学反应，体会“宏观与微观”“定性与定量”“量变与质变”“物质的变化是有条件的”等化学学科思想方法，感悟反应原理对物质转化的指导作用与重要价值。

3 教学过程

3.1 课前诊断

选取2019年北京高考试题中的一问，要求学生写出Ag2SO3溶于氨水的离子方程式，满分为2分。将学生作答情况分类后，由学生作为课堂评价的主体，展现出对平衡与化学反应关系的认知水平，见表1。

3.2 引导学生建构平衡与化学反应关系的认知模型

通过分析，发现学生对分解、化合、配位平衡的关注不足，还没有形成系统的结构化认知，在陌生情境中利用平衡思想预测、书写陌生化学反应的方程式的能力较弱。教师引导学生通过讨论、交流，建构各类平衡与化学反应关系的认知模型（见图1）。

通过建构模型，引导学生抛弃死记硬背、胡编乱造、题海战术等书写方程式的错误想法，体会到化学方程式的书写是“有理可循”的。

3.3 应用认知模型解决实际问题

应用模型才能彰显建构模型的价值。化学的魅力不仅可以实现物质的转化，而且可利用化学知识调控转化。调控反应可激发学生从“解题”到“解决实际问题”，有利于学生在理解的基础上，把握知识之间的有机联系，做出决策［5］；学生的思维、情感、价值观等全面参与，有助于深度学习的发生和高阶思维的培养。基于此，笔者以去除废水中的氨态氮为真实情境，让学生在活动中主动应用认知模型解决实际问题。教学流程见表2。

教学主要片段阐释如下。

环节1：设计方案、拓宽思路

［任务1］废水中氨态氮多以NH+4、 NH3·H2O和NH3的形式存在，废水脱氮是主要污染物减排和水体富营养化防治的研究热点。请提出脱氮的思路。

［生1］将-3价的氮氧化为0价的对环境无污染的氮气。

［生2］利用NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-的平衡，改变条件，使平衡逆

向移动，使氮元素脱离水体。

［任务2］如果利用平衡的角度脱氮，请提出具体的方法。

［生1］加碱法或加热法，均可使平衡逆向移动，使水体中的氮元素减少。

［生2］废水量大，直接加热会消耗大量的热能。可将加热法和加碱法联合使用。

［提供资料］对某氨氮废水进行微波加热，pH对氨态氮脱除的影响如表3所示。

［生］通过对比、分析，加热法和加碱法联合使用效果较好。该方法虽然可使氨态氮浓度降低，但废水中仍有氨态氮剩余，应进一步去除。

［提供资料］展示必修2教材中的海水提溴工艺流程图。

［任务3］分析提溴的工艺，设计废水脱氮的方案。

［生］流程中利用廉价的空气将生成的溴从大量海水中“吹出”，可使溴得到很

大程度的富集。脱氮的方案可设计为：加碱-微热-吹出-吸收。

［师］能用沉淀法降低水中的氨氮量吗？

［生］不能，因为常见的铵盐均为可溶或易溶于水。

［任务4］向氨氮废水中投入MgCl2和Na2HPO4，可生成MgNH4PO4·6H2O沉

淀，可将氨态氮含量降至10mg·L-1以下。写出该反应的离子方程式。

［生］Mg2++NH3·H2O+HPO2-4+5H2OMgNH4PO4·6H2O↓

环节2：分析原理、改进方案

［任务5］若16℃时，向废水中加入MgCl2和Na2HPO4，使镁、氮、磷物质的

量之比为1∶1∶1。预测沉淀过程中pH对剩余的氨态氮浓度有何影响？说明理由。

［生1］体系中存在NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-的动态平衡，增大pH，c（OH-）

增大，平衡逆向移动，c（NH+4）减少，生成沉淀的量也减小。

［生2］体系中还存在①水解平衡：HPO2-4+H2OH2PO-4+OH-，②电离平衡：HPO2-4H++PO3-4，增大pH，c（OH-）增大，水解平衡逆向移动，电离平衡正向移动，c（PO3-4）增大，生成沉淀的量也增大。

［生3］Mg2++2OH-Mg（OH）2，增大pH，c（OH-）增大，可能促进沉淀反应的发生，与生成MgNH4PO4·6H2O沉淀的反应形成竞争关系。

［任务6］结合实验数据探寻调控方案，并结合反应原理解释方案。

［提供资料］展示实验数据图，见图2。

［生1］由图2可知，欲使剩余氨态氮浓度低于10mg·L-1，pH的适宜范围是8～10。

［生2］若pH偏大，c（OH-）大，抑制NH3·H2O的电离，促进Mg（OH）2沉淀的形成，使NH+4和Mg2+浓度均偏低；若pH偏小，c（H+）大，抑制HPO2-4电离（同时促进HPO2-4水解），使PO3-4浓度偏低。因此pH偏大或偏小均不利于MgNH4PO4·6H2O的生成。

［总结］经过学生的讨论、展示、交流，教师引导学生在理解的基础上，将知识结构化、认识思路结构化，见图3。

［任务7］总结在真实情境中调控变化的思维路径。

［师生］建构思维路径，见图4。

4 设计课后作业，检验学习效果

笔者以“镁基储氢材料MgH2制H2”为素材，在课后作业中开展深度学习效果的评价，题目和评价标准见表4，评价结果及学生优秀分析样例见表5。

5 教学效果与反思

5.1 教学效果

本课例引导学生通过深度参与，让学生积极、主动地学习；通过深度理解，开展迁移学习。课前作业和课堂评价为不同认识水平的学生提供了展示的平台，教师鼓励学生自评、互评，激发了学生积极的内在动机。学生在评价中发现个体知识结构化的差异，主动建构平衡与化学反应关系的认知模型，领悟到陌生反应的书写不是“胡猜瞎蒙”的，而是“有理可循”的。在应用模型解决废水脱氮的挑战性任务中，学生的知识迁移从被动、无序、滞留状态逐渐转变成主动、有序和顺畅；学生的认知从不能用沉淀反应脱氮，发展到建构形成MgNH4PO4·6H2O沉淀的结构化模型，学生惊喜地发现变化之间的“互促关系”与“竞争关系”，感悟到利用方程式的表征变化具有直观形象的作用，而建构多个方程式的结构化模型对解释、分析和调控复杂变化具有清晰的导引价值，使调控复杂变化“有理可控”。从而发现知识结构化的价值，进一步激发了学生的学习热情。许多学生在作业中分析“镁基储氢材料MgH2制H2”的原理和效果时，利用模型进行了结构化的分析，部分学生还利用了分类法、图示法等方法辅助分析，展示出对物质组成与性质、平衡与变化、速率与限度、促进与竞争等关键问题的思维角度与认识深度。

5.2 教学反思

5.2.1 学以致用，创设真实问题情境，激发学生的十项思维要素

知识的功能价值只有在基于真实学习情境的丰富多样的学科能力活动中才可能转化为学生自觉主动的、合理的认识方式，形成核心素养［6］，这就需要教师先要深度选材［7］，再开展深度教学。本课例选择了生产环保情境，引导学生开展去除废水中氨态氮的研究，激发学生的分类与比较、预测与设计、分析与推理、解释与归纳、反思与批判等十项思维要素。学生从单纯的做题者变为解决实际问题的深度参与者，学习的过程从浅层学习转向了深度学习。

5.2.2 分层设计，让不同思维水平的学生都能找到适合自己的“最近发展区”

以本节课为例，对于思维水平较弱的学生，重点引导他们分析陌生方程式的书写是“有理可循”的，让学生在理解平衡与化学反应关系的过程中，领悟到平衡对研究化学反应的指导作用；对于思维水平较强的学生，重点引导他们在活动中主动有序地寻找反应原理，调控反应，使陌生反应“有理可控”，使学生感受到知识间丰富的逻辑关系，建立对程序性知识的系统认识［8］。

5.2.3 循序渐进，搭建深度学习效果检验平台，助推学生高阶思维的发展

学生核心素养的发展和提升是一个循序渐进的过程，与课堂上教师的助力不同，完成作业是学生独立解决问题的过程［9］，作业可成为检验学生深度学习效果的平台。以本文中的作业为例，第（5）问难度最大，如果按第（4）问建构起来的思维模型进行预测，预测结果与实验结果是相反的。这对学生的比较、分析、反思与批判思维要素是一项重要的检测。在课堂交流中发现：有70%的学生能明确指出需要对比Ni2+和Cu2+的性质，也能罗列出粒子可能涉及的主要性质，体现了“比较”的思维要素；有40%的学生能画出体系模型，结合题意大胆进行正向预测与逆向推理，指明了复杂变化中的竞争关系，体现了“分析、推理、反思、批判”等思维要素。通过学生对作业的深度思考以及教师对作业中思维要素的深度点评，助推了学生高阶思维的发展。

参考文献：

［1］［3］中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 1， 71.

［2］毕华林， 万延岚. 化学的魅力与化学教育的挑战［J］. 化学教学， 2015， （5）： 3～7.

［4］胡久华， 罗滨， 陈颖. 指向“深度学习”的化学教学实践改进［J］. 课程·教材·教法， 2017， 37（3）： 90～96.

［5］吴永军. 关于深度学习的再认识［J］. 课程·教材·教法， 2019， 39（2）： 51～58.

［6］王磊， 魏锐. 学科核心素养发展导向的高中化学课程内容和学业要求——《普通高中化学课程标准（2017年版）》解读［J］. 化学教育， 2018， 39（9）： 48～53.

［7］沈剑. 促进高阶思维发展的深度学习课堂教学——以“催化剂参与反应历程”为例［J］. 化学教学， 2023， 45（7）： 57～61.

［8］申燕等. 高考化学信息型方程式复习备考策略研究［J］. 化学教学， 2019， （5）： 22～27.

［9］王红轩. 促进“科学探究与创新意识”素养发展的高三复习课——探究亚硫酸钠溶液pH的变化及应用［J］. 化学教育， 2023， 44（13）： 49～55.

*北京市教育学会学习科学专业委员会课题“基于深度学习的高中化学单元整体教学设计实践研究”（课题编号：xxkxkt2023dc011）阶段性研究成果。