从化学信息素养出发，走向模型认知

【摘要】文章通过分析屠呦呦提取青蒿素的过程，归纳物质制备方案设计的一般流程，以近几年江苏省高考化学物质制备方案的设计题为例，以培育学生的化学信息素养为出发点，建构物质制备方案模型。

【关键词】高中化学；化学信息素养；模型认知；模型建构；物质制备方案

【基金项目】本文系江苏省教育科学“十三五”规划2020年度重点自筹课题“中学化学课程实施中提升学生信息素养的策略实践研究”（批准号：B-b/2020/02/157）、兴化市教科研“十三五”2020年度省市立项课题“科学论证视域下的化学教学适切性研究”（批准号：2019JK13-L369）的研究成果。

作者简介：宗汉（1974—），男，江苏省兴化市楚水实验学校。

信息素养和模型认知是化学学科素养的重要组成部分，两者内涵丰富、相互关联。高中化学教师应注重培育学生的化学信息素养，让他们建构物质制备方案设计的模型认知，并学会运用模型认知解决化学

问题。

一、化学信息素养与模型建构的基本内涵

《中国高考评价体系》指出，信息素养较强的学生应能够全面准确地获取信息，阅读和理解学科文本、基本符号，并从陌生情境中提取有效信息；能够准确分析、概括和描述学科所涉及的规律或原理，最终解决真实陌生情境下的问题。可见，化学信息素养是指学生在真实、复杂且陌生的问题情境中，通过阅读、分析、化学实验等途径准确而又快速地获取化学信息，对化学信息进行多角度、多层面、系统化的加工处理，最终建构解决化学问题的认知模型的能力。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）指出，“模型认知”是高中化学核心素养的重要组成部分，其主要内涵为借用已有的科学模型或运用模型方法自主建构模型，从而分析、解决问题。

信息素养是化学学科素养的重要组成部分，学生可以通过多种途径获取化学信息，对这些化学信息进行“内化”，建构具有普遍意义的认知模型，从而提高自身思维发展水平的深度和广度，有效提升化学学科核心素养。

二、基于化学信息素养与模型建构的“物质制备方案”教学设计与实践

（一）教学内容

《课程标准》指出，学生应能够设计一些较为简单的综合实验（如物质转化、分离提纯、性质应用）；能根据实验目的选用适宜的实验方法（如变量控制），控制反应条件，安全完成实验；能用相关信息（如符号、数据、图表）描述实验证据并进行分析推理，最终形成实验方案；能基于“绿色化学”理念设计制备物质的实验方案，并进行评价和优化。基于此，教师分析并归纳近六年化学实验方案设计的考试内容（如表1所示）。

（二）教学目标

第一，学生能够依据已有知识和题目信息分析物质制备原料中的成分和目标产物；第二，学生能够结合实验目的与物质制备过程中的化学原理，绘制物质制备的流程图，并建构制备实验方案的认知模型；第三，学生能够用文字规范地表达实验方案、实验现象、实验结果和结论，并能从实验步骤、反应原理等方面对实验进行评价。

（三）教学过程

【学习化学史，认识模型认知】

首先，教师展示相关资料，介绍青蒿素的化学结构式（如QW7IZSaRMaguhC1313IuCA==图1所示）和性质：青蒿素，无色针状，易溶于氯仿、丙酮、乙酸乙酯和苯，可溶于乙醇、乙醚，微溶于冷石油醚，几乎不溶于水。因其具有特殊的过氧基团，它对热不稳定，易受湿、热还原性物质的影响而分解。教师提问：“屠呦呦为什么会想‘浸泡、绞汁？为什么不用水煎呢？’”以此引导学生阅读材料，提取有用信息解决问题（如青蒿素几乎不溶于水，对热不稳定，受热分解）。

其次，教师介绍屠呦呦发现青蒿素的过程：1971年，屠呦呦的研究团队经过190次实验失败后，通过研究大量医学古籍，寻找新的萃取剂—乙醚，并在低温（60℃）条件下成功制成标号191#的中性提取物。1972年11月，该团队从青蒿乙醚提取物中进一步分离出无色结晶物，并将其命名为青蒿素［1］。教师提问：“为什么研究团队改用低温提取，利用乙醚回流或冷浸，而后用碱溶液除掉酸性部位的方法制备样品？”以此引导学生阅读材料，理解条件控制对化学实验方案设计的重要性。而后，教师提问：“屠呦呦研究团队重新设计了提取方法，其整体方案主要有哪些方面？”以此，教师带领学生绘制“模拟提取青蒿素的实验流程图”（如图2所示）。

最后，教师介绍道：“2015年12月10日，中国科学家屠呦呦获得诺贝尔生理学或医学奖，她开创性地从中草药中分离出青蒿素应用于疟疾治疗，挽救了许多人的生命。”以此，引导学生深刻理解屠呦呦研究团队提取和研究青蒿素的价值。

【剖析高考题，初步建构模型】

例1（2019年江苏高考化学题节选）：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。

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为盐酸和Ca（OH）2固体］

第一环节，确定目标。教师引导学生提取题干信息：目标产品为轻质CaCO3所需的CaCl2溶液。

第二环节，确定原料。教师引导学生分析题目信息：工业废渣主要含有CaSO4·2H2O，还含有少量杂质；加入（NH4）2CO3溶液浸取，CaSO4与（NH4）2CO3反应生成CaCO3和（NH4）2SO4，而SiO2、Al2O3和Fe2O3与（NH4）2CO3不反应。故本实验方案中原料为水洗后的滤渣。

第三环节，厘清流程。学生依据题目中的条件信息和已学的化学原理，明确了实验方案的流程（如

图3所示）。

第四环节，规范步骤。本实验有两处细节需要规范：一是酸溶时，为了防止反应速率过快，使得CO2大量放出，从而导致反应物冲出反应容器，应在搅拌的情况下向足量的盐酸中分批加入少量滤渣，其反应终点为“观察不到气泡产生”；二是中和除杂时，应确保Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀完全，但Al（OH）3不能溶解转化为［Al（OH）4］ -。

第五环节，建构模型。教师根据实验步骤学生绘制“从矿石或废渣中获得A溶液的认知模型图”（如图4所示）。

最后，根据以上教学环节，师生共同归纳总结，建构物质制备方案模型（如图5所示）。

【研究高考题，应用模型认知】

例2（2023年江苏高考化学题节选）：补充完整制取MgSO4·H2O晶体的实验方案：向含有少量Fe3+、Al3+的MgSO4溶液中， ▲ 。（已知：Fe3+、Al3+在pH时完全转化为氢氧化物沉淀；室温下从MgSO4饱和溶液中结晶MgSO4·7H2O，150～170℃下MgSO4·7H2O干燥得到MgSO4·H2O，实验中需要使用MgO粉末）

本实验目的是制取MgSO4·H2O，主要考查学生对化学实验条件的控制和化学实验设计能力。教师应引导学生借鉴此前建构的物质制备方案模型进行思考、分析和解决问题。

学生结合题目条件（信息）和物质制备方案模型在导学案上绘制物质制备方案设计的流程图。教师对学生的活动进行指导和评价，并利用投影展示部分学生作品，让学生分享自己设计的思路和实验步骤，让其他同学提出修改意见，从而不断优化实验方案设计，形成实验方案流程图（如图6所示）。

教师展示参考答案，解释关键步骤和化学用语及其表达方式的规范化、逻辑化、科学化，指导学生用规范的化学语言表达实验流程。

参考答案：在搅拌下，分批加入少量MgO粉末，至用pH试纸测得pH≥5时停止加入，并进行过滤，将滤液蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜，降温至室温结晶，过滤、洗涤，所得晶体在150～170℃干燥。

三、教学反思

（一）提取与加工信息，培养信息素养

“物质制备方案的设计”这一题型考频高、区分度高，能有效考查学生的化学核心素养。部分学生遇到此类题经常失分，这主要是因为他们未能全面、准确地获取题目中的重要信息，未能从陌生情境中提取有效信息，难以将所学知识和新情境中的信息进行加工、整合。因此，教师应加强学生对化学文本阅读的指导，让学生采用“圈”“勾”“划”等方法快速、准确地获取化学信息；同时，指导学生对化学信息进行系统化的加工处理，让学生学会准确而规范地表达化学信息，从而逐步提升学生的化学信息素养。

（二）建构认知模型，培养核心素养

建构认知模型是高中化学的核心素养之一，也是学生重要的能力素养。部分学生不会“建模”，也有部分学生建构了一些模型，但遇到新的情境时不会借助已经建构好的模型进行分析和解决问题，其原因可能是部分学生未能亲自建构和应用模型。例如，在本课教学中，师生共同建构“模拟提取青蒿素的实验流程图”“从矿石或废渣中获得A溶液的认知模型图”等模型，但部分学生仅是机械模仿和生搬硬套，未能充分理解和有效运用。由此，教师应坚持“为问题建模”的理念，引导学生亲自“建模”和“用模”，让他们在体验、领悟中学会建构科学、合理的认知模型，并逐渐完善认知模型，使其从“简略”走向“完整”［2］。

（三）重视原理方法，提升解决问题的能力

化学原理与方法是学习化学的基石。在化学学习过程中，部分学生对物质转化的条件、实验条件的控制、物质的分离和提纯，以及结合信息进行推理判断等原理和方法掌握得不够扎实。例如，在“例1”的解答过程中，有的学生并未理解流程中的原理和目的，不明确滤渣中的成分，从而无法正确回答问题。教师应强调化学原理和方法的重要性，让学生理解并掌握化学原理与方法，提升他们解决化学问题的能力。

结语

综上所述，教师应为学生提供动手实践的机会，通过真实的实验过程加深学生对实验基本原理和操作的理解，让学生从化学信息素养出发，走向模型认知，从而有效提升学生的化学学科核心素养［3］。

【参考文献】

［1］卢义钦.青蒿素的发现与研究进展［J］.生命科学研究，2012，16（3）.

［2］朱志江，邓善银.例谈思维建模的教学操作及应用价值：以“制备实验方案设计”复习教学为例［J］.中学化学教学参考，2019（19）：52-55.

［3］周萍.例谈思维建模在实验方案设计与评价中的应用［J］.化学教学，2019（6）：83-87.