培养模型认知能力提升化学核心素养研究

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　　 摘 要：化学“模型认知”是化学核心素养的重要内容之一，培养学生的模型认知能力对于高中化学学习有重要意义。文章结合具体的教学实践，从建构模型、研究模型、理解模型、应用模型的角度探讨在高中化学中如何整合课程资源，创新教学手段，以培养学生的模型认知能力。
　　 关键词：模型认知;高中化学;核心素养;实验探究
　　 中图分类号：G633.8 文献标志码：A 文章编号：1008-3561（2020）04-0092-02
　　高中化学新课标明确提出化学学科的核心素养，其可分为“宏微结合、变化平衡、模型认知、实验探究、科学精神”五大板块，而模型认知在化学教学中是重点，也是学生容易忽视的难点。模型认知能力的培养是教师在化学教学中不能忽视的方面。化学“模型”具体指晶体结构、化学方程式、电子式等。模型认知能力能够帮助学生通过分析、推理等方法认识研究对象的本质属性和特征、构成要素及其相互关系。学生可以借助语言、图像、符号、数学表达式等来建立模型认知，理解化学现象的本质和规律。
　　一、 自主归纳，建构模型
　　 化学课程中的模型建构往往是对一系列学生难以理解的抽象事物的归纳和演绎。针对原子结构、立体结构这些抽象概念建立具体模型，可以有效提高学生的学习效率，在帮助学生理解原子结构原理的同时，能够加深学生对化学基本原理的印象，有助于构建化学模型认知体系。
　　例如，在教学“人类对原子结构的认识”时，学生通过本章内容对原子的结构有了基本了解，但是对原子核外电子排布的认知仍然薄弱。教师可先从时间线学生了解原子结构模型的演变过程，然后向学生介绍原子核外电子排布的具体方式及原子核外电子排布的三个基本规律（泡利不相容原理、能量最低原理、洪特规则）。其中，泡利不相容原理是指每个轨道最多只能容纳两个电子，且自旋相反配对。能量最低原理是指电子尽可能占据能量最低的轨道。洪特规则是指简并轨道（能级相同的轨道）只有被电子逐一自旋平行地占据后，才能容纳第二个电子。此外学生需要注意，等价轨道在全充满、半充满或全空的状态是比较稳定的。原子的表示符号AX，表示的是质子数是Z、质量数为A的一种X原子。并且，质量数（A）=质子数（Z）+中子数（N）。学生在观察原子结构图的同时可以根据原子结构的知识点对原子模型进行分析和计算。
　　运动中的电子是一个抽象的概念，学生只能根据原子模型及原子核外电子排布规律对某一个原子进行分析和计算。在了解原子模型的过程中，教师需要引导学生对原子结构的知识点进行汇总和归纳。
　　二、结合计算，研究模型
　　高中化学模型研究中最常用的方法就是守恒法，守恒法贯穿化学学科学習的始终。在原子结构模型中需要用到质量守恒和电子守恒，还有一些化学反应中的物料守恒、价态守恒、溶质守恒等。所以建立守恒的化学模型在解题过程中十分重要。
　　 例如，在进行“氯、溴、碘及其化合物”的教学过程中，学生对氯、溴、碘这三种物质的化学性质和相关化学方程式的写法有了基本了解，但是对于实验过程中出现的一些鉴别反应和转化反应仍存在一些问题。教师可针对氯、溴、碘及其化合物的内容引导学生进行模型研究，展开专题探讨。教师出示题目：“若某氯碱厂日产50%的NaOH溶液3 000 kg。如果把同时生产的Cl2和H2都制成38%的盐酸，试计算理论上每天可生产盐酸的质量。”分析可知，该氯碱厂日产50%的NaOH溶液3 000 kg，即生产NaOH的质量是50%×3 000 kg=1 500 kg，物质的量是= 37 500 mol。教师要求学生根据题目先列出方程式，然后从中寻找物质的量的关系：2NaCl+2H2O [通电] 2NaOH+ H2↑+Cl2↑，得到氯气和氢气的物质的量分别是18 750 mol，所以得到HCl的物质的量是H2或是Cl2物质的量的2倍，即生产的HCl的物质的量是37 500 mol，即37 500 mol×36.5 g/mol=1 368 750 g≈1.37 t，也就是说理论上每天可生产盐酸的质量是1.37 t.
　　 根据方程式得到能量守恒的物质比例，然后根据原子守恒、质量守恒的原理进行计算是高中化学的一类基础计算问题。对化学模型进行初步认知后，研究模型、分析模型就成为学生逐步发展模型认知能力的具体任务。
　　 三、多元对比，理解模型
　　 教师在进行化学教学的过程中，应当鼓励学生建立不同的模型，从不同的视角看待化学问题。化学模型的多元对比，可以帮助学生掌握化学模型的内涵和用途，不仅有利于学生深入理解模型认知概念，还有助于学生发展化学思维和创新能力。
　　 例如，在进行“钠、镁及其化合物”这节课的备课过程中，笔者发现Na和Mg的化学性质活泼，并且原子结构也具备一定的特点，所以笔者决定设置一个模型构建的专题，以便让学生在多种模型的运用、转化过程中对这两种金属的特性获得更为深刻的认知。笔者先让学生绘制钠与镁的原子结构模型，从能量角度分析这二者化学性质的原子结构基础。学生发现金属钠的原子结构最外层只有一个电子，容易失去电子，所以导致钠的化学性质活泼。金属镁也是相同的原理。然后，笔者要求学生在“电解氯化钠”的电解池例题中列出电解氯化钠时电解池正极负极发生的化学反应和电子转移过程。该电解池的总反应式为：2NaCl+2H2O =2NaOH+ H2↑+Cl2↑，负极电子转移式为：2H++2e-=H2↑，正极的电子转移式为：2Cl--2e-=Cl2↑。分析到电解池这个化学模型，就可以把物质的化学性质与实用化学联系起来。对原子结构和化学方程式模型进行分析和类比，学生就会对模型构建建立起一定的层次感和逻辑脉络。
　　 此外，教师可以帮助学生进行概念图的填充。概念图能形象直观地表示集合之间的关系，能将抽象的符号、文字变得具体简明。这就有利于学生理解和把握概念，有利于构建化学知识网络，有利于学生分清概念之间隶属、同一、交叉或者并列等关系。 　　四、 解决问题，应用模型
　　 物质发生化学反应伴随着能量变化，能量变化通过氧化还原反应来实现。教师可以按照“现象——模型——实验（或观察）——理论”的基本程序，以实验资料和科学观察为基础，围绕物质的性质和特性，引导学生对金属的化学性质等进行探讨。
　　 例如，在教学“铁、铜的获取及应用”时，关于金属Fe的氧化还原反应很多，学生存在不会配平化学方程式的问题，因此，在课堂上教师可要求学生进行一次将“铁锈”转化成“生铁”的实验设计。学生首先要了解传统工艺工业冶铁的步骤包括3H2+Fe2O3 [高温]  2Fe+3H2O以及3CO+Fe2O3 [高温]  2Fe+3CO2两部分，运用的原理是：高温条件下利用还原剂CO将Fe2O3还原为Fe。同时，在实验设计过程中，学生也要注意一些实验器械的正确用法，如“高温条件下”的限定，需要的加热工具为酒精喷灯或者带罩的酒精灯。
　　 应用模型解决问题的过程中，学生需要对氧化还原反应有一个清楚的认知，这就需要教师在教学过程中与学生进行有效交流，及时发现学生解题过程中存在的问题，以便对学生进行模型认知指导。
　　 总之，高中化学新课程的教学应立足每一位学生的发展，按照课程改革的要求，努力提高学生的核心素养。在模式认知的培养方面，教师要围绕学生的化学素养和化学思维能力的培养，通过“自主归纳以建构模型，多元对比以理解模型，结合计算以研究模型，解决问题以应用模型”的方式创新教学手段，提升学生认识、分析及解决问题的能力。
　　
　　参考文献：
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　　[4]杨梓生.研究学科核心素养内涵特性应有的三种基本视角——兼谈对高中化学学科核心素养的认识[J].福建基础教育研究，2016（08）.
　　Study on the Cultivation of Model Cognitive Ability and the Improvement of Chemical Core Literacy
　　Yang Bo
　　（No.1 Middle School， Jiangdu District， Yangzhou City， Jiangsu Province， Yangzhou 225267， China）
　　 Abstract： Chemistry "model cognition" is one of the important parts of chemistry core literacy. It is of great significance for senior high school chemistry learning to cultivate students' model cognition ability. Based on the specific teaching practice， this paper discusses how to integrate curriculum resources and innovate teaching methods in senior high school chemistry from the perspective of construction model， research model， understanding model and application model， so as to cultivate students' model cognitive ability.
　　Key words： model cognition; high school chemistry; core literacy; experimental research
　　作者简介：杨波（1981-），男，江苏扬州人，中学一级教师，从事高中化学教学与研究。
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