初中化學(xué)模型建構(gòu)的路徑與教學(xué)策略探究

盧名遠(yuǎn)

【摘要】發(fā)展學(xué)生建模能力是初中化學(xué)核心素養(yǎng)“科學(xué)思維”的重要組成部分。本文以《金屬的化學(xué)性質(zhì)》為例，對(duì)其教學(xué)實(shí)施流程、設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行分析，闡述以問題鏈為抓手，通過實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)推理和建模能力的教學(xué)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng);建構(gòu)模型;初中化學(xué);金屬的化學(xué)性質(zhì)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在描述“科學(xué)思維”核心素養(yǎng)時(shí)明確提出要基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行證據(jù)推理、建構(gòu)模型并推測(cè)物質(zhì)及其變化的思維能力。同時(shí)也指出：科學(xué)探究過程包括設(shè)計(jì)并實(shí)施實(shí)驗(yàn)或調(diào)查方案、獲取證據(jù)、分析解釋數(shù)據(jù)、形成結(jié)論及建構(gòu)模型等要素。從中可知，在課堂教學(xué)中通過實(shí)驗(yàn)探究解決實(shí)際問題，是將證據(jù)推理與模型建構(gòu)落到實(shí)處的有效做法。以下是筆者在《金屬的化學(xué)性質(zhì)》的教學(xué)中，探索以問題鏈為抓手，通過實(shí)驗(yàn)探究培養(yǎng)學(xué)生的“建構(gòu)模型”素養(yǎng)的路徑與教學(xué)策略。

一、基本策略與思路

科學(xué)模型的建構(gòu)需要以事實(shí)線索為依據(jù)，以方法運(yùn)用為導(dǎo)向，以認(rèn)知過程為路徑。因此，從線索上看，就是基于真實(shí)問題情境，以問題鏈為線索，在問題解決中獲取證據(jù)，進(jìn)而建構(gòu)相應(yīng)的科學(xué)模型;從方法上看，可引導(dǎo)學(xué)生以觀察、實(shí)驗(yàn)等方法，獲取化學(xué)事實(shí)并進(jìn)行分析概括、建構(gòu)模型，從而促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)模型建構(gòu)及其應(yīng)用的意義;從過程上看，就應(yīng)遵循模型構(gòu)建的基本過程來設(shè)計(jì)教學(xué)，即按照“模型建立→模型效化→模型應(yīng)用”的路徑，推進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，并逐漸提高其建模能力?？傮w上說，就是形成融合真實(shí)情境、實(shí)驗(yàn)探究和模型建構(gòu)的建構(gòu)模型教學(xué)思路，如圖1所示。

二、具體教學(xué)與建構(gòu)過程

（一）創(chuàng)設(shè)情境，觸發(fā)思考

情境1：金屬在生活中被廣泛應(yīng)用，如電線、鑰匙、水壺、汽車等。

情境2：閱讀材料：“我國(guó)鐵礦儲(chǔ)量（1834處礦區(qū)，礦石總儲(chǔ)量463億噸）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅礦儲(chǔ)量（910處礦區(qū)，礦石總儲(chǔ)量6243萬噸）。

問題：為什么銅的開發(fā)利用卻比鐵要早1300多年……？

學(xué)生展開分享交流。

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)引發(fā)認(rèn)知沖突的真實(shí)問題情境，激發(fā)學(xué)生未知欲望。并以此為線索，引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

（二）“頭腦風(fēng)暴”，初建模型

師：金屬的開發(fā)利用，與它的性質(zhì)、用途和冶煉工藝有關(guān)。而冶煉工藝的選擇，又決定于金屬的化學(xué)性質(zhì)。金屬能與哪些物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，金屬具有什么化學(xué)性質(zhì)？

生1：有些金屬具有可燃性，能與O2反應(yīng)，如Mg、Fe。

生2：金屬能與酸發(fā)生反應(yīng)，如，用Zn與稀硫酸制氫氣。

生3：在研究質(zhì)量守恒定律時(shí)，我發(fā)現(xiàn)Fe與CuSO4溶液能發(fā)生反應(yīng)。

師：像CuSO4溶液一類我們稱之為金屬化合物溶液。

師：（展示初步建構(gòu)的認(rèn)知模型，如圖2）是否所有的金屬都能與氧氣、酸溶液和金屬化合物溶液發(fā)生反應(yīng)呢？下面我們對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行研究。

設(shè)計(jì)意圖：模型建立是確定所選模型的相關(guān)成分與結(jié)構(gòu)，從而建立個(gè)人解決問題的初步模型?；趯W(xué)生已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，采用提問、歸納、示范等方法，幫助學(xué)生初步建構(gòu)認(rèn)知模型。模型的初建為模型效化提供基礎(chǔ)，也為學(xué)生進(jìn)一步探究金屬的化學(xué)性質(zhì)以及問題的解決提供了框架與方向。

（三）微課導(dǎo)學(xué)，溫故知新

在金屬與氧氣反應(yīng)的教學(xué)中，以完成課前學(xué)習(xí)任務(wù)的方式，結(jié)合微課導(dǎo)學(xué)，提供直觀素材，幫助學(xué)生溫故知新。

通過微課學(xué)習(xí)、討論交流，發(fā)現(xiàn)：

1.大多數(shù)金屬能與O2反應(yīng)，Au不能;

2.不同金屬與O2反應(yīng)的難易程度、劇烈程度不同，金屬的活動(dòng)性存在差異;

3.Mg比較活潑，F(xiàn)e、Cu次之，Au最不活潑。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)于較熟悉的金屬與氧氣的反應(yīng)，采用課前微課導(dǎo)學(xué)，幫助學(xué)生回顧、對(duì)比現(xiàn)象，自主歸納其化學(xué)性質(zhì)，并感受金屬活動(dòng)性的差異。

（四）內(nèi)化新知，修正模型

1.與氧氣反應(yīng)

教師展示修正的認(rèn)知模型，如圖3：

師：（核對(duì)具體認(rèn)識(shí)）通常，金屬與氧氣越容易發(fā)生反應(yīng)或反應(yīng)越劇烈的，其活動(dòng)性是越強(qiáng)還是越弱？

生：活動(dòng)性越強(qiáng)。

2.與酸溶液反應(yīng)

疑問：金屬與其它物質(zhì)反應(yīng)時(shí)，是否也有類似的差異？

師： 演示：Zn與稀硫酸反應(yīng)，并將燃著的木條伸到試管口，驗(yàn)證所得氣體為H2。

學(xué)生開展分組實(shí)驗(yàn)（探究Mg、Fe、Cu、Ag與稀H2SO4的反應(yīng)），收集證據(jù)，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

生1：Mg、Fe能與稀H2SO4反應(yīng)，而Cu、Ag不能。

生2：只有部分金屬能與稀硫酸反應(yīng)，生成H2。

生3：不同金屬與酸溶液反應(yīng)的劇烈程度不同。

師：很好！請(qǐng)同學(xué)根據(jù)資料（溶液中含F(xiàn)e2+時(shí)，顯淺綠色;含F(xiàn)e3+時(shí)，顯黃色），仿照Zn與稀硫酸的反應(yīng)方程式，寫出鎂、鐵對(duì)應(yīng)的化學(xué)方程式。

完成后，引導(dǎo)學(xué)生分析三個(gè)反應(yīng)中反應(yīng)物、生成物的特點(diǎn)，歸納置換反應(yīng)的概念。

師：置換反應(yīng)可以用通式A+BC=AC+B表示，其中，A能置換出BC中的B。如此類推，Mg、Fe都能置換出稀H2SO4中的H，而Cu、Ag不能。

繼續(xù)引入問題：將稀H2SO4換作鹽酸，現(xiàn)象是否一致呢？實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖4所示：四種金屬放于多空井穴板中（底部有標(biāo)簽）。在實(shí)物投影下，教師按照Ag、Cu、Fe、Mg的順序加入鹽酸。

設(shè)計(jì)意圖：改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，節(jié)約藥品但現(xiàn)象明顯，體現(xiàn)綠色化學(xué)理念。

教師展示再次修正的認(rèn)知模型，如圖5：

通過以上探究，學(xué)生發(fā)現(xiàn)只有部分金屬能與酸發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)的劇烈程度存在差異。由此引導(dǎo)學(xué)生歸納四種金屬的活動(dòng)性順序。

生1：活動(dòng)性Mg>Fe>Cu>Ag

生2：活動(dòng)性Mg>Fe>Ag>Cu

師：究竟哪種排序正確呢？我們可以利于金屬與金屬化合物溶液的反應(yīng)進(jìn)行探究。

設(shè)計(jì)意圖：改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，選用鎂、鐵、銅及銀四種金屬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅了解了金屬與酸的反應(yīng)，又在探究中生成新問題，提高探究性，有利于培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)、問題意識(shí)和化學(xué)思維。并為模型的進(jìn)一步建構(gòu)，提供了真實(shí)情境。

3.與金屬化合物溶液反應(yīng)

拓展思維：從熟悉的Fe與CuSO4溶液反應(yīng)出發(fā)，F(xiàn)e能把CuSO4溶液中的Cu置換出來，是因?yàn)镕e比Cu活潑。由此啟發(fā)設(shè)計(jì)比較Cu、Ag活動(dòng)性的實(shí)驗(yàn)。

生1：將Cu浸入AgNO3溶液中，如果發(fā)生置換反應(yīng)，則說明Cu比Ag活潑。

生2：也可以將Ag浸入Cu（NO3）2溶液中，如果不能發(fā)生置換反應(yīng)，同樣可以說明Cu比Ag活潑。

學(xué)生按照設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，收集證據(jù)，得出結(jié)論：Mg>Fe>Cu>Ag。

教師展示第三次修正的認(rèn)知模型，如圖6：

設(shè)計(jì)意圖：兩線并進(jìn)，層層遞進(jìn)，不斷探究金屬活動(dòng)性。以一氣呵成的問題鏈引導(dǎo)，反復(fù)比較、試驗(yàn)、排序，既完成了對(duì)化學(xué)性質(zhì)的學(xué)習(xí)，又實(shí)現(xiàn)了金屬活動(dòng)性的探究。通過不斷破模，建立起了更科學(xué)的思維模型。

（五）拓展延伸，發(fā)展素養(yǎng)

接著，建構(gòu)接近完整的金屬活動(dòng)性順序模型。

師：在金屬活動(dòng)性順序中，金屬的位置越靠前，它的活動(dòng)性越強(qiáng)。排在H前的金屬能與鹽酸或稀硫酸反應(yīng)生成H2.排在前面的金屬能把后面的金屬?gòu)乃鼈兊幕衔锶芤褐兄脫Q出來。

同時(shí)，介紹鋁在金屬活動(dòng)性順序中的位置及其冶煉史，讓學(xué)生進(jìn)一步感受冶煉工藝的改進(jìn)對(duì)金屬開發(fā)的推動(dòng)作用，感悟化學(xué)使生活更美好。

教師展示第四次修正的認(rèn)知模型，如圖7：

設(shè)計(jì)意圖：基本完成認(rèn)知模型的效化。每一次在學(xué)生內(nèi)化新知、修正模型之后，都將新的思維模型進(jìn)行展示，使建模的過程外顯，讓學(xué)生體驗(yàn)建模的思路和方法，并內(nèi)化為建模能力。

（六）優(yōu)化新知，學(xué)以致用

以鑒別“真假黃金”的任務(wù)，串聯(lián)起整節(jié)課的知識(shí)，活學(xué)活用。同時(shí)，很好地激發(fā)了學(xué)生興趣。

設(shè)計(jì)意圖：在新情境中應(yīng)用模型。根據(jù)已建立的模型，學(xué)生可以設(shè)計(jì)多種方法對(duì)“真假黃金”進(jìn)行檢驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)探究解決實(shí)際問題，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m切性，同時(shí)收獲使用模型解決問題的成就感。

三、效果與反思

學(xué)生走進(jìn)化學(xué)課堂時(shí)，頭腦中已經(jīng)具有了相關(guān)的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，是可以建構(gòu)一定的化學(xué)模型的。同時(shí)，知識(shí)學(xué)習(xí)過程和模型建構(gòu)過程是互為配合、互為輔助的。而融合真實(shí)情境的線索、實(shí)驗(yàn)探究的方法和模型建構(gòu)的過程的教學(xué)思路，在引導(dǎo)學(xué)生以化學(xué)思維視角學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)的同時(shí)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的建模能力，而且發(fā)展了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯? 胡春華