基于模型认知与建构的高中化学深度教学策略

王方波

摘要：基于对“模型认知”核心素养内涵的理解，从原电池的本体维度、认识维度和问题维度，构建高中原电池认识模型和教学设计新思路，并以“走进电池的内部世界”的实践为例加以阐述。在此基础上进一步分析和概括基于原电池认识模型建构、解构与重构的有效教学策略。

关键词：模型认知;教学设计;原电池;认识发展

文章编号：1005-6629（2021）05-0040-06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1问题的提出

化学模型是指将与化学相关的实际问题用化学语言或数理逻辑方法进行抽象、简化、概括，从化学视角来反映实际问题时所得出的关于实际问题的描述或模拟。而“模型认知”是指依托于物质变化的内在规律做出模型假设与模型构建的能力，可以帮助学生建立解决复杂化学问题的思维框架，有助于更加直观地理解并解决化学问题，为后续学习提供有力的思维导向和支撑，以实现化学的学科价值。

1.1课堂教学对模型认知的意识欠缺

目前，课堂教学普遍存在的问题是教师比较重视学科知识的传授，从而忽视引导学生对问题情境进行合理的假设及分析，对学生思维方法的建构更是较少关注。因而学生只是死记硬背一些知识点，不能有效地将具体问题转化为抽象的经验，形成模型认知的能力。课堂是模型认知能力落地生根的首要阵地，因此培养学生模型建构的能力，提高教学的有效性就显得任重而道远。

1.2学生认知原电池的思维障碍点

据了解，学生在原电池的学习过程中存在许多迷思概念，且根深蒂固。对于原电池的构成条件、内外电路分析、电极反应式书写和原电池设计等都存在一定的困惑。主要表现在：一是三重表征含义理解模糊。对原电池内外电路缺乏深刻理解，不能正确判断原电池的正负极、电流流向、阴阳离子移动方向和离子浓度变化。二是概念认识存在偏差，不全面、不系统。对原电池的本质认识不够清晰，认为氧化剂和还原剂只有接触才可能发生反应并产生电流，电极材料活泼性一定不同，电极材料和离子导体必须参与反应，离子导体传递电子等。三是缺少对各角度相互关联的认识，特别是原理要素和装置要素的区分和关联。在装置维度上，学生尽管知道原电池的具体要素，但不清楚它们在原电池中所起的作用，因而難以在电池设计任务中做出变式和创新。四是在原理维度上，由于平时过度训练导致学生只重视概念的掌握，而对实验的全过程和可能出现的现象置之不理，最终导致不能完成系统分析型任务。因此，真正帮助学生建立一个能系统有效地分析和解决原电池问题的认识模型，促进学生学科能力及素养的发展就显得十分的重要和必要。

本文以开设的一节选择性必修课程“走进电池的内部世界”区级公开研究课为例，探讨突出发展学生“模型认知”核心素养的教学设计和实践，追求认识规律与模型建构有机融合的有效教学。

2基于发展“模型认知”素养的原电池教学设计

美国教育学家戴尔所提出的经验之塔理论，把学习经验分为具体和抽象，学习应从生动直观出发向抽象思维发展，符合人类的认识规律。学科教学不能仅满足于具体经验，要向抽象化发展，使具体经验普遍化，最后形成概念。因此教学设计要创设真实且富有价值的问题情境，问题的解决需通过模型建构，从做的经验开始，将知识逐步转化为抽象的经验，促进学生化学学习方式的转变。

2.1原电池“模型认知”素养分析

根据“模型认知”对高中生发展的具体要求，创建能够解释原电池真实现象的模型，从多角度联系解决实际问题，揭示化学现象的本质和规律，有助于帮助学生理解原电池的核心知识，同时也是科学研究中重要的认识手段和思维方式。特别是通过分析、推理等方法认识原电池的工作原理、构成要素及各角度之间的关联来建构模型，从而培养学生“模型认知”的意识，形成“模型认知”的建构思维。

2.2原电池“模型认知”教学背景分析

2.2.1课程标准要求

2017年版新课标对选择性必修课程中有关原电池的教学提示，明确要创设真实情境，充分利用铜锌双液原电池等案例素材，组织学生开展多种学习活动，逐步掌握原电池工作原理，帮助学生认识电极反应、电极材料、离子导体、电子导体是原电池的基本要素，建立起对原电池的系统分析思路，提高学生对原电池本质的认识，从而提升科学探究与创新意识等化学学科核心素养。

2.2.2教学内容分析

原电池是高中化学的重要组成部分，是电化学的核心内容，融合了氧化还原反应、电解质溶液、金属的性质、电学等知识，彼此间结合渗透，是学科内、学科间的综合。

原电池在日常生活、工农业生产和科学研究等各个方面具有广泛的应用。学好原电池知识，具有重要的现实意义。

原电池内容的学习对发展学生的科学素养，提高逻辑推理能力、科学研究能力以及化学知识系统化都起着重要作用。

本案例内容除了知识本身的意义与作用外，在知识体系的建构中，也起着重要的承转功能。通过由易到难的新旧知识衔接，结合学生对单液原电池效率的探究，引出半电池、盐桥等概念，对原电池工作原理的概貌进一步深入和拓展，并借助模型促使学生概念的形成和发展，为后续化学电源和电化学防腐等知识的学习奠定基础。

2.3原电池认识发展空间的教学目标定位

2.3.1学生已有知识背景分析

从知识储备层面看，学生已具备了先备认知基础，初步掌握了原电池构成条件，对其工作原理有简要的认识。从能力层面看，学生已经具备简单设计原电池装置的能力，并能在团队合作小组实验中积极思考、相互讨论，从而发现问题、分析问题、解决问题。然而，对原电池存在的缺点缺乏必要的理解和认识，对原电池装置和原理还存在一些迷思概念，尚不具备科学创新思维和实验综合分析能力以及从宏观实验到微观探析的推理能力。

2.3.2“教、学、评”一体化的教学目标

电化学的研究重点之一是电能与化学能之间的储存与转换，开发未来能源的一个重要方向就是电池的发展。如何在学生已有认知的基础上对原电池原理形成完整的认识，进一步理解实用电池，需要突破局限认知。因此本案例内容是电池由实验室模型走向实用性开发的重要桥梁，教学重点是寻找学生的“最近发展区”，完成知识和能力的跨越。

基于“教、学、评”一体化，本案例的主要教学目标定位于：一是从装置维度和原理维度逐步建立完善的原电池认识模型，并能应用原电池认识模型解决实际问题;二是发展化学学科核心素养，通过建构认识模型和实践探究活动，培养学生从三重表征的视角分析问题，应用模型解释化学现象，发现和提出有价值的问题，并能设计方案解决复杂的实际问题的能力。具体是：（1）能分析、解释原电池的工作原理，根据具体的氧化还原反应设计简单的原电池。（2）会改进和评价单液、双液电池，进一步认识原电池的形成条件。（3）能用图示的方法和符号表征、表达研究原电池的一般思路和方法。（4）会举例说明原电池在生产生活中的应用。3基于培养“模型认知”素养的教学实施过程

在教学过程中，充分利用原电池的发现发展史，以及生活和实物等案例素材，将知识的传授与学法指导有机融合，组织学生开展分析解释、推论预测、设计评价、概括关联、说明论证等学习活动，让学生能自主调用原电池的各个认识角度分析和解决陌生、复杂的问题，发展学生对原电池模型的认知水平和应用能力。教学与评价思路归纳如图l所示。

3.1创设情境，任务驱动

[学习任务1]思考手机电池为何具有超强的续航能力，回忆原电池的构成条件。教学流程如图2所示。

3.2巩固旧知，发现不足

[学习任务2]选择合适的反应设计成原电池。教学流程如图3所示。

3.3实验探究，优化电池

[学习任务3]改进Cu-Zn（CuSO₄溶液）原电池。教学流程如图4所示。

3.4联系实用，完善认知

[学生任务4]引入和拓展“膜”的概念。教学流程如图5所示。

4基于原电池模型建构、解构与重构的深度教学策略

4.1创设真实情境，建构原电池思维模型

课堂上巧妙地使用情境素材进行教学，帮助学生对化学知识进行深刻理解和应用，有利于学生学以致用。本案例学习任务1以化学史为教学线索，用视频和图片呈现电池的发展史，以及单液原电池到双液原电池的发展历程。课的结尾播放电池在未来生活的应用视频，同时分享2019年诺贝尔化学奖获得者发明锂电池的贡献。正是这些真实的情境，激发了学生的求知欲，让学习真正发生，学生借此更能体会到化学即生活，生活即课堂。“为什么视频里的橙子可以给手机充电”“日常生活为什么不用水果作原电池材料”“手机电池为何具有超强续航能力”等这些真实的问题促使学生查阅资料和讨论交流，从亲身感受中体会原电池的学科价值和社会价值。同时借助实物模型（干电池、锂电池），学生在学习过程中与实物模型（原电池装置）和符号模型（电极反应式）形成对比，帮助学生找到各种模型的关联与区别，初步建构铜锌原电池认识模型（见图6）。应用初建的认识模型分析问题，暴露认识偏差并加以纠正，为将化学反应与传感技术相结合做铺垫。另外通过复习旧知，确定反应，巩固原电池原理，设计装置，强化了对原电池构造的认识。

4.2活动层层递进，解构原电池思维模型

实验探究问题的线索和学生活动设计，要符合学生认知和心理发展规律，注重问题的设计及学习支架的搭建，从知识逻辑顺序和学生认知顺序角度构建“问题链”，引导学生寻找发现“证据链”，最终解决问题，实现所定的教学目标。本案例学习任务2利用给定的药品和仪器设计Cu-Zn原电池装置，让学生通过实验观察到电流计指针发生偏转，读数变小，锌片变黑;然后用DIS测定Cu-Zn原电池的电流、温度变化，从溶液的温度变化探究能量的转化效率。实验探究情境引发学生的认知冲突，再抛出递进的问题链引发学生的思考：（1）单液原电池有哪些不足？造成单液原电池不足的根源是什么？（2）能否阻止铜离子在锌片表面还原？锌片应插入什么溶液中？（3）设计什么装置可以提高电池的效率？问题链用以激发学生对所学内容的再思考与质疑，提出新的实验设想，并作进一步验证。在双液原电池的连通方面探究了导线、水桥（湿润的纸巾两端插入两池溶液中）和盐桥，突破了双液原电池的构成条件这一难点，而数字传感技术的即视和直观效果，是突破难点的关键。这样，通过应用思维模型解决实际问题，步步设疑，层层推进，引导学生发现问题，设计实验，反思评价，不断修正，完成探究活动，将学科素养得以外显和提升。

4.3巧选教学素材，重构原电池认识模型

化学教学的中心任务是理解科学本质，既要掌握有效的科学方法，又要学会对科学实验做出合理的解释。因此，在教学中要巧选有关教学素材来突破学生的思维障碍，让学生在思考中学会用辩证的思维对待每一组科学实验，在讨论中感受科学探究的乐趣，在碰撞中擦出智慧的火花。如：通过动画分析电流产生动因，引导学生从微观的角度去理解宏观变化，突破思维局限性;将干电池和灵敏电流计连接，观察电流计指针的偏转方向来理解电极;通过用离子传感器测电极附近离子浓度变化来理解离子的迁移，让想象和理解成为可视;通过橘子膜导电实验的启发，以及用干电池实物和动画展示，让学生认识离子交换膜，并在此基础上做出更合理的推断。最后在实验探究的基础上得出数据和结论，达成知识目标，完成电池由单液到实用的跨越，让学生对未来电池的发展充满美好憧憬，成为后续学习的内动力，同时对原电池的认识模型进行重构和完善（见图7），升华化学课堂的主题——实践出真知。

4.4单元整体设计，升华原电池认识模型

本案例对目标、任务和活动进行了单元整体规划。教学中注重教学设计的整体性和层次性，不同的环节承担不同的要素建构认识模型，随著任务的进行不断地加以完善。首先进行单液原电池的系统分析，强化四要素模型，明确区分装置中各要素的作用，从而发展学生基于原电池模型的观察记忆和概括关联能力。引入双液原电池模型，纠正学生关于电池动力的认识偏差，建立基于装置的基本认识角度，从而发展学生的推论预测和简单设计的能力。突破学生对于电极材料和电极反应物的迷思概念，发展学生近变式迁移应用的能力。进行单双液原电池的分析解释和说明论证，发展学生自主运用认识角度，形成对原电池的系统认识。进行双液原电池的设计任务，发展学生多要素多角度地认识以及简单设计和系统探究的能力。非典型实际电池（锂电池和干电池）的拓展，让学生进一步体会认识模型在解决真实复杂问题时的功能价值，从而进行创新及远迁移。基于上述单元整体的教学规划设计，明确教学内容的组织安排及情境素材的选取，突出学生能力的重点活动任务，从而在教学实践中能够更有效地开展师生互动设计。

环节设置上有诊断学生原有认识的环节、有破解错误认识的任务，有建构模型的分析思路等。通过接触不同类型的电池原型，不断巩固、丰富和发展学生的认识角度。后续的教学中可调整任务的类型和开放度，促使学生在解决实际问题过程中不断迁移学科知识、认识思路和方法，将模型要素和分析思路固化并加以内化，以实现深度学习。通过分析学生形成原电池错误概念和错误表现的本质原因，揭示学生的典型认识偏差，帮助学生建立原电池的正确认识，从而丰富和发展基于学科能力导向构建四个维度的原电池认识模型（见图8）。

5结语

本案例的整体构思是从生活走进化学，用实验探究化学，从化学走向社会。以发展学生模型认知和建构为指导思想，以原电池的优化为教学主线，用进阶式课堂教学活动，将化学原理学习融入生产、生活实际问题的分析解决过程，引导学生从不同的角度去学习和认识原电池，培养他们的科学探究观、化学价值观等学科观念。而知识、过程方法的教学是在构建主义指导下，实现知识问题化、问题情境化，促进学生自主探究建构认识模型，真正实现从知识教学走向核心素养教学，打造以素养为本的有效课堂。