核心素养观照下苏教版高中化学教材中模型方法的教学研究

　　摘要：从中学化学学科核心素养的角度简述了模型方法的含义，结合苏教版高中化学教材，通过实例介绍了模型建构的基本步骤，以及模型结论的课堂拓展、运用。

　　关键词：模型方法;模型建构;数学建模

　　自2016年以来，“核心素养”作为“三维目标”的升级版，进入了人们的视野。高中化学学科顺应时代的发展和需求，将核心素养与学科特征紧密结合，出台了五条共计45个字的化学学科核心素养。证据推理和模型认知，是化学核心素养中体现化学方法和手段的重要内容，本文是笔者结合个人的教学实践从模型方法方面作一些探讨。

　　一、中学化学的模型方法

　　中学化学的模型方法，是指教师在教学中为了让学生认识、理解和建立自然界的宏观的物体与微观的原子分子的联系，而运用具体实物、语言文字、图表以及数学公式等对认识对象进行模拟或简化描述的一种方法。中学化学课中的模型建构活动，有两层含义：一是为了让学生通过分析、推理等方法，认识研究对象的本质特征;另一方面，也是为了让学生通过自主实验或搭建分子模型等学科探究活动，更好地去理解和把握复杂和抽象的化学基本理论、核心概念。教师在教学时应挖掘出教材中的模型建构活动，并以此为载体，渗透模型方法的基本思想，将非常有益于学生把握相关核心概念，提高学科核心素养。

　　二、模型方法在中学化学教学中的应用

　　1.中学化学教材中常见的两种模型

　　(1)数学模型

　　数学模型，在中学化学中常用来表示物质发生化学反应量的关系或物质性质递变的规律。苏教版高中化学教材中常见的数学模型有坐标曲线图、柱形图、数学方程式等。如苏教版必修1第18页中温度对KCl和KNO3溶解度影响的曲线，第8、9、11、12、23、25等页中表示化学反应量关系的数学方程式，第64页中一些金属元素在地壳中的含量的柱形图。

　　必修2第3、4页中1～18号元素最外层电子数与原子半径随着核电荷数的递增变化的曲线，第31页中为研究碳酸钙与稀盐酸反应的反应速率通过实验测定反应中生成的CO2气体体积随反应时间变化的曲线，第32页在一定条件下合成氨反应中正、逆反应速率随时间变化的曲线;选修《物质结构与性质》第4页中的化学合成和分离得到的新物质种数的柱形图等均为数学模型。

　　由于高中化学学科以描述性的语言为主，并辅助以大量的实验，不少教师和学生往往以为学好化学与数学没有多大关系。实际上，数学是自然科学中的基础学科，其思想渗透到物理、化学、生物等各类学科之中，在教学时运用数学中的排列与组合知识来分析金属晶体堆积方法和各种原子在晶胞中所占份额，运用几何知识认识金属晶体的六方堆积、面心立方堆积和体心立方堆积的形成过程等均以理科思维为基础，教师在日常的化学课堂教学实践中如能从理科思维角度出发加以提炼、总结、升华，往往能达到事半功倍的效果，这也为学生的终生发展奠定良好的基础。

　　(2)结构模型

　　结构模型在中学化学中具有更广泛的应用。如苏教版必修1第28页原子模型结构，采用的是物化了的模型：道尔顿原子模型类比实心球，汤姆生原子模型类比葡萄干面包式，卢瑟福原子模型类比太阳系……苏教版必修2第14页讲解共价化合物分子中各原子间有一定的连接方式，举出了一些常见分子的球棍式和比例式模型。

　　苏教版教材还有很多地方如晶体结构、有机分子结构等处使用了结构模型。把模型方法应用于化学，能极大地丰富课堂内涵，通过学科整合，深化学科知识，并使之与生产、生活相结合，不仅有利于学生掌握知识，更能培养学生透过现象揭示本质的洞察能力以及简约、严密的思维品质，从而提升学科能力。

　　2.构建模型方法的基本步骤

　　由于结构模型是化学教学中使用得最普遍也是大家讨论得很多的一种模型方法，笔者在这里重点以数学模型为例，介绍数学模型方法构建(简称数学建模)的基本步骤。所谓数学建模(MathematicalModelling)，就是把现实世界中的实际问题加以提炼，抽象为数学模型，求出模型的解，验证模型的合理性，并用该数学模型所提供的解答来解释现实问题。以苏教版化学选修《化学反应原理》专题2第一单元“化学反应速率”中第34页的活动与探究实验“大理石与盐酸反应速率的测定实验”作为具体的例子，说明构建数学模型的基本步骤。

　　课程标准对于本节不仅有定性了解的要求，还有定量表示化学反应速率的具体方法，并提出了相应的活动与探究建议“实验探究：浓度、温度对化学反应速率的影响”等。该条内容标准对“大理石与盐酸反应速率的测定实验”有两层涵义：其一，通过实验和具体指导，学生能观察到一定时间内产生CO2气体的体积，从而计算出一定时间间隔内的反应速率;其二，把握数学模型(抽象：化学反应速率)与二氧化碳气体体积(具体)之间的内在逻辑联系。

　　3.数学模型方法的课堂教学实践

　　模型教学应做到模型构建过程与模型结论运用兼顾，不能顾此失彼，有所偏废。在教学过程中，学生亲历了模型的建构过程后，教师应及时地对整个建模过程以及已建立的模型适当加以展开，以丰富其内涵，循着现象→本质→现象的思路，带领学生体验由具体到抽象的思维转化过程。这一环节是让学生认识到数学模型所蕴涵的化学意义。

　　如上述一定时间内大理石与盐酸反应的化学反应速率随时间变化而变化这一数学模型建立起来之后，教师应紧接着对模型展开讨论:

　　①曲线图表明反应速率从t1时某一高度上升到t2后下降，这个事实与盐酸的浓度随反应进行随时间推移t1→t2→t3逐渐减小导致速率也应逐渐减小相矛盾，原因是什么?教师可引导学生在观测记录注射器中气体体积的同时，用温度计量出相应时间点溶液的温度，记录温度的变化。

　　②从反应本质和反应外界条件来看，影响化学反应速率的因素有哪些?教师可引导学生分析，整个反应过程中压强、催化剂(没加入催化剂)的影响均可排除，温度的影响是重点对象和关键。教师可以总结：若从温度的影响来看，t1→t2反应速率加快，肯定是升高了反应体系的温度，且温度升高的影响大于浓度减小的影响。

　　③做该实验时大家并没有加热，溶液的温度为什么升高了?教师继续引导学生从反应的热效应分析该反应是放热反应，只能是反应本身所产生的热量所致。至于t2→t3反应速率下降主要是浓度减小占主要影响因素。

　　三、模型方法构建的教学反思

　　1.努力将核心素养的培育放在首位

　　新一轮的课程改革，要求不仅培养学生自主学习、合作学习和实验探究的学习方式，而且要发展学生的学科核心素养，因此教师要充分发掘课本教学资源，努力为学生提供这样的机会和氛围，在探究过程中，要尽可能让学生获得亲身参与研究探索的体验，模型方法中数学建模的教学就是践行这一教学理念的良好蓝本，教师精心设计的教学流程，带领学生有序地开展实验设计、数据采集、数型转换、讨论分析、交流等活动，能切实地保证知识、技能和情感等方面的课堂教学目标的质量。

　　2.努力发挥学生的主体作用

　　在化学课堂模型构建的教学中，教师要发挥好主导作用，注意适当地引导和提供开放的环境，充分彰显和激发学生的主体作用，让学生勇于提出问题、积极分析问题，寻找化学现象与模型之间的联系，从中领悟和把握运用模型建构方法解决实际问题的路径，建立解决未知情境中的复杂化学问题的思维框架，培养用化学知识解决社会难题造福人类的伟大志向和精神。

　　参考文献：

　　[1]单旭峰.对“模型认知”学科核心素养的认识与思考[J].化学教学，2019(3)：8-12

　　相关刊物推荐：《化学教学》借助于华东师范大学的优秀理论基础和人才，坚持为全国化学教育工作者提供优秀的理念和方法以及化学科学前沿知识，第一个提出“发展学生智力、培养学生能力”的教学思想。在同类刊物中，率先和化学教学研究会联合开会以积极推进教学改革。