基于问题驱动建构化学模型的教学实践

车建伟 陈霞 潘永根

摘要：从化学模型的教学功能出发，提出了基于问题驱动建构化学模型的教学模式，阐释了其内涵和意义，以“建构水解模型”为例，设计并实施了教学案例，对教学实践进行了总结和反思。

关键词：问题驱动;化学模型;水解

文章编号：1008-0546（2022）03x-0020-05    中图分类号：G632.41    文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.03x.005

模型是认识和研究自然科学的重要工具。化学模型作为科学模型的一种，是认识物质、改造物质和应用物质过程中所体现出的具有化学学科特征的具体或抽象的表征[1]。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）将“模型认知”作为学科核心素养之一，并多次对此进行了阐述。《课程标准》在课程目标中提出“能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种认知模型来描述和解釋物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果;能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架[2]。”可见，化学模型的建构和应用是化学学习中最基础、最核心的方法，也是落实核心素养和培育科学思维的重要手段。

在课堂教学中，尤其是在复习课中，学生更多关注于零散孤立的知识本身，难以形成系统化的知识框架，这是制约学生建构化学模型的瓶颈。如何引导学生通过自主构建模型来整合已有知识，应用模型深入地理解知识本质，形成解决问题的思维框架，是值得探讨的问题。

一、问题驱动建构化学模型的内涵及意义

化学模型建构不是知识的堆叠和梳理，而应是针对问题的理解和解释。问题驱动是建构化学模型的重要途径。基于问题驱动建构化学模型的教学是在学生已有的知识基础上，将知识转化为若干问题，学生通过对问题进行深入思考和分析，将知识进行关联和运用，同时将解决问题的思维过程形成可视化的具有指导意义的模型，并进一步在新的问题情境中对现有模型进行评价和完善。以问题驱动建构模型有以下几方面的意义。

1.问题驱动培养建模意识

核心素养强调对知识的深度理解。不同类型和层次的问题，能将学生置于解决问题的情境中，激发学生的求知欲，调动已有知识内存。学生在此过程中可以更加深入地理解知识，了解知识的产生和发展历程，从而搭建起完整清晰的知识脉络。化学知识所涉及的物质结构、性质和变化规律以及知识之间的逻辑关系，是初始建模所需的基本要素。因此，问题驱动知识整合，为进一步抽象提炼模型奠定了基础，培养学生树立建模意识。

2.问题驱动强化建模能力

建构化学模型需要具备观察与分析、分类与比较、证据与推理、归纳与总结等多重能力。在解决问题的过程中，学生将不同程度地锻炼上述能力。面对复杂和陌生的化学问题情境，学生能够逐步学会提取、加工信息，分解、关联问题，建构起解决问题的思维框架并将其外显可视化。此外，新的同类问题能促发学生应用模型，根据模型预测结果，同时分析模型中可能存在的不足并予以修正和完善。由此可见问题对于学生建模能力的培养具有重要意义。

3.问题驱动提升建模素养

高质量的问题是素养发展的场域。优质问题驱动可得到优化模型，以解决更富有挑战性的问题，从而形成良性循环。建模过程，事实上也是科学探究和创新思维发展的过程。学生能在其中体会建模对化学理论发展的作用，收获模型方法解决问题的乐趣和成就感，进而促进建模素养的提升。

二、问题驱动建构化学模型的教学设计

水解观是高中化学的核心概念和原理之一。现有教材中的水解反应涉及盐类的水解和酯（油脂）、酰胺（蛋白质）的水解。这三类物质的水解概念在日常教学中关联度不大“建构水解模型”复习课则提出广义的水解概念，即物质原子（离子）的分解和水之间的一切化学反应，力图将无机和有机的水解原理贯通与整合，并将其模型化。学生能在建立广义水解观的过程中，理解化学反应的内在本质，训练化学学科思维，同时也能体会到建模在解决化学问题中的重要作用。

1.教学目标

（1）通过宏观实验现象（乙醇钠溶于水能使酚酞变红），分析微观反应的过程，进一步认识水解的本质。

（2）根据已有知识（元素周期律、共价键极性等）和信息提示（实验证据、事实证据等），推断陌生水解反应的产物。能从价键角度，分析化学键的断裂和形成，归纳出水解反应的一般规律，从而建构水解模型，并将其应用于完全陌生物质的转化。

（3）能设计合理的实验方案验证水解模型的正确性，并能根据模型本质对模型进行完善和推广。

（4）在建模过程中，体会科学家探究物质转化的思路，建立问题一假设一证据一结论的良好逻辑，训练科学思维和解决问题的能力。

2.设计思路

本节课是针对已学习必修内容的高二选考学生所开展的复习课。本节课从化学药品的保存切入，引导学生思考药品密封保存（无水环境）的原因，从而引出化学物质会发生水解的事实。再通过乙醇钠水解实验，宏微结合分析水解产物，与学生熟悉的“盐类的水解”概念作比较，从而将水解概念扩大化。学生在问题链的驱动下建构离子化合物的水解模型。其次，结合实例分析共价化合物在水解过程中的断键和成键行为，调动学生回顾元素周期律和价键知识，搭建知识框架，由此建构共价化合物的水解模型。紧接着，学生通过观察过氧化钠和水反应的实验，判断反应产物并设计实验验证产物，从而印证水解模型的合理性。最后，分析陌生物质环氧乙烷的水解过程，加深对模型中断键和成键动力的理解，并通过知识迁移将水解模型拓展至醇解和氨解，进一步掌握复杂情形下的模型建构。本节课所包含的情境、问题、知识、模型和素养五个维度的设计内容如表1所示。

三、教学实录

1.建构离子化合物的水解模型

【导入】水是生命之源，是自然界最丰富的物质。虽然水很重要，但是在保存一些固体药品的时候，我们却不希望有水的环境。

【问题驱动】教师：请同学们回顾下哪些固体药品需要隔绝水密封保存？

学生根据已有知识回答氢氧化钠、氧化钙、漂白粉、过氧化钠、金属钠、无水硫酸铜、五氧化二磷、硅胶等。教师引导学生分类：①物理上溶于水，即潮解;②化学上与水反应。教师顺势引出同样需要密封保存的物质乙醇钠。

【信息提示】乙醇钠为白色或微黄色粉末，易燃，有腐蚀性，可致人体灼伤。乙醇钠应密闭、避光存于阴凉处，应与氧化剂、酸类分开存放，尤其要注意避免与水接触。

【问题驱动】

教师：为什么乙醇钠要避免与水接触？乙醇钠在水中只是物理的溶解还是发生了化学反应？

【实验】向无水乙醇和钠反应后的溶液中滴加2-3滴酚酞试液，观察实验现象。现象：溶液变红。结论：乙醇钠和水反应生成碱性物质。

【问题驱动】

教师：碱性物质是什么？

学生：NaOH。

教师：NaOH中的OH^-来自哪里？H₂O电离出的H⁺又去了哪里？

学生在教师引导和提示下书写化学方程式：CH₃CH₂ONa+H₂O→CH₃CH₂OH+NaOH。

【信息提示】教材中关于盐类的水解反应的定义：在水溶液中盐电离产生的离子与水电离产生的氢离子或氢氧根离子结合生成弱电解质的反应。

【问题驱动】

教师：该反应是否为盐类的水解反应？

学生1：根据定义，乙醇并不是弱电解质，是非电解质，因此该反应不是盐类的水解。

学生2：虽然不符合定义，但是乙醇钠电离产生的CH₃CH₂O^-和水电离产生的H⁺结合生成乙醇，这和盐类水解的原理很相似。

教师：为什么CH₃CH₂O^-和水电离产生的H⁺结合，而不是和水电离产生的OH^-结合？生成的物质电离程度如何？

学生：带相反电荷的离子更容易结合。生成的乙醇在水中不能电离。

教师：为什么乙醇钠的水解反应方程式写“→”而不是“?”？

学生：水解程度很大，几乎完全水解。

教师：为什么乙醇钠水解能完全？能否从水解规律上解释？

学生：根据水解规律，越弱越水解。乙醇是非电解质（弱电解质的极限），所以CH₃CH₂O^-的水解程度非常大，几乎完全水解。

教师：上述过程与盐类的水解非常相似。只不过生成了非电解质而不是弱电解质。但是从电离角度看，弱电解質弱到极限即为非电解质。由此，我们可以将盐类的水解概念拓展到离子化合物的水解：在水溶液中盐电离产生的离子与水电离产生的氢离子或氢氧根离子结合生成弱电解质甚至非电解质的反应。另外，离子结合遵循异电相吸的规律。

【模型建构】离子化合物的水解模型

X⁺Y^-+H⁺OH^→HY+XOH

断键：电离。

成键：异电相吸。

设计意图：先通过实验从宏观角度分析乙醇钠水解后的产物，再从微观角度思考水溶液中的微粒行为。当学生用已有的定义解释乙醇钠和水反应出现疑义时，层层递进的问题驱动下，离子化合物的水解概念可以顺理成章地引出，让概念的拓展和演绎显得不那么突兀。已有知识的挖掘、整合和迁移，使建构水解模型水到渠成。

2.共价化合物的水解模型建构

【信息提示】四氯化硅是一种无色透明的液体，极易水解，在军事上常用来制造烟幕弹，形成能迷惑敌人的白雾。在第一次世界大战期间，英国人就曾用飞机向自己的军舰投下了含有四氯化硅的烟幕弹，从而巧妙地把自己的军舰隐蔽起来，避免了敌机的轰炸。

【问题驱动】用化学方程式表示四氯化硅用作烟幕弹的原理。学生可根据白雾推断出其中一种反应产物是HCl，但对另一种产物可能存在疑惑。教师引导学生从反应断键和成键角度分析产物，提出以下几个小问题：SiCl₄中存在什么化学键？Si—Cl键是极性键还是非极性键？Si—Cl键中的共用电子对偏向哪个原子？Si和Cl元素哪种非金属性强？

学生在教师引导下分析出Si和Cl的电性，同时类比分析H₂O中H—O键的极性以及H和O的电性，能够用符号δ+表示原子相对正电，δ-表示原子相对负电，从而依次写出以下反应的化学方程式：

教师：我们通过分析元素的非金属性判断共价键的极性，进而分析出共价键两端原子的电性。有了电性结果，就可以依照异电相吸的规律书写出反应产物。请同学们在离子化合物的水解模型基础上，写出共价化合物的水解模型。

【模型建构】共价化合物的水解模型

X^δ+—Y^δ-+H^δ+—O^δ-H→HY+XOH（HXO）

断键：元素非金属性——共价键极性——原子电性。

成键：异电相吸。

【练习巩固】书写下列物质的水解反应方程式：（1）BrCl;（2）PCl₃。学生作答，教师对学生书写情况分析讲评。

设计意图：共价化合物水解问题的分析难度有所加大。给予学生的事实证据信息有时候往往不够全面，此时引导学生从反应本质和微观角度思考问题显得尤为重要。在教师一系列小问题的驱动下，学生复习了化学键和极性、元素周期律等知识，并将这些知识运用于新问题的解决中。这一过程也在引导学生分析原子的电性差异，从而可与离子化合物的水解相联系，再次运用异电相吸建构共价化合物的水解模型。

3.模型应用、评价与推广

【问题驱动】请书写Na₂O₂和H₂O反应的化学方程式。

学生1：2Na₂O₂+2H_O====4NaOH+O₂↑（学生回忆课本知识所得）。

学生2：Na₂O₂+2H₂O====2NaOH+H₂O₂（学生应用水解模型所得）。

教师：哪一个反应的化学方程式正确？如何证明？

学生小组讨论，设计实验方案分别证明产物O₂和H₂O₂。

【问题驱动】

教师：环氧乙烷断什么键？C—O键还是C—C键？为什么？

学生：根据极性断键可知极性键比非极性键更容易断，因此C—O键比C—C键更易断。

教师：该反应是否可用水解模型解释？

学生对该问题的分析存在困难。教师将问题分解并再次引导学生用水解模型的建模角度去分析。

教师：乙醇分子断裂什么键？C—O键还是O—H键？为什么？

学生1：断C—O键，形成—CH₂CH₃和—OH。依据是类比水断键形成氢原子和羟基，都断键形成羟基（学生根据水解模型的表达形式进行简单模仿）。

學生2：断O—H键，形成—OCH₂CH₃和—H。依据是O—H键的极性比C—O键的极性大，极性大的键更容易断（学生根据水解模型的建模思维进行逻辑分析）。

教师：两种不同的断键方式得到的产物是否一样？

学生：一样。

教师：那么如何通过实验方法验证乙醇究竟是哪种断键方式呢？引导学生思考验证反应机理的方法：同位素示踪法，如图1所示。

【模型推广】

1.醇解模型X^δ+—Y^δ-+H^δ+—O^δ-R→HY+XOR

2.氨解模型X^δ+—Y^δ-+H^δ+—N^δ-H₂→HY+XNH₂

设计意图：此环节是对学生模型应用、评价和推广能力的考察。选取过氧化钠和水的反应，在训练学生进行模型应用的同时，让学生学会验证模型的合理性。选取环氧乙烷这个同时具有极性键和非极性键的共价化合物，引导学生分析断键的位置，加深学生对极性和电性的理解。由此进一步衍生至乙醇的断键分析。当遇到两个极性键时，学生需要分析不同共价键的极性的差异，而不是简单地模仿水解模型中水的拆分形式。学生只有在充分认识和理解原理的基础上形成科学的建模思维，才能进行有效的知识迁移，顺利完成模型的完善和推广。

此环节中，问题设置直指学生认知上的潜在模糊节点，给予学生更多思考和讨论的空间。面对陌生问题情境，学生的错误回答能向教师反馈模型应用中的漏洞，便于及时弥补。在问题驱动下，学生不断优化原有认知，理解模型本质，学科高阶思维得到训练。

四、教学反思

建构化学模型的教学关键在于精心设计问题。结合以上课例，我们认为教学中可以关注以下几点。

首先，教师应充分了解和分析学生学情，贴近学生的实际，从具体简单的问题出发作为建模的起点。初始问题多围绕实验现象、事实结果等展开，能促使学生用已有知识进行类比联想和证据推理，搭建认知的基本框架。其次，遵循最近发展区理论，为学生设置具有难度梯度的问题，调动深度学习的积极性。此过程中，教师可以为学生分解问题，逐步引导学生将知识串线成面，从个别到一般，宏观到微观，形象到抽象，促使模型建构思路的形成。再者，教师可以在建模过程中提出一些认知冲突问题。当原有知识结构与化学模型不匹配时，应当鼓励学生交流讨论、反思质疑，对冲突的一方进行调整和修正。这不仅能够锻炼学生思维外显的表达能力，而且能使学生对模型的理解和掌握更准确深刻。最后，建立的模型需要不断地应用在解决新情境问题中才能得到内化[3]。因此，教师应当在建构模型之后继续设置新的问题情境，以供学生应用和巩固，彰显化学模型落实核心素养的作用。

参考文献

[1]张发新.利用模型建构促进学生化学学习[J].化学教学，2017（5）：24-28.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]韦新平.基于“模型认知”的高三化学实验“主题串联式”复习研究——以“无水氯化铝的制备实验”为例[J].化学教学，2020（1）：37-42.