思维模型建构在高三化学复习中的应用

【基金项目】福建教育科学“十四五”规划2023年度立项课题“核心素养视域下的高中化学思维建模教学研究”（立项批准号：FJJKZX23-359）。

［摘 要］文章以元素推断复习教学为例，分析高三学生对于元素推断知识的复习情况及思维模型建构的应用优势和切入点，建议学生在高三化学复习中建构思维模型，并通过知识的输入与输出相统一、基础认知与拓展认知相结合、思维深度与结构广度相协同等策略，进一步帮助学生在解决具体问题的过程中完善思维模型，优化化学学习方式。

［关键词］思维模型；高三化学；复习；元素推断

［中图分类号］ G633.8 ［文献标识码］  A ［文章编号］ 1674-6058（2023）32-0069-03

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出了五个方面的化学学科核心素养，其中“证据推理与模型认知”核心素养要求学生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释物质的结构、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［1］。课程标准中提及的“模型认知”是一种需要学生掌握的重要思维方式。在化学学科中，模型可分成物质模型与思维模型两个类别，其中思维模型是从化学视角出发，在认识事物、解决问题的过程中建构起来的思维模式。很多思维模式在习题解决过程中得到体现，并最终保证学生的学习能够做到有章可循，进而提高学生的学习兴趣与学习效率。下面以“元素推断”为例，谈谈思维模型建构在高三化学复习中的具体应用。

一、复习情况分析

高三学生对于元素推断知识有了初步的了解和掌握，复习的主要作用在于帮助学生对已有知识进行重新梳理和巩固，特别是促进学生在既有学习成果的基础上深入领会相关化学概念，对各种问题能够运用所学知识加以分析解决。在教学中可以看到，高三学生的抽象思维与逻辑思维虽然有了一定的进步，但是对于宏观现象背后的微观原因在理解上还存在一定的困难，对于与元素推断相关联的元素周期律等知识的理解不够透彻。此外，高三学生往往习惯于通过大量的练习去掌握一些新问题的解决方法，这些方法若用于固定思维类问题尚可以应对，但是一旦遇到新物质、新装置或者陌生情境类问题时，学生便会频频出错。之所以会出现这样的问题，主要原因在于学生虽然对元素推断知识有了初步的了解与掌握，但是仅仅停留于表层，与知识的本质是疏离的［2］。针对这些问题，教师在指导学生复习元素推断知识时，要为学生创造更利于深度思维的条件，提供有效解题的方法，而思维模型建构在高三化学复习中的应用效果是显著的，值得推广应用。

二、思维模型建构在高三化学复习中的应用优势

思维模型建构在高三化学复习中的应用优势体现在学科理解与学科体验两个方面，这两个方面也是教师思维模型建构指导工作的要点。

（一）侧重于化学学科理解

记忆知识不如理解知识，这是大多数教育者与学习者的共识，而增强学科理解效果是一个逐步深化的过程，它需要知识的积累和思维的提炼，并且在实践应用中加以验证。为此，教师应本着促进学科理解的目标，提供机会让学生顺利融入模型建构的场景中，注重输入和输出相统一、聚焦与发散相结合，让学生在面对元素推断问题时能够充分做到元素认知的多元化，由此实现对于元素与物质、平面与立体、静态感知与动态应用的整合。在模型建构思想的指导下，学生将逐渐克服学科知识积累不足的问题，形成学科理解力，并建立起学科认识的新视角和新思路，在反复实践中优化化学核心观念。

（二）侧重于化学学科体验

实现学科体验的增长，是思维模型建构在高三化学复习中的又一应用优势。具体言之，增加学生的学科体验机会，可让学生主动参与、反思总结，并进行知识的抽象概括及实践应用。教师如果能够在知识教学与习题指导时，于常规复习方案中添加有利于学科体验的游戏化教学元素，让学科知识、学科思维、学科观念等融为一体，则可进一步突出模型建构的优势，帮助学生一面完成知识积累和思维发展，一面实现深层次参与与积极情感体验，接近学科理解的理想目标［3］。

三、元素推断思维模型建构的切入点

元素推断属于高考必考内容，历览近些年的高考试题，不难发现其通常会以元素、元素化合物的结构和性质等作为突破口，同时需要综合运用元素周期律、常用物质性质和化学键等知识。有关元素推断的高考题型一般以选择题为主，通常包括宏观辨识类内容、微观探究类内容，主要考点涉及气态氢化物稳定性比较；原子或者离子半径大小比较；物质熔、沸点高低比较等方面［4］。除此以外，诸如元素金属性或非金属性的强弱、物质氧化性或还原性的强弱、最高价氧化物对应水化物酸性或者碱性强弱的比较也在考查之列；物质所含化学键或者化合物类型的确认，元素所组成物质的物理及化学性质的判断等问题，近年也屡屡出现。为了顺利解决这些问题，教师应从思维模型建构的角度着手，帮助学生找准切入点。

（一）从结构性质切入

部分元素推断题要求学生从元素化合物的特殊性质或者结构等角度切入，再结合元素周期表、元素周期律、元素化合物等方面的知识进行物质性质的分析与研判，这类题型侧重于考查学生分析知识和应用知识的能力。为此，学生应形成从结构或性质切入的意识，从而建立起相应的结构模型，为顺利解决元素推断问题寻找有效突破口。例如，短周期主族元素Z，其最高价氧化物所对应的水化物为三元酸，那么Z为P；短周期主族元素X最外层电子数和次外层电子数一致，那么X是Be；X是地壳之中含量最多的元素，那么X是O；等等。掌握特定的结构或性质知识，学生便可解决相应的元素推断问题。例题：有Q、X、Y、Z四种元素，它们分别是原子序数依次增大的短周期主族元素，其最外层电子数的总和为19，Q与X、Y、Z位于不同周期，X和Y相邻，Y原子最外层电子数是Q原子内层电子数的２倍。下列说法正确的是（ ）。A.非金属性：X>Q；B.单质的熔点：X>Y；C.简单氢化物的沸点：Z>Q；D.最高价含氧酸的酸性：Z>Y。学生若从结构或性质切入，便可顺利解决此问题（正确答案是D）。在面对其他类似问题时，学生利用以此为切入点形成的思维模型同样可顺利解决问题。

（二）从片段信息切入

在做元素推断题时，学生还可从片段信息的角度切入，先由此确定元素在周期表中的大致位置，再参考元素的其他性质做出推断。如第一到第四周期主族元素中族序数和周期数相同的元素是H、Be、Al、Ge；周期数等于族序数2倍的元素是Li、Ca；等等。如此先做大致的判断，再利用给出的片段信息，便可顺利解答相应的问题。

（三）从框图信息切入

从框图信息切入来解决元素推断问题具有较明显的优势。框图式的元素推断题通常会以方框的形式将物质之间的关系标记出来，框图信息具有结构紧凑、信息量大、综合性强等特点，对于思维能力有较高要求。此类题型具有较强的区分和选拔功能，既可以考查学生基础知识的掌握情况，又可以考查学生灵活运用知识的能力，同时还可以考查学生在逻辑推理等方面的表现。可以说，框图信息和思维模型之间具有一定的相通性，引导学生从框图信息的角度切入来完成思维模型建构是一种比较直接的尝试。例题：短周期元素W、X、Y、Z的原子序数依次增加。m、p、r是由这几种元素组成的二元化合物。n是元素Z的单质，通常为黄绿色气体，q的水溶液有漂白性，0.01 mol·L-1 r溶液的pH值为２，s通常是难溶于水的混合物。这些物质的转化关系如图1所示。则下列说法正确的是（ ）。A. 原子半径的大小：W<X<Y；B. 元素的非金属性：Z>X>Y；C. Y的氢化物在常温常压下为液态；D. X的最高价氧化物的水化物属于强酸。通过对框图信息的分析，可得到最终答案为C。

有关元素推断模型建构的切入角度是多样的，除以上切入点外，图表信息、反应特征等也可作为切入点，而从哪个角度切入应视具体情况而定。

四、思维模型的建构与完善策略

（一）知识输入与输出相统一

高中化学复习教学有知识讲授和问题导向两种方式，这两种方式皆可起到促进学生完成思维模型建构的作用，其中前者以输入引导为主，后者以输出引导为主，前者有益于学生知识的积累与容量扩充，后者有益于学生知识的吸收与体系内化。事实证明，二者有机结合，才可以较好地促进学生思维模型的建构。为此，高中化学教师在做复习指导时，可本着知识输入和输出相结合的原则，促进学生形成元素推断类问题模型建构与转换的模型意识。高三阶段的复习教学时间紧和任务重，一些教师即使有指导学生建构思维模型的意识，也常会以讲、练、评相结合的形式来完成，师生之间更多的是单向的信息传递。在这种做法的支配下，知识与能力的传递方式是单一的，且学生输入过多、输出过少，对学生的学科学习体验极不友好［5］。为此，教师应改变教学组织形式，利用学生更易于接受的游戏化教学以及小组合作方式，加强师生或者生生间的联动。例如，教师可创设有利于学生建构思维模型的元素竞猜活动，让学生得以更快速地进入到学习体验状态。其中抢答竞猜是让学生在教师做出问题描述后，从中发现关键信息，并快速推测元素，完成元素特征认识的积累；而描述竞猜有利于学生彼此互动，增加信息输出的机会，这时知识识记将向知识应用转化，使学生思维模型的建构得到完善。

（二）基础认知与拓展认知相结合

为了保证学生在进行元素推断时能形成良好的思维模型，教师还需要引导学生同时运用积聚思维与发散思维，即同时重视基础认知与拓展认知，最终做到用模型带动知识关联与融合，建构对元素推断类知识和问题的整体认知。例如，教师可借助元素几何卡片，达到学科基础知识的结构化关联效果；在此之后，则以拓展发散为主，让学生对同一元素进行不同认知角度的审视思考。这种做法既可以让原本零散的知识以整合的形式重现，又能够让学生的平面认知上升至立体认知，以丰富的认知视角看待与基础知识相关的内容，促进元素推断类问题的迅速解决。如Al属于元素周期表第三周期的第ⅢA族，其电子层和最外层电子数均为3。Al在元素周期表中所处的位置反映了它的结构，即最外层的电子数量较少，更容易失去电子；当进行铝热反应时，铝可置换出不活泼金属，在此过程中放出大量的热量，可将其用到钢轨焊接作业等实际应用中。教师指导学生从基础认知与拓展认知相结合的角度完成思维模型的建构与运用，进而形成“结构决定性质、性质决定用途”的化学观念。

（三）思维深度与结构广度相协同

在高三化学复习教学中，教师还应从思维深度与结构广度相协同的角度为学生的思维模型建构提供支持，以此帮助学生更加有效地应对元素推断的创新型问题。例如，近年来高考试题在不断地灵活调整，教师可从中借鉴有利于模型建构的内容，在元素推断专项复习教学中引导学生以这些内容为契机，总结试题基本模型和设问角度，并突破其原有深度与广度，让学生在实际运用中增强学科理解和学科体验。

在教育改革不断深化的时代，高中化学教学工作要与国家课程标准的要求相符，并兼顾高考评价方式不断变化的实际情况，重视对学科核心素养的培养。在高三复习阶段，若学生只注重解题，必然无法获得系统的知识，最终造成解题思维单一与僵化，复习效率无法得到提升。因此，增加专题复习模块、促进学生思维模型建构是很有必要的。在高三复习阶段，教师应重视对学生学科核心素养的培养，将传统的教学模式与素养提升策略结合起来，通过教学方式的不断调整，最终使学生完成思维模型的建构，真正做到内化并灵活应用化学知识。

［   参   考   文   献   ］

［1］  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［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  乔国才.增进化学学科理解 准确把握教材内容：以人教版《化学反应原理》为例［J］.中学化学教学参考，2020（21）：1-4.

［3］  陈进前，杨念锋.关于化学学科理解及其对象的认识［J］.中学化学教学参考，2021（17）：1-4．

［4］  郑文昌.基于建构思维模型的高三专题复习：以“电化学两个常考题型”为例［J］.化学教与学，2021（23）：59-64.

（责任编辑 罗 艳）