基于模型认知的主题式复习与反思

学习主题是指围绕某一核心知识组织起来的，有难度而系统，体现学科思想方法或深化、丰富认识世界的方式，能够激发学生深度参与和持续发展的教学单元。基于化学学科核心素养培养的需求，从学生的兴趣出发，教师可以围绕某一鲜明主题对高中化学核心知识进行整合，倡导学生主动参与的探究式学习是新课改的一个重要目标。如何精选主题教学内容，进行深入的开发与转化，创设真实且富有价值的教学情境，仍需不断实践和完善。

一、设计思想

元素化合物知识在整个中学化学体系中处于核心地位，是化学内容重要的载体。元素化合物种类繁多，内容冗杂抽象，而且高考题取材新颖，源于课本又高于课本，对学生整合和加工信息的能力、分析和解决问题的能力要求很高。但是学生对元素化合物知识类比迁移能力薄弱，在面对实际复杂问题时，学生很难自觉主动地调用已学的核心知识和已有的活动经验，从不同的认识角度和认识方式来解决问题。此外，新课程的元素化合物知识教学，虽然从教学内容来看减少了，但教学要求却并未降低。本节课应用金属元素化合物的认识模型，以发热包真实情境为教学主题，以推测反应原理→检验铝元素→安全性探究→从高铝粉中回收稼为情境主线。

二、教学思想与创新点

基于金属及其化合物认识模型的 “探秘发热包”的主题式复习教学，在真实问题情境下，从能量的视角推测反应原理，从物质类别和化合价２个角度来建构价类二维分析模型，设计复杂情境中检验Al3+的流程图并辅以实验证明。此外，为了保证发热包安全的使用，学生自行设计简易装置，建立一种通用、快捷测定食品自发热剂产氢量的方法。最后，学生根据铝及其化合物的分析模型，建构稼及其化合物的价类二维认知模型，预测其性质及转化关系，解决从高铝煤灰中回收稼的问题。

三、教学目标

1.通过回忆铝及其化合物的物理性质和化学性质，建构铝及其化合物的价类二维思维模型，发展学生宏观辨识与模型认知的核心素养。

2.通过发热包实验，对实验现象进行分析推理，学会运用模型解释其发热原理，感受性质与用途的关系，培养学生证据推理与变化观念的素养。

3.通过发热包成分实验探究，设计实验流程，学会在复杂情境下Al3+的检验方法并实验证明，得出检验混合物中物质的一般思路，发展学生证据推理与科学探究素养。

4.通过高铝粉煤灰中回收镓的工艺流程，建构稼及其化合物的价类二维思维模型，预测其化学性质，培养学生模型认知与变化观念的素养。

四、教学实录

[课前准备]学生通过已有的知识储备，画出铝及其重要化合物的转化关系图。并分成小组对该知识进行总结和概括。

[教师]同学们对该知识掌握的不错，但是我们应自觉主动用价类二维图分析元素化合物。采用二维图建立类别和价态这2个认识物质性质的角度，将其进一步概括关联，形成比较稳定的元素化合物认识方式。

[设计意图]明确认识角度，准确把握认识方式，对于提升学生化学复习效果，培养学生综合化学能力具有重要的作用。

环节一：运用模型解决真实问题——推测发热原理

[教师]投影展示自热包图片，并特别圈出自热包主要成分为氧化钙、铝粒、碳酸钠、活性炭。同学们可以推测自热包的反应原理吗？有哪些物质间会发生化学反应？气体是怎么产生的？

[学生1]我观察到自热包工作过程有大量气泡产生，根据质量守恒及氧化还原原理，该气体应该为氢气，氢元素化合价改变，可能为铝与热水反应生成氢气。

[学生2]也可能金属铝与活性炭构成了原电池，通过氧化还原反应释放能量，以此实现持续供热。

[教师]那碳酸钠有什么作用呢？

[学生3]根据物质类别碳酸钠属于盐，Ca（OH）2 + Na2CO3 = CaCO3↓+ 2NaOH。再根据铝元素的价类二维图，推断2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑，该反应也是放热反应，可以为食材供热。

[教师]同学们非常棒，可以从元素价类二维模型及反应能量的认识角度来解释反应原理及现象。

[设计意图]情境引入，激发学习兴趣。激活学生头脑中已有的相关知识，从复分解反应、氧化还原反应角度推测反应原理，运用价类二维模型解决真实问题。

环节二：运用模型解决复杂问题——复杂情境检验Al3+

[教师]我们如何检测发热包里的Al3+？设计的依据是什么？请同学们小组讨论，设计检验Al3+实验流程。

[学生]以铝及其化合物的价类二维分析模型，根据氢氧化铝为白色沉淀，加入酸或碱白色沉淀消失的现象，依据物质的转化→分离→检验的基本方法和思路设计实验流程方案。

[教师]根据同学们设计的方案，可以分为2大类：酸溶法和碱溶法。从“科学、可行、安全、绿色”等实验方案设计原则来看，哪种方案最佳？

[学生1]从理论上都可行。杂质阳离子Ca2+和Na+也不影响Al3+的检验。

[学生2]不对，在方案一中Ca2+对实验会造成干扰。因为在发热包中氧化钙的含量较多，酸化后加入碱，白色沉淀多数是氢氧化钙，少数是氢氧化铝，再滴加碱，很难用肉眼观察到沉淀是否溶解。

[学生3]那我们可以尝试设计方案三，先除去杂质Ca2+，再检验Al3+。这样现象就会非常明显了。

[学生4]也不行，氢氧化钙微溶，完全沉淀时pH较大，很难通过调节溶液的pH，除去杂质Ca2+，再检验Al3+。因此，方案二的碱溶法不失为一种好的选择。

[教师]同学们总结得非常到位。现在请大家动动手，利用所提供的药品及仪器设计实验。

仪器：铁架台、试管、玻璃棒、漏斗等。药品：自热包、2 mol/L NaOH溶液、2 mol/L HCl溶液等。

[学生]根据小组优化的方案进行实验，并展示交流。

[教师]感兴趣的同学在课余时间可以设计以废弃发热包为原料回收铝单质的流程，并辅以实验证明。

[设计意图]组织小组讨论，得出检测发热包中铝元素的步骤：基于检验目标→逆向分析→排除干扰→设计实施。

环节三：创新实验保证使用安全——设计简易装置

[教师]发热包在使用过程中产生氢气，会导致烟感报警器。这就是为什么乘坐飞机和高铁不允许带自热食品的原因。那么如何使用自热食品才是安全的呢？一袋发热包产生多少氢气？发热包安全使用空间是多大呢？请同学们根据文献资料，进行小组交流、讨论，并设计实验测定氢气体积。

展示文献资料：称取m g发热剂样品放入包装袋底部，然后按照料液质量比用注射器往袋中注蒸馏水，用胶带封好针孔后封好针孔后将其置于室温反应，反应放热产生气体使包装袋膨胀，等袋内不再有气泡并降至室温后，用排水法测量袋内气体的体积V，而后用氢气浓度检测仪探针检测包装袋中氢气的浓度P，则发热剂的产氢能力Q（单位mL/g）可按照公式Q= 计算。

[学生]小组总结汇报。我们通过文献资料能够测出氢气的产量，但是存在以下几个问题：1.注水过程总是不可避免的有些水珠挂在包装袋内侧，导致水没有完全参与反应。2.贴胶带很难保证袋子的密封性。尤其是反应后产生气体，包装袋膨胀会撑开一条缝，有漏气的可能。3.用排水法测量水的体积时，很难把握加水的量，稍加过量就会流出来，而如果不加到快溢出，则会导致测得的体积误差大。我们尝试滴加肥皂液（可以破坏水的表面张力），但我们发现滴加多少也是一个很难解决的问题。

[教师]同学们非常棒，善于发现问题，那我们该如何解决准确测量氢气体积的问题呢？

[学生]从氢气的性质出发，我们想到了排水收集氢气的方法，设计了相关装置能方便快捷地测量体积。

[课后实验]根据单因素分析和正交实验设计的结果，我们每次取0.5 g发热剂进行了料液质量比（发热剂质量与水的质量比）1∶3、1∶4、 1∶5、1∶6的系列实验，每个处理设定3个重复。实验结论：当料液质量比为1∶5时，该品牌发热剂产氢能力最强，用公式可计算出，产氢量为307.5 mL/g，已知该自热包净含量为30 g，氢气在空气中的爆炸极限为4%，则安全使用空间大小为：   0.3075×30÷4%=230.6 L，即0.23 m3。

[设计意图]通过对文献实验方案的实施及评价，学生不断发现问题、解决问题，他们的创造性思维有了质的飞跃。

环节四：深化用模提升复习实效——检验用模效果

[教师]请同学们利用二维图预测稼及其化合物的性质，并能主动说明预测理由，解决从高铝粉煤灰中回收镓的问题，现在让我们来小试身手吧……

五、教学反思

本节课打破传统复习课的模式，以生活中“发热包”为研究对象，开展主题式复习教学实践。在 “探秘发热包”教学环节中，进行“推测发热原理→设计检验Al3+流程→实验探究→产氢量测定→改进实验方法→拓展提升”的流程。化学是一门以实验为基础的自然科学，尊重客观事实，用事实说话。通过一系列凸显认识角度对研究物质性质指导作用的教学环节，可以让学生主动运用这些认识角度解决陌生问题。最后通过一道高考模拟题，一种从高铝粉煤灰中回收镓的工艺，来检验学生综合利用模型的能力。

【注：本文系广州市教育科学规划2021年度课题“基于思维模型建构的高三化学核心知识教学及策略研究”（2021113711）研究成果】

责任编辑 邱 丽