基于认识模型建构与应用的教学探究

摘    要：化学认识模型是指导学生学习化学知识、研究化学问题的一种系统化思维模式，其建构与应用有利于引导学生实现知识结构化、解决问题思路化，提高思维能力、实现高阶学习，发展模型认知素养和创新意识。基于认识模型建构与应用进行教学，教师需要提供真实的问题情境和评价任务，增强学生的元认知体验，引导学生自觉主动地去认识，即以真实的问题情境引发认识驱动，以真实的研究对象引发认识过程，以真实的活动体验引发认识冲突。教师还需注意在认识模型的建构、应用和评价中，培育学生的高阶思维和核心素养，并在学生认知阶段发展后，进阶认识模型的认识角度、思路和方法。

关键词：认识模型；模型建构；模型应用；有机化合物；高中化学

近年来，不少专家和一线教师在化学主题内容的认识模型研究中取得了较为丰硕的成果，但仍有部分教师更重视认识模型的运用而缺失建构或修正过程，或对认识模型的应用单一浅表而缺乏评价活动。化学认识模型是认识和解决某领域化学问题的思维机制，是指导学生学习化学知识、研究化学问题的一种系统化思维模式。认识模型的建构与应用有利于引导学生实现知识结构化、解决问题思路化，提高思维能力、实现高阶学习，发展模型认知素养和创新意识。而要运用好认识模型，教师需要关注认识模型建构的元认知体验。下面，笔者以人教版普通高中教科书《化学》必修第二册第七章第三节中“方法导引”栏目的内容“认识有机化合物的一般思路”为例，探究如何基于认识模型的建构与应用进行教学。

一、基于认识模型建构与应用的教学设计策略

元认知体验指伴随着认知活动的认知体验或情感体验。元认知体验特别容易发生在能激发高度自觉思维的工作、学习中。大量研究表明，在教学过程中创设问题情境，让学生有思考、探索、体验的机会，不但可以激发学生的内在学习动机和学习主动性，而且可以极大地丰富学生的学习经验，并使学生在这种体验中掌握更多的学习方法和策略。

（一）提供真实的问题情境，增强学生的元认知体验

情境是学科核心素养形成、培养、测评的载体。教师先要选取能承载认识要素、引发认知冲突、具有证据支持、体现功能价值的真实情境并从中提取问题，再让学生将真实问题转化为化学问题，然后在问题解决的过程中，结合具体教学内容和学生特点，引导学生从认识角度、认识思路、认识方法等维度自主建构并优化有机化合物认识模型（如图1所示），进而在增强元认知体验的基础上，能够应用模型解决真实而复杂的问题，发展思维能力、提升核心素养。

在这节课之前，学生学习了乙烯、乙醇、乙酸等有机代表物，重点落实了碳碳双键（加成、氧化）、羟基（置换、氧化）、羧基（酸性、酯化）等官能团的性质。因此，在选取有机物载体时，教师要基于学生的认知阶段，围绕这几种重要的官能团和反应类型，而不宜涉及分子间脱水成醚、消去、缩聚等学生未接触过的反应类型。鉴于此，笔者选取了马来酸（HOOC-CH=CH-COOH）使食物“Q弹”这一食品安全问题为素材，以认识马来酸为驱动，挖掘其中蕴含的核心知识，并设计相应的问题。

（二）提供真实的评价任务，引导学生自觉主动地去认识

为丰富学生的元认知体验，笔者依据预设的教学目标，从知识逻辑、认知发展、探究过程等教学取向出发，设计指向真实、复杂问题解决的不同活动，突出课堂活动主线，并提供真实的评价任务，以此诊断、发展学生的化学认识角度、认识思路以及解决问题的能力。基于认识模型建构与应用实施教学，能引导学生逐步建构基于官能团、碳架结构认识有机物的一般思路，其教学流程如图2所示。

二、基于认识模型建构与应用的教学实施路径

基于认识模型设计和实施教学是培养学生思维能力、提升化学学科核心素养的有效途径。在真实情境任务的驱动下，学生能够丰富认识角度，形成认识思路，然后开展实验探究，并结合评价活动，建构、优化和应用认识模型。

（一）真实的问题情境引发认识驱动

在该课教学中，笔者选取符合学生认知阶段、学情，能激发学生探究兴趣，能承载认识要素、引发认知冲突（为优化认识模型埋下伏笔）、具有证据支持、体现功能价值的真实情境，并以其为载体，引发认识驱动。

［情境］“哇，好Q弹啊！”很多人喜欢用“Q”来形容食物爽滑筋道，在吃关东煮或珍珠奶茶中的珍珠时，都不禁要感叹一句。然而，一则关于毒淀粉的报道却让大家谈“Q”色变，究竟怎么回事？（展示相关媒体报道）

师：顺丁烯二酸又名马来酸，添加后能使食物Q弹爽口，风味极好。同学们平时喝奶茶吗？大家如何看待此次事件及主角马来酸？

生1：平时不喝奶茶，新闻中既然说是毒淀粉，应该不能添加吧。

生2：很喜欢喝奶茶。不清楚马来酸究竟是什么物质，能否添加到食品中，对身体有无危害；不知道自己喝的奶茶是否安全。有点害怕。

师：的确如此，我们需要认识这种有机物，用知识战胜恐慌。

设计意图：以真实新闻事件中的社会风险议题和很多学生热衷的奶茶为情境，激发学生兴趣，使其产生认识马来酸的任务驱动，培养其探索未知、崇尚真理的意识和严谨求实的科学态度，以及运用化学知识解决社会问题的能力和作出正确价值判断的社会责任。

（二）真实的研究对象引发认识过程

选取真实具体的研究对象，能够引导学生在元认知体验过程中，从认识角度、认识思路、认识方法等多维度自主建构认识模型。

【环节1】揭秘马来酸，建构认识模型

师：自然界没有马来酸，它是一种化工合成产品（呈现试剂瓶标签：分子式、性状），结构简式可表示为HOOC-CH=CH-COOH。

［任务1］请预测马来酸可能具有的性质，并说明理由。小组内部研讨，共建马来酸的认识模型。

［学生活动］汇报认识模型并互评。

生1：第2组从官能团两个-COOH与水形成分子间氢键预测了马来酸溶于水的物理性质。

生2：第4组、第5组的模型最全面，从结构中的官能团入手，预测了马来酸的物理性质和化学性质。

师：每组模型都有一个共同的优点，即对有机化合物认识模型的认识思路都达成了共识——结构决定性质。建构认识模型时，认识角度要全面且外显。请据此完善你们的模型。

［任务2］设计实验验证你对马来酸性质的推测。

师：请提出假设（方案评价）并选取方案，用实验验证马来酸的碳碳双键和羧基。

［学生活动］分组实验并自主建构认识模型中的认识方式（推理路径）：提出假设—实验验证—得出结论。分别写出马来酸与H2O加成、与CH3CH2OH（物质的量1∶1）酯化的方程式。

师：性质决定用途。工业上马来酸与水加成就是制苹果酸的主要工艺。（展示资料：马来酸的用途）

问题：用马来酸制琥珀酸（HOOC-CH2-CH2-COOH）、制某种不饱和聚酯树脂（<I：＼2023教学月刊社＼2024年＼2024教学参考＼2024-11＼教学参考2024-11内芯＼Image＼（ 张丽萍）论文中所有图表、有机物的结构简式.pdf>），分别利用了马来酸哪个官能团的何种性质？

追问：淀粉中加马来酸使食物Q弹，又是利用了它的何种性质？

［展示资料］天然淀粉<I：＼2023教学月刊社＼2024年＼2024教学参考＼2024-11＼教学参考2024-11内芯＼Image＼（ 张丽萍）论文中所有图表、有机物的结构简式.pdf>的结构有一些缺陷，如不能溶于冷水，且难以加工成型，会回生而老化，导致口感变差等。于是，改变淀粉结构进而改变其性能的改性淀粉应运而生，这是经马来酸改性后的某种淀粉的主要成分<I：＼2023教学月刊社＼2024年＼2024教学参考＼2024-11＼教学参考2024-11内芯＼Image＼（ 张丽萍）论文中所有图表、有机物的结构简式.pdf> 。

师：根据结构预测淀粉中加马来酸，可能是什么官能团之间发生反应？

生：马来酸的-COOH与淀粉的-OH发生酯化反应以及-COOH成盐的反应。

［任务3］这种淀粉又叫酯化淀粉。酯化淀粉使食物Q弹，可能与其结构中的哪些官能团有关？请填写下面的空格。

增稠：酯化淀粉高亲水性的         等基团，与水通过氢键形成三维立体网状结构将淀粉包围，使其流动性下降，增强黏弹性。

乳化：酯化淀粉亲水基团        等与水分子缠绕，亲油基团         等在油相延展，空间位阻增大，分子间作用力减小，避免乳液聚集，使其分散、润滑。通过增稠、乳化从而使食品Q弹爽口。

［学生活动］充分讨论后填空。

师（评价）：非常好，同学们抓住了核心认识角度“官能团”来分析问题。利用有机物性质进行转化，本质就是官能团的转化（师生完善认识角度：转化）。新物质、新结构、新性质、新用途，更凸显出结构决定性质、性质决定用途的认识思路。

问题：我国发布的《食品添加剂使用标准》中允许添加的改性淀粉有很多，常见的有琥珀酸淀粉酯、磷酸淀粉酯、柠檬酸淀粉酯等（展示相关资料），但并不包括用马来酸改性的淀粉。那么，不法商贩为何要在淀粉中加马来酸？

生：更便宜、更Q弹。

追问：毒淀粉是马来酸酯化成的酯化淀粉，为何检出的是马来酸？

生：酯化反应是可逆反应。酯会水解生成马来酸。

［展示资料］马来酸改性淀粉在环保、工业等领域有广泛应用，可以除污水中的重金属离子，制可降解塑料及建筑材料的辅助材料等。

问题：马来酸不是食品添加剂，前面了解过可用马来酸制苹果酸、琥珀酸等。美国和欧盟都核准马来酸为间接食品添加剂，可微量存在于富马酸或苹果酸等合法的食品添加剂中。那么马来酸究竟对人体有无危害？

［展示资料］目前研究表明，马来酸在人体内的急毒性很低，对人类不具生殖、基因毒性，亦无致癌性。据美国环保署（EPA）研究报告，敏感族群、婴儿和儿童也无须过度担心。根据欧盟对马来酸的评估结果：成人每千克体重每日耐受量为0.5 mg，以60千克成人计算，每日耐受量为30 mg。

问题：请同学们以某地食品安全检测结果“1 g粉圆含400 μg马来酸”计算，成人每天吃多少克这种粉圆（奶茶中的珍珠），会超出耐受量？

师：根据计算结果，同学们一定很想知道通常1杯奶茶加多少克粉圆吧？加30～50 g粉圆。所以，若每天喝1杯问题奶茶，人体是耐受的。万一不幸微量摄入，也无须恐慌。不过，从健康饮食的角度来看，还是要尽量控制摄入奶茶等食物。当然，食品中加马来酸本身是非法行为。

［师生活动］完善认识角度：用途（对社会、环境带来的正面作用）及影响（负面作用）。

师：未知会引起恐慌，但知识能帮助我们破解未知，掌握化学知识是应对和化解科学风险的重要手段。

设计意图：结合情境素材，围绕结构决定性质、性质决定用途的学科思想设置实验探究、信息提取、证据推理、评价反思等多个问题和活动。在活动过程中，学生的预设、推理和论证正是他们思维的外显过程，将这些说出来、写出来可完善认识角度、认识思路和推理路径，推动学生自主建构认识模型，从而增强元认知体验。其中，探究“马来酸使食物Q弹”原因的活动是学生对认识模型进行应用的初体验，可初步诊断、评价学生运用认识模型解决问题的意识和能力。

（三）真实的活动体验引发认识冲突

设置能够引发认识冲突的真实的实验、模型搭建、解决问题等体验活动，可使学生在元认知体验过程中，发现原有认识模型的不足，不断自主修正认识模型，实现认识模型应用与建构在引导学生不断学习、不断反思、不断进阶方面的功能价值。