基于“模型认知”素养的高中化学非金属单元教学设计
杨仁茂 李朝晖
非金属元素是高中化学的重要内容，《化学·必修》第二册第一章的具体学习内容包括硫、氮等非金属元素及其化合物的相关性质，硫酸、硝酸和氨的工业生产原理，重要的无机非金属材料等。本章安排在原子结构与元素周期律学习之后，应用已学知识，预测和推断元素及其化合物的性质，引导学生从物质类别和元素价态的视角，通过实验探究学习非金属及其化合物，加深对“结构决定性质”化学观念的理解，是学生学习元素化合物的有效的认知模型。
一、非金属元素学习的认知模型建构
《普通高中化学课程标准》（2017版）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”五个维度，并将“模型认知”的水平划分为如下四个层次。
水平1：能识别化学中常见的物质模型和化学反应原理的理论模型，能将化学事实和理论模型之间进行关联和合理匹配。
水平2：能理解、描述和表示化学中常见的认知模型，指出模型表示的具体含义，并运用理论模型解释或推测物质的组成、结构、性质与变化。
水平3：能认识物质及其变化的理论模型和研究对象之间的异同，能对模型和原型的关系进行评价，以改进模型;能说明模型使用的条件和适用范围。
水平4：能对复杂的化学问题情境中的关键要素进行分析以建构相应的模型，能选择不同模型综合解释或解决复杂的化学问题;能指出所建模型的局限性，探寻模型优化需要的证据。
《课程标准》对“模型认知”的认识水平是进阶发展的，从水平1到水平4分别对应的模型发展水平是：认识和初步建构模型、理解模型、运用模型建构和优化模型。
我们课题组建构的非金属元素学习的认知模型是：引导学生将化合价与物质类别通性两个角度联系起来研究物质性质，构建研究无机物性质的两个基本视角。应用“物质分类”和“氧化还原”核心概念，建立物质间的转化关系，建构基于“价—类二维元素观”的认识模型，并将这一模型贯穿于整个金属与非金属元素化合物的学习，彰显出核心知识的化学核心素养发展的价值。
二、非金属元素单元的整体教学设计
1.基于物质类别和转化关系建构认知模型的教学设计
从物质类别和化合价角度建立学习物质性质模型——以“硫和二氧化硫”为例。
建构基于转化关系认识物质性质的学习路径：建立以硫元素为核心的物质家族→建立以硫元素为核心的转化关系→应用转化关系分析实际问题→形成知识结构和认知模型。
教学环节一：学习硫的性质
问题与任务线索1：学习硫的物理性质;活动：观察硫、小结物理性质。认知发展目标：从物质的微观层面理解组成、结构、性质联系。
问题与任务线索2：学习硫的化学性质。活动：根据硫原子结构预测硫的性质、根据硫单质的化合价预测硫能与哪些物质反应。认知发展目标：建立从化合价角度分析物质化学性质的模型。
教学环节二：学习二氧化硫的性质
问题与任务线索1：了解二氧化硫的物理性质。活动：（1）根据生活中对SO2的了解，总结SO2的物理性质;（2）观察SO2溶于水的实验，了解SO2的溶解性，测其水溶液的pH值了解其酸性。认知发展目标：宏观角度认识SO2，初步体会SO2的酸性。
问题与任务线索2：学习二氧化硫的化学性质。活动：（1）从物质类别的角度分析二氧化硫;（2）从化合价的角度分析二氧化硫的性质。认知发展目标：建立从物质类别和化合价两个角度分析物质性质的模型，深度学习和体会氧化还原反应在认识物质性质方面的功能价值。
问题与任务线索3：学习SO2的特性——漂白性。活动：（1）观察SO2使品红褪色的实验;（2）了解SO2的漂白性在生产生活中的用途。认知发展目标：应用知识解决实际问题。
教学环节三：辩证角度分析SO2的“功与过”
问题与任务线索：通过了解SO2的污染和用途辩证地认识SO2。活动：（1）了解SO2在硫酸型酸雨形成过程中的变化;（2）了解SO2在工业中的重要用途。认知发展目标：建立化学学习中的辩证认知思维模型，正确地认识化学物质带来的利与弊。
2.基于真实情境和实际问题建构认知模型的教学设计
基于元素及其化合物的真实情境，结合并解决实际问题构建认识模型——以“氮、氨和铵盐”为例。
准确把握“素养”“情境”“问题”和“知识”四个要素在知识学习中的定位与相互联系，建构综合整体性和元素应用性相结合的学习路径：初步建立以氮元素为核心的认识框架→通过实际情境和问题分析、深化、发展认识框架→应用认识框架解决问题，形成知识结构和认知模型。
教学环节一：从自然界氮的循环了解常见的物质
问题与任务线索：对含氮物质分类，画图。活动：（1）找出含氮物质，并从两个角度分类;（2）写价—类二维图;（3）将可转化的物质用箭头连接。认知发展目标：巩固分析物质性质及转化的模型，从物质类别及元素价态两个角度分析。
教学环节二：氮的固定
问题与任务线索：了解氮的固定，找出氮循环图中人工固氮的实例。活动：（1）N2→NH3所需还原剂有何要求？（2）阅读“科学史话·合成氨”。认知发展目标：初步构建转化中元素守恒的观念，培养获取并加工信息的能力。
教学环节三：氨和铵盐
问题与任务线索1：认识氨气溶于水。活动：观察喷泉实验，分析形成喷泉的原因，体现了氨气什么性质。认知发展目标：通过观察宏观现象，分析微观本质，提高准确描述实验现象并根据现象分析得出结论的能力。
问题与任务线索2：学习氨气与酸反应。活动：了解转化路径NH3→NH3·H2O→NH4+。认知发展目标：初步构建优化轉化路径的观念，了解路径优化的原则。
问题与任务线索3：思考如何使用氨态氮肥。活动：了解铵盐分解，分析保存方法。认知发展目标：学习不同价态含氮物质间的转化。
教学环节四：含氮物质的转化
问题与任务线索：学习不同价态含氮物质间的转化，运用价类二维图标出相关转化。活动：（1）在“价—类二维图”中标出N2→NO→NO2→HNO3转化;（2）标出每一步转换所需的物质。认知发展目标：熟练掌握基于元素化合价和物质类别通性研究物质性质和转化的认识模型。
在非金属元素学习中，《化学·必修》第一册以氯的性质探究为载体，展示研究物质性质的基本方法和程序，衔接初中化学课程学习的探究过程和方法。《化学·必修》第二册中硫的转化，提出“探究不同价态硫元素之间相互转化”的思路，引导学生运用“价—类二维元素观”认识模型研究物质转化。氮循环学习中，完成基于元素化合价和物质类别通性研究物质的性质和转化的单元素认识模型的系统构建和内化，进而综合多角度分析和探讨氮循环中物质的性质及转化，再进阶到基于“位—构—性”和跨元素相似性和递变性比较。
总之，学科核心素养的实质是学生学习知识和分析问题的视角、思路和方法的形成。学生的“模型认知”素养只有在学习过程和实际应用中建构才能逐步内化和系统化，逐渐熟练化和自动化，学生的化学学科核心素养才能逐步形成并得以提高。
【本文系山西省教育科学“十三五”规划课题《基于中学化学学科核心素养的学生认知发展水平研究》（GH-18303）的研究成果）。】
（作者单位：山西省太原市第四十八中学校/太原市第十五中学校）
（责任编辑 晓寒）
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