促進(jìn)“模型認(rèn)知"的化學(xué)教學(xué)

張禮聰

摘要：認(rèn)知模型的建構(gòu)過(guò)程就是學(xué)生思維模式系統(tǒng)化和認(rèn)識(shí)方式發(fā)展的過(guò)程?；瘜W(xué)教學(xué)要引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知，并指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展模型認(rèn)知學(xué)習(xí)，以促進(jìn)學(xué)生將模型認(rèn)知轉(zhuǎn)化為自己的一種學(xué)習(xí)方式?！盎瘜W(xué)反應(yīng)中的熱量變化”教學(xué)，以促進(jìn)學(xué)生“模型認(rèn)知素養(yǎng)”發(fā)展為目標(biāo)，通過(guò)概念形成、模型建構(gòu)、模型應(yīng)用和概念表達(dá)等教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，開(kāi)展了“素養(yǎng)發(fā)展為本”的教學(xué)實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞：模型;模型認(rèn)知;化學(xué)反應(yīng);能量變化

文章編號(hào)：1008-0546（2019） 11-0030-03

中圖分類(lèi)號(hào)：G632.41

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi： 10.3969/j.issn. 1008-0546.2019.1 1.008

所謂“模型”就是人們?yōu)榱诉_(dá)到對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行解釋、認(rèn)識(shí)或研究等特定目的，對(duì)目標(biāo)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的、直觀的、定性的或定量的、文字的或圖形的描述[1]。模型是認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)屬性和相互關(guān)系的一種科學(xué)方法，其原型可以是物質(zhì)、概念、事件、過(guò)程和系統(tǒng)。

“模型認(rèn)知”素養(yǎng)是化學(xué)核心素養(yǎng)的重要組成部分。新課標(biāo)中“模型認(rèn)知素養(yǎng)”要求是“知道可以通過(guò)分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”[2]。認(rèn)知模型的建構(gòu)過(guò)程就是學(xué)生思維模式系統(tǒng)化建構(gòu)的過(guò)程，也是學(xué)生認(rèn)識(shí)方式發(fā)展的過(guò)程[3]。依據(jù)事物及其變化的信息來(lái)建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題的思維框架，是化學(xué)教學(xué)必不可少的方法。

在解決化學(xué)問(wèn)題時(shí)，為了揭示事物的本質(zhì)以及研究的方便，用化學(xué)的語(yǔ)言、方法從復(fù)雜的化學(xué)問(wèn)題、條件和現(xiàn)象中經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化、抽象得出化學(xué)模型的過(guò)程就是化學(xué)建模[4]?；瘜W(xué)建模不僅包括模型的建構(gòu)，也包括模型的應(yīng)用和發(fā)展的一個(gè)系統(tǒng)、復(fù)雜的過(guò)程;是人的心智活動(dòng)與客觀世界相互作用的過(guò)程;是多種科學(xué)方法綜合運(yùn)用的過(guò)程[5]。通過(guò)化學(xué)模型的建構(gòu)與應(yīng)用，可以促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維以及心智模型的改進(jìn)，有利于提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

一、教學(xué)分析

物質(zhì)變化和能量變化是化學(xué)反應(yīng)的兩大特征。蘇教版《化學(xué)2》將“化學(xué)反應(yīng)巾的熱量變化”編排在“反應(yīng)速率與限度”之后;從能量變化角度為學(xué)習(xí)者認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)建立了新視角，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建“物質(zhì)變化一反應(yīng)快慢一能量變化”的認(rèn)識(shí)體系，揭示化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì);是學(xué)習(xí)者對(duì)化學(xué)反應(yīng)已有認(rèn)識(shí)的延續(xù)、發(fā)展和完善，為后續(xù)發(fā)展性、全面性認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)搭建基礎(chǔ)和橋粱作用。

依據(jù)現(xiàn)行高中教材體系，筆者認(rèn)為課時(shí)教學(xué)主要解決的問(wèn)題：（1）化學(xué)反應(yīng)中有能量變化嗎？其主要表現(xiàn)形式？研究化學(xué)反應(yīng)能量變化有何意義？（2）化學(xué)反應(yīng)為什么有能量變化？如何從宏觀和微觀角度解釋能量變化？（3）怎樣用化學(xué)用語(yǔ)（符號(hào)）表征反應(yīng)及其反應(yīng)熱？（4）不同化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱數(shù)據(jù)是怎么來(lái)的？

二、教學(xué)思路

基于上述思考，本課時(shí)教學(xué)以“化學(xué)反應(yīng)中的熱量變化”概念模型構(gòu)建為核心目標(biāo)，將問(wèn)題情景創(chuàng)設(shè)、學(xué)生活動(dòng)探究、問(wèn)題任務(wù)驅(qū)動(dòng)、建模理解概念、問(wèn)題解決與應(yīng)用等融合于整體設(shè)計(jì)之中。設(shè)計(jì)課時(shí)整體構(gòu)架為：（1）以白熱飯盒為情景，提出問(wèn)題，分析原理，感受化學(xué)價(jià)值，認(rèn)識(shí)研究意義;（2）通過(guò)學(xué)生小組實(shí)驗(yàn)探究，感知化學(xué)反應(yīng)中能量變化事實(shí)，概括形成放熱、吸熱反應(yīng)概念，達(dá)成基本認(rèn)識(shí);（3）學(xué)生小組討論，宏觀分析反應(yīng)放、吸熱原因，初建過(guò)程模型，達(dá)成概念基本理解;（4）問(wèn)題研討，微觀思考，從化學(xué)鍵視角解釋反應(yīng)本質(zhì)，深化概念理解，修正、完善過(guò)程模型;（5）概念表征，化學(xué)用語(yǔ)書(shū)寫(xiě)表達(dá)，問(wèn)題解決，實(shí)現(xiàn)概念模型的應(yīng)用。教學(xué)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)緊緊圍繞概念模型構(gòu)建目標(biāo)，進(jìn)行教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化處理，使抽象概念形象化、直觀化，促進(jìn)了學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的發(fā)展。

三、教學(xué)過(guò)程

1.實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)，概念構(gòu)建

[情景]展示“白熱飯盒”實(shí)物。飯盒能“白熱”真有這么神奇嗎？

[實(shí)驗(yàn)]打開(kāi)水包，將白熱包（Ca0粉末）放入水中（觀察、感受溫度變化）;

[問(wèn)題]①飯盒“白熱”的化學(xué)原理是什么？

②化學(xué)能可以轉(zhuǎn)化為哪些形式的能量？其主要表現(xiàn)為？

[實(shí)驗(yàn)]①鎂條與鹽酸反應(yīng);（觸摸試管外壁，感知溫度變化）

②氯化銨與氫氧化鋇晶體反應(yīng);（創(chuàng)新設(shè)計(jì)：將藥品氯化銨和氫氧化鋇晶體分裝于自封塑料袋上下，用夾子隔開(kāi);實(shí)驗(yàn)時(shí)打開(kāi)夾子，將兩種藥品混合均勻，輕輕揉搓，感知溫度變化）

[任務(wù)]請(qǐng)分別給放熱反應(yīng)、吸熱反應(yīng)下定義。

設(shè)計(jì)意圖：以真實(shí)的生活情境引課，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，了解化學(xué)反應(yīng)中熱量的應(yīng)用，認(rèn)識(shí)化學(xué)的價(jià)值;通過(guò)問(wèn)題引導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)探究，建立“化學(xué)反應(yīng)既有物質(zhì)變化又有能量變化”的基本認(rèn)識(shí)，形成放熱、吸熱反應(yīng)化學(xué)概念，構(gòu)建新分類(lèi)觀念。

2.概念理解，建構(gòu)模型

[任務(wù)]①?gòu)暮暧^物質(zhì)變化的角度，分析反應(yīng)放熱、吸熱的原因;

②在坐標(biāo)系中畫(huà)出放、吸熱反應(yīng)過(guò)程與能量變化的關(guān)系。

[歸納]學(xué)生交流討論，評(píng)價(jià)分析，形成如圖1的概念理解模型。

[問(wèn)題]①化學(xué)反應(yīng)的微觀本質(zhì)是什么？

②化學(xué)鍵斷裂和形成伴隨著怎樣的能量變化？

[任務(wù)]以H2與Cl2反應(yīng)生成HCl氣體為例，結(jié)合微觀化學(xué)鍵分析，修改、完善能量一反應(yīng)過(guò)程圖;

[歸納]學(xué)生交流討論，評(píng)價(jià)分析，在圖1模型基礎(chǔ)上，完善成圖2模型。

[思考]①為什么說(shuō)化學(xué)反應(yīng)中均存在吸熱和放熱過(guò)程？

②從微觀化學(xué)鍵變化角度，怎樣解釋放熱、吸熱反應(yīng)？

③在描述化學(xué)反應(yīng)中能量變化時(shí)，為什么要標(biāo)注物質(zhì)的狀態(tài)？

④點(diǎn)燃、加熱等反應(yīng)條件，能否作為反應(yīng)放、吸熱的判斷依據(jù)？

設(shè)計(jì)意圖：科學(xué)概念具有概括性、微觀性和抽象性等特點(diǎn)，學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的準(zhǔn)確理解需要經(jīng)歷“濃縮”到“稀釋”的過(guò)程。本環(huán)節(jié)通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)-宏觀說(shuō)理-過(guò)程建模-微觀探析-完善模型-問(wèn)題思辨等舉措，對(duì)概念展開(kāi)宏微觀視角解釋?zhuān)瑢?duì)概念形成過(guò)程建模解讀，使概念形象化、直觀化，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)概念的理解，發(fā)展了學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)。

3.模型應(yīng)用，表達(dá)概念

[任務(wù)]①利用表1鍵能數(shù)據(jù)，計(jì)算1molH2與1molCl2反應(yīng)，生成2molHCl氣體的能量變化。

②若用△H（焓變）表示反應(yīng)吸收或釋放的熱量，請(qǐng)寫(xiě)出H2與Cl2反應(yīng)的熱化學(xué)方程式。

③說(shuō)說(shuō)上述熱化學(xué)方程式的意義，指出它與化學(xué)方程式的異同？

④你認(rèn)為正確書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式應(yīng)注意哪些問(wèn)題？

[應(yīng)用]已知拆開(kāi)1mol氫氣中的化學(xué)鍵需要消耗436.4kJ能量，拆開(kāi)1mol氧氣中的化學(xué)鍵需要消耗498kJ能量，形成水分子中的1moIH-O鍵能夠釋放462.8kJ能量。

①計(jì)算反應(yīng)2H2（g）+O2（g）=2H2O（g）的△H。

②宏微結(jié)合，用圖像表示上述反應(yīng)的能量變化過(guò)程。

③計(jì)算每克氫氣燃燒所釋放的熱量。

④結(jié)合③計(jì)算對(duì)比教材P37氫氣熱值數(shù)據(jù)，分析差異，給熱值下個(gè)定義。

設(shè)計(jì)意圖：熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)不僅僅是一種技能，它屬于化學(xué)用語(yǔ)，具有幫助學(xué)生用符號(hào)準(zhǔn)確表征概念、理解化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)的功能。在上一環(huán)節(jié)模型認(rèn)知的基礎(chǔ)上，通過(guò)提出問(wèn)題-計(jì)算焓變-嘗試書(shū)寫(xiě)-比較歸納，幫助學(xué)生掌握熱化學(xué)方程式書(shū)寫(xiě)這一程序性知識(shí)：變式應(yīng)用、概念融合、對(duì)比分析，完善和深化概念認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)概念精準(zhǔn)表達(dá)。

4.概念延伸，問(wèn)題解決

[問(wèn)題]①不同化學(xué)反應(yīng)具有不同的反應(yīng)熱，人們是如何獲得反應(yīng)熱數(shù)據(jù)？

②化學(xué)反應(yīng)數(shù)目眾多，結(jié)合已有化學(xué)知識(shí)和教材P35“交流討論”欄目，討論、分享判斷放熱、吸熱反應(yīng)規(guī)律認(rèn)識(shí)。

[實(shí)驗(yàn)]鹽酸與氫氧化鈉反應(yīng);（創(chuàng)新：利用溫度傳感器測(cè)定溫度變化）

[史話]瑞士化學(xué)家蓋斯提出了理論計(jì)算化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng)的“蓋斯定律”;

[歸納]①反應(yīng)熱數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，也可進(jìn)行理論計(jì)算;

②判斷反應(yīng)放、吸熱要依據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，但也有一些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：

放熱反應(yīng)：燃燒、酸堿中和、金屬與酸、大多數(shù)化合反應(yīng);

吸熱反應(yīng)：銨鹽與堿、大多數(shù)分解反應(yīng)。

[應(yīng)用]①已知56g Ca0與適量水完全反應(yīng)，生成Ca（OH）2固體，放出熱量57.86kJ，寫(xiě)出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式。

②約50kJ的熱量能使200g飯菜溫度升高80℃左右。要使白熱飯盒中盛放400g飯菜加熱到1OO℃，自熱飯盒需要多少克Ca0與水？

設(shè)計(jì)意圖：反應(yīng)熱（焓變）數(shù)據(jù)怎么來(lái)？判斷化學(xué)反應(yīng)是放熱還是吸熱，有無(wú)一般認(rèn)識(shí)規(guī)律？利用反應(yīng)熱知識(shí)能否對(duì)生產(chǎn)生活中實(shí)際問(wèn)題解決進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)？等問(wèn)題的提出、思考成為必然，通過(guò)引入傳感器實(shí)驗(yàn)、蓋斯定律史話手段，討論歸納，形成“具體到一般，感性到理性”認(rèn)識(shí)，既呼應(yīng)了“引課”意圖，又拓寬了概念科學(xué)視野。

四、教后反思

基于“模型認(rèn)知”的教學(xué)關(guān)注學(xué)生分析和解決問(wèn)題的思維過(guò)程。因此，化學(xué)教學(xué)要借鑒“方法理解”的實(shí)踐取向，把學(xué)科知識(shí)、學(xué)科方法和思維方法融合在一起，讓學(xué)生在方法的引領(lǐng)下解決問(wèn)題和獲取知識(shí)，在習(xí)得知識(shí)的同時(shí)掌握相應(yīng)的學(xué)科方法和思維方法[6]。課時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)宏觀感知，形成概念;概念微觀剖析，構(gòu)建模型;用語(yǔ)科學(xué)表征，解決問(wèn)題;將概念知識(shí)、認(rèn)知策略和思維方法在教學(xué)中交融，達(dá)成了課時(shí)教學(xué)目標(biāo)要求，促成了學(xué)生模型認(rèn)知能力的發(fā)展。

基于“模型認(rèn)知”的教學(xué)要重視教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)化。教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要圍繞核心教學(xué)內(nèi)容“建模”;要引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建模來(lái)獲取知識(shí)和解決問(wèn)題;要善于整合教學(xué)資源，配合學(xué)生的思維發(fā)展，形成適合學(xué)生認(rèn)知的思維模型。因此本課教學(xué)在處理上將原定于2課時(shí)教學(xué)[1]，依據(jù)學(xué)情實(shí)際，進(jìn)行重新梳理整合，將“熱值概念”“蓋斯定律史話”“反應(yīng)熱測(cè)定方法”等《化學(xué)反應(yīng)原理》模塊的相關(guān)內(nèi)容，以學(xué)生能理解且不增加學(xué)生負(fù)擔(dān)的方式取舍和整合，確保了概念模型認(rèn)知體系的系統(tǒng)性和完整性。

基于“模型認(rèn)知”的教學(xué)就是要指導(dǎo)學(xué)生在平時(shí)學(xué)習(xí)中善于發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題，學(xué)會(huì)研究和分析問(wèn)題，能夠總結(jié)和歸類(lèi)問(wèn)題，建立解決問(wèn)題的模型，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式和學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本課時(shí)以情景問(wèn)題、任務(wù)問(wèn)題、辨析問(wèn)題、問(wèn)題解決為問(wèn)題設(shè)計(jì)思路，將“自熱飯盒是怎么回事？”“為什么化學(xué)反應(yīng)具有能量變化？”“研究化學(xué)反應(yīng)能量變化有何現(xiàn)實(shí)意義？”等生活和化學(xué)問(wèn)題緊密聯(lián)系，優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程，踐行了“真實(shí)問(wèn)題”促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)理念。

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