基于“认知模型”的元素化合物复习教学设计

王颖

一、引言

元素化合物知识是初中化学基础知识教学的主要内容，也是发展学生化学学科核心素养的重要载体。新课标将化学学科核心素养划分为“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”5个方面。关于“模型认知”，新课标指出“知道可以通过分析、推理方法认识研究对象的本质、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，解释现象的本质和规律”。

二、三阶认知模型的构建

认知模型是主体（个体或学术共同体）在认识某一特定对象过程中不断形成的、相对稳定、有层次结构的组织和表征知识的系统。建立认知模型，可以帮助学生浓缩提炼所学知识，将重要的本质性知识形成清晰的知识框架，从而提高学科能力和学科素养。化学是从微观层面解释宏观性质的学科，宏观与微观的联系是化学学科不同于其他学科的最特征的思维方式。“结构决定性质，性质决定应用”是化学学科的重要观念，本文主要基于这一观念建构初中化学元素化合物复习的认知模型。

我们在初中阶段认识一种物质，首先要知道它的元素组成，但无须根据元素种类推断其性质。在这节复习课中，我们运用类比和迁移的学习方法重点复习了碳单质的几种同素异形体和碳的两种氧化物的相关性质。对于相同元素组成的物质之间为什么会有性质差异的问题，只要求学生简单了解是微粒构成不同导致，不要求学生掌握具体的结构特点。在充分掌握含碳物质各方面性质基础上，要求学生解释和解决与生活生产相关的简单问题。基于这个思路，我建立了以下认知模型，从三个层次层层深入认识物质。

三、教学内容分析

“碳和碳的氧化物”是初中阶段一个全面研究元素及化合物知识的单元，涉及知识内容较广，化学反应方程式繁多，物质之间的联系较为复杂。通过以往的学习，学生已对碳单质及碳的氧化物的性质和用途有了一定的了解。但因为是上学期的内容，再加上分散在多个课时学习，纷繁复杂的内容学生记忆困难、容易混淆，难以把握复习重点和整理思路。所以急需将这块内容重新复习巩固、串联整合。通过本节复习课的教学，帮助学生将所学知识系统化、结构化，并与碳、碳酸钙的知识联系起来，形成知识网络。

本节课的教学设计以物理性质和化学性质为中心，密切联系生活实际。通过以往的学习，学生已有由现象推知性质，由性质了解用途的思维，但对结构和性质的关系还不了解，首先让学生根据碳单质“结构—性质—用途”之间的联系建立认知模型，然后迁移到碳的氧化物的性质和用途及影响整理总结中去。最后用所学的知识解释和解决一些生活中的实际问题，激发学生的学习兴趣，使他们养成良好的学习习惯。

四、教学与评价目标

1.教学目标

（1）知道碳单质的结构特点和相关的物理性质，掌握它们的化学性质及用途。了解一氧化碳和二氧化碳的物理性质和化学性质，以及它们的用途和影响。

（2）通过运用类比、归纳的方法将物质的结构、性质和用途进行整理和总结，建构认知模型。

（3）了解一氧化碳的毒性及一氧化碳和二氧化碳对环境的影响，增强环保意识、自我保护意识以及人与自然和谐统一的意识。

2.评价目标

（1）通过碳的氧化物性质和用途及影响的归纳和判断，诊断学生利用认知模型进行分析和推理的水平。

（2）通过相关例题，诊断和发展学生设计和分析探究实验的水平。

（3）通过对解决环境问题和发展新技术的讨论，诊断并发展学生对化学价值的认识。

五、教学实施过程

【引入】地球上现有的118种元素中，有一种特殊而又重要的元素。它在地壳中含量很少，仅占0.027%，含有该元素的物质却有八千多万种。它的原子结构很简单，由它构成的物质结构却千变万化、纷繁复杂。它可以构成世界上最坚硬的物质，也可以构成世界上最软的矿物质。它是陪伴人类几十万年的老朋友，也是最新、最热门的前沿材料。最重要的是，它是地球上一切生命的基础，它就是——碳元素。

设计意图：通过对碳元素重要性和特殊性的描述，激发学生学习的兴趣。

【环节一】碳单质

【学生活动】快速回忆，完成学案上的内容：

【提出问题】为什么金刚石、石墨、C60都是碳元素组成的单质，而物理性质却有很大的差异？

【学生思考】碳原子的排列方式不同。

【提出问题】物质的结构、性质及用途之间存在怎样的内在关系？

【学生思考】构成物质的微粒的排列方式（晶体结构）决定了物质的物理性质;物质的性质决定物质的用途（结构→性质→用途）。

【展示表格】

无定形碳

设计意图：从微观结构、物理性质和用途三方面对比分析碳的三种同素异形体，初步建立“结构决定性质，性质决定用途”的思维方式。通过对无定形碳的简单回顾，夯實对“同素异形体”的概念理解。

【教师提问】木头电线杆或木桩在埋入地下之前，常要把埋入地下的一部分木头表面稍稍烤焦，这是为什么呢？

【学生思考】木头烤焦以后就变成了木炭，木炭与空气、水分接触不容易发生反应，可以保存较长的时间。

设计意图：从碳单质的物理性质过渡到化学性质。

【创设情境】单质碳的化学性质与温度有关，如下图所示：

【问题引导】图中反映出单质碳有哪些化学性质？

【性质探究】探究单质碳的化学性质。

①稳定性：常温下，碳的化学性质不活泼。→书写字画和档案

②碳跟氧气反应（可燃性）→作燃料

③碳跟某些氧化物反应（还原性）→冶炼金属、制造煤气

【教师活动】通过对碳单质的物理性质差异分析和化学性质与相应用途的归纳总结，构建初中阶段学习物质的基本认知模型。

设计意图：在复习过程中，通过碳的稳定性、可燃性和还原性及其相关用途的回顾，再次确立“结构决定性质，性质决定用途”的学科思想，并在此基础上构建在三个逐渐深入的层次上认识物质的模型。

【环节二】一氧化碳和二氧化碳

1.CO2和CO的物理性质比较

【课堂巩固】一氧化碳、二氧化碳的物理性质

（1）下列有关盛放某些气体的集气瓶，其摆放情况正确的是（  ）

（2）下列实验现象只能反映二氧化碳物理性质的是（  ）

设计意图：简单复习一氧化碳与二氧化碳的物理性质，并用两道例题加以巩固，以此提高学生的分析能力。

2.CO2和CO的化学性质比较

设计意图：通过将一氧化碳与二氧化碳的共性和差异分类整理，学会对比、归纳的方法。

【教师提问】对比一氧化碳与二氧化碳性质的不同，产生此差异的原因是什么？

【展示图片】一氧化碳与二氧化碳的分子结构对比

设计意图：通过将一氧化碳与二氧化碳的共性和差异分类整理，学会对比、归纳的方法。

【教师提问】对比一氧化碳与二氧化碳性质的不同，产生此差异的原因是什么？

【展示图片】一氧化碳与二氧化碳的分子结构对比。

【学生思考】得出结论：两者分子结构不同，所以物理和化学性质不同。

设计意图：引导学生应用认知模型认识物质和分析问题。

3.CO2和CO在生活中的作用的比较

设计意图：引导学生应用模型在第三层次上认识物质。培养学生运用所学知识探讨碳的氧化物对人类健康和社会发展带来的双重影响，在具有安全意识和绿色化学观念的同时能欣赏化学对人类文明的贡献，学会辩证地分析问题。

【学生活动】观看视频：二氧化碳捕捉器

【课堂例题】“碳捕捉技术”是指通过一定的方法，将工业生产中产生的CO2分离并进行储存和利用。常利用NaOH溶液来“捕捉”CO2，基本过程如图所示（部分条件及物质未标出）。

（1）“捕捉室”中发生反应的化学方程式为：           ___________________________

（2）在整個“捕捉”过程中，可以循环利用的物质是：      _______________________

（3）下列有关叙述中错误的是______（填序号）

①“高温反应炉”分离出的CO2可制成干冰，干冰常用于人工降雨。

②“反应、分离室”中反应结束后，将NaOH和CaCO3分离的操作名称是过滤。

③整个流程中不涉及置换反应。

④捕捉到的CO2还可制备其他化工产品，减少了温室气体排放。

⑤整个过程中，只有一种物质可循环利用。

⑥“反应分离室”中的反应放出大量的热。

⑦该捕捉技术的优点是没有消耗能源。

设计意图：结合“二氧化碳的捕捉”，让学生了解学习化学与生活生产之间的联系，深刻理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，感悟到化学的重要性。同时引导学生应用认知模型分析解决问题，促进学生体会认知模型在解决陌生问题中的价值，以期能在酸碱盐的学习中自主运用模型认识新物质。

环节三：碳单质及其化合物之间的转化关系

【学生活动】先在学案上自行书写相关化学方程式，然后再与视频中的参考答案比较。

设计意图：构建知识网络，培养学生概括、总结、整理知识的能力。

六、教学反思

本节课涉及的知识点较多，在备课过程中我根据学科、教材的特点以及学生的实际，对教学内容进行了多方位的整合和挖掘。为了调动学生的学习兴趣，我还尽可能地选取与生活联系密切的内容，并辅以有针对性、有层次的课堂例题加以巩固。构建认知模型有利于知识结构化，发展学科核心素养。利用认知模型来复习元素化合物，可以促进学生对相关知识的联系，并能迁移到其他物质的认识和复习中去。

但本节课内容有限，没有将认知角度充分展开，例如没有关联二氧化碳的制法和自然存在等知识点，可以开放给学生补充完成。老师在教学过程中需深入理解模型和熟练运用模型分析解决问题，从而帮助学生更好地理解模型、应用模型，以便日后能自己建立模型。

参考文献：

房宏.中学化学核心素养的构成体系与培养策略[J].中小学教师培训，2016（6）：5-8.