■劉 東

化學(xué)中有各種各樣的模型，它們的存在幫助我們學(xué)習(xí)和研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用。比如化學(xué)方程式、電離方程式和熱化學(xué)方程式等符號模型，向我們清晰地揭示物質(zhì)的轉(zhuǎn)化以及轉(zhuǎn)化過程的能量變化；原子結(jié)構(gòu)模型、比例模型和晶體結(jié)構(gòu)模型等圖像模型，向我們揭示物質(zhì)的微觀構(gòu)成奧秘；“宏、微、符”三重表征模型簡潔清楚地表示出了宏觀、微觀和符號之間的聯(lián)系。

但是，目前中學(xué)化學(xué)中，各種各樣的模型更多的是作為學(xué)生學(xué)習(xí)的對象出現(xiàn)，也就是課程標(biāo)準(zhǔn)要求的認(rèn)識模型、理解模型和應(yīng)用模型。如果教師不能在具體情境中引導(dǎo)學(xué)生建立模型以解決新問題，學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)很難真正落地生根。那么，怎樣引導(dǎo)學(xué)生在具體情境中建立模型、解決問題呢？

影響課堂生成的因素有很多，比如師生關(guān)系是否和諧，任務(wù)的難易程度是否適合，教師備課是否充分等。筆者發(fā)現(xiàn)，即使上述條件都非常適合，學(xué)生也具備解決問題的知識基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)，但碰到一些困難的、有挑戰(zhàn)性的任務(wù)時，依然會出現(xiàn)“生成困難”的問題。筆者認(rèn)為，應(yīng)該是學(xué)生頭腦中缺乏解決這類問題的模型。之前分析中提到的模型是幫助學(xué)生認(rèn)知的重要方法，是解決問題的那把鑰匙。如果教師能幫助學(xué)生建立合適的思維模型，課堂生成可能就會變得輕松簡單。

一、模型建構(gòu)的一般過程

在初中化學(xué)教學(xué)過程中，筆者認(rèn)為建立模型的過程一般有5個階段。

第一階段，教師提出具體的問題情境。問題要有一定的探究意義，不能太簡單，要根植于學(xué)生的知識基礎(chǔ)，是應(yīng)用所學(xué)知識和生活經(jīng)驗確實能夠解決的問題。

第二階段，原型啟發(fā)。師生共同合作、討論，建立初步模型。這個模型一般是以問題的形式呈現(xiàn)，問題要有一定的概括性和一般性，要包含第一階段問題的核心特征。這里面的邏輯是：只要這個一般性的問題得到解決，包含在其中的第一個具體問題就可能被解決。同時，教師啟發(fā)學(xué)生從生活經(jīng)驗和所學(xué)知識中尋找解決問題的原型。

第三階段，原型匹配和假設(shè)猜想。學(xué)生根據(jù)已有的原型，嘗試解決第二階段的一般性問題，同時對第一階段的問題進(jìn)行合理假設(shè)和預(yù)測。

第四階段，驗證模型。通過實驗或者查閱相關(guān)資料，對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行驗證。

第五階段，建立模型。對初始模型進(jìn)行修改，使其符合相關(guān)事實，建立最終模型，并運用這個模型解決問題。

二、模型建構(gòu)的基本原則

開放性原則。需要通過建構(gòu)模型解決的任務(wù)不應(yīng)該是簡單的或指向唯一答案的任務(wù)，要有一定的探究性和開放性。但是限于初中生的既有認(rèn)知水平和一節(jié)課的容量，任務(wù)的開放程度也不能太大，應(yīng)該從具體情境出發(fā)提出問題。

預(yù)設(shè)性原則。建構(gòu)模型應(yīng)該以學(xué)生為主體，以師生討論、小組討論為主要形式。但這對教師的前期準(zhǔn)備提出了更高要求：教師需精心選擇有探究性的問題，對學(xué)生已有的原型數(shù)量有充分的預(yù)估，對建立什么樣的初步模型和最終模型做到心中有數(shù)，收集相關(guān)資料和準(zhǔn)備實驗以便為學(xué)生的假設(shè)提供證據(jù)等。

豐富性原則。模型的建立依賴于學(xué)生頭腦中已有的原型。學(xué)生已有的原型數(shù)量越多，對原型越熟悉，建立模型并進(jìn)行原型匹配就越流暢。如果學(xué)生缺乏相關(guān)原型，那么此時就不適合進(jìn)行模型建構(gòu)教學(xué)。另外，筆者認(rèn)為學(xué)生已有的且非常熟悉的模型也可以作為解決新問題的原型。

生成性原則。模型建構(gòu)的過程就是學(xué)生不斷生成、創(chuàng)新的過程，非常依賴學(xué)生的主觀積極性。在此過程中，教師應(yīng)該是組織者和協(xié)調(diào)者，是“主持人”，而不是“評委”，盡量不要評價學(xué)生方案的優(yōu)劣，以保護(hù)學(xué)生的積極性，促使學(xué)生提出一些大膽的假設(shè)。

三、建立模型，促進(jìn)課堂生成的案例分析

“金屬礦物 鐵的冶煉”是滬教版第5章第2 節(jié)的內(nèi)容。通過分析學(xué)情，筆者發(fā)現(xiàn)，之前學(xué)生已經(jīng)學(xué)過氧化物、化合物的相關(guān)概念，以及分解反應(yīng)、化合反應(yīng)、氧化反應(yīng)和置換反應(yīng)等反應(yīng)類型，也學(xué)習(xí)了科學(xué)探究的基本過程和思維方法。因此，學(xué)生具備對本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行科學(xué)探究的知識和能力基礎(chǔ)。于是，對于鐵的冶煉原理這部分內(nèi)容，筆者大膽提出探究問題：“怎樣使氧化鐵變成鐵呢？你能提出盡可能多的解決方案嗎？”但是很可惜，在不事先查閱資料的前提下，鮮有學(xué)生能提出具有建設(shè)性的方案，課堂生成十分困難。筆者通過思考，基于模型建構(gòu)，又對教學(xué)進(jìn)行了改進(jìn)，教學(xué)片段如下：

環(huán)節(jié)1 建立初步的模型“化合物→單質(zhì)”，啟發(fā)學(xué)生尋找解決問題的原型

師：怎樣使氧化鐵變成鐵呢？你能提出盡可能多的方案嗎？

師：氧化鐵和鐵分別屬于什么類型的物質(zhì)？

生：氧化鐵屬于化合物也屬于氧化物，鐵屬于單質(zhì)。

師：那有什么辦法將化合物變成單質(zhì)嗎？如果我們能找到將化合物變成單質(zhì)的方法，那么這個方法可能也適用于將氧化鐵變成鐵。

環(huán)節(jié)2 原型匹配，找到解決第二個問題的初始原型，對第一個問題給出合理預(yù)測

學(xué)生分組討論，根據(jù)知識原型給出具體的解決方案。

方案1：高溫使氧化鐵分解。原型是：高錳酸鉀受熱分解制取氧氣。

方案2：通電使氧化鐵分解。原型是：水通電可以分解，生成氧氣和氫氣。（也有學(xué)生提出氧化鐵是不導(dǎo)電的固體，該方案可能行不通。）

方案3：用更活潑的金屬和氧化鐵反應(yīng)，將鐵置換出來，比如鋁和鋅。原型是：鐵和硫酸銅溶液反應(yīng)得到硫酸亞鐵和銅。

方案4：用一些極容易和氧元素結(jié)合的物質(zhì)（比如H2、CO）搶走氧化鐵中的氧元素。該方案是基于對模型“氧化物單質(zhì)”的樸素認(rèn)識。

環(huán)節(jié)3 查閱資料，驗證猜想

教師給出相關(guān)資料，為學(xué)生的預(yù)測尋找證據(jù)，驗證假設(shè)。

方案1：高溫確實能使氧化鐵分解，但是不能得到鐵，只能得到四氧化三鐵。只有一些較不活潑的金屬（比如汞）可以通過熱分解的方法制得。

方案2：將氧化鐵熔化后，通電確實可以使其分解，而且能制得純度很高的鐵，但是耗能較大。

方案3：用鋁和氧化鐵在高溫下確實能反應(yīng)制得鐵，這個反應(yīng)叫“鋁熱反應(yīng)”，但是該反應(yīng)成本較高。

方案4：H2、CO 和焦炭等物質(zhì)在高溫下可以和氧化鐵反應(yīng)制取鐵，該過程叫熱還原法，其中用焦炭煉鐵成本較低。

環(huán)節(jié)4建立最終模型，解決實際問題

綜合考慮成本、能耗、原料來源等因素，最終選擇焦炭或者CO 為原料來煉鐵，并提出金屬冶煉的基本模型。

金屬冶煉：（1）熱分解法，適用于較不活潑金屬，比如汞；（2）電解法，適用于活潑金屬；（3）置換法，比如濕法煉銅；（4）熱還原法，常用還原劑為H2、CO和焦炭等物質(zhì)。

四、基于模型建構(gòu)的課堂教學(xué)反思

首先，耗時長。對于煉鐵原理的教學(xué)，大部分教師采用講解法，一般幾分鐘就能講完，但是模型建構(gòu)教學(xué)卻需要大半節(jié)課。其次，收獲大。學(xué)生不僅學(xué)會了煉鐵的原理，而且還建構(gòu)了金屬冶煉的一般模型，更重要的是，在這個過程中體驗了模型建構(gòu)的一般過程。再次，學(xué)生參與度高。在初步模型建立之后，課堂生成就變得極為流暢，學(xué)生積極參與討論和發(fā)言，從預(yù)測實驗方案，用實驗和事實驗證假設(shè)，到建立金屬冶煉的一般模型和選擇合理的冶煉反應(yīng)原理，學(xué)生都表現(xiàn)出很強(qiáng)的參與意愿。最后，教師的前期準(zhǔn)備工作要做足。課堂雖然只有短短的45 分鐘，但是教師在各個環(huán)節(jié)都要做到心中有數(shù)，更多的扮演“主持人”角色。

模型幫助我們更好地認(rèn)識了客觀世界，而客觀世界是復(fù)雜多變的，模型雖然能將問題簡化，但是認(rèn)識和研究世界的模型必然也是多種多樣的。筆者認(rèn)為，教師可以從模型建構(gòu)的角度出發(fā)，基于實踐，開發(fā)各種用于解決具體問題的多種多樣的思維模型。模型和原型是可以相互轉(zhuǎn)化的，之前學(xué)習(xí)過的模型可以是新情境、新模型下的原型，而頭腦已有的原型也可以為我們建立新模型提供參考和借鑒。