模型认知：知识模型与认识模型.docx

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模型认知：知识模型与认识模型摘要：以NH3、N2H4和NxHy等物质为载体，融入NH3的空间结构、物理性质、化学性质（弱碱性、氧化性、还原性）及制备方法等学科知识，建立氮氢化合物内容的知识模型。从NH3→N2H4→NxHy，以熟悉物质的结构和性质关系为原型，类比、预测、求证N2H4的知识，迁移NxHy的认识，建立“原型类比（模仿与创新）求证”的氮氢化合物认识模型，加深与巩固“结构决定性质”的学科思想。一般复习课具有三重层次：第一层次是知识的罗列与再现；第二层次是以情境设计主线，将复习内容有机整合；第三层次则是既对所学知识进行重整、联前启后，更是将学科内看似“独立”的内容从内在本质上进行联系与整合，是一次综合再提升的过程［1］。对于氮氢化合物的复习，往往是说到氨气就是其结构、性质、制备和用途的再现，谈到N2H4主要是关于键能与热化学方程式的书写。仅停留在此层次的复习是远远不够的，在此以“氮氢化合物”单元复习为例，从知识模型与认识模型阐释“模型认知”学科核心素养的培育。1对知识模型与认识模型的理解《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对模型认知的表述为：知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象和本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律［2］。“模型认知”是化学学科核心素养，究竟什么是模型？高中化学的学习模型包括哪些内容？带着这样的思考研读了陈进前老师［3］的文章及专家学者们的说法。笔者认为，在教学过程中首先要认识和辨清化学知识模型（学科内容、学科本质）和认识模型（研究方法、认识方式）的区别和关联。化学知识模型是指从化学视角认识和描述物质结构和性质、概念和原理。例如，对于原子，不仅要知道可以通过得失电子形成离子，或者通过化学键形成分子或物质，在化学变化中探讨原子的重新组合；还需要弄清楚科学规则下的概念、内涵和外延，同样是对原子的认识，原子包括原子核和电子，原子核带正电荷与电子带负电荷且正负电荷数相等，其质量主要集中在原子核，原子是一个空心体，电子在一定的轨道上绕着原子核飞速运动等。而认识模型是指研究方法、研究策略与研究设计。对于原子，一是研究其质量、构成、变化、计量（相对原子质量、物质的量）；二是通过重走科学家的认识与研究路线体验“假设实证结论”的反复实践与修正过程，建立自己的认识；三是通过类比宏观运动理解原子结构，通过电性作用认识原子间组合的原因与定比关系。知识模型是认知的对象，基于某核心知识的相关内容结构化，建立知识体系。认识模型是怎样获取知识、理解知识内涵与外延、构建知识体系的认知思维方式。知识模型是对象，认识模型则是工具。2从课程标准中厘清氮氢化合物的知识模型 高中化学研究“氮氢化合物”的哪些内容？课堂教学需要学生学习的具体内容是什么？这些内容之间有怎样的内在联系？带着这些问题分析“氮氢化合物”的知识，构建其结构化的知识模型。氮是第2周期第ⅤA族元素，在化学反应中通常可以得到3个电子（或形成3个共用电子对）达到8电子稳定结构；氮原子之间通过σ键和π键结合，多个N原子有一定的位置关系（共价键的方向性）；氮原子通过共用电子对与氢原子结合，基于氮氢原子电负性差异，知道氮具有较强的还原性，氢具有氧化性。下面以最简单的氮氢化合物NH3为例，列举与构建“氮氢化合物”的知识模型。NH3分子结构特征、微粒间的作用力、性质、用途、制备与保存等化学知识，还要认识上述知识间的内在关系，如结构与性质、性质与用途、性质与保存之间的关系等。（1）氨气分子是四面体结构（三角锥形），结合一个质子（氨气分子有孤电子对）形成的NH+4是正四面体结构；（2）氨气具有氧化性与还原性；（3）氨气易液化，极易溶于水；（4）氨气的工业制法和实验室制法；（5）氨气可以用作氮肥与制冷剂；（6）N2H4也具有与NH3类似的性质；（7）多氮氢化物（NxHy）也具有与N2H4、NH3相似的性质。它们之间存在下述关系，见图1。为什么NH3不是平面（正）三角形？这就与微粒间作用力有关，因为氨分子中存在3个共用电子对和1个孤电子对，4个电子对之间存在电性排斥致电子对相距尽可能远（不能脱离氮原子核），孤电子对与键合电子对排斥力大于键合电子对之间的排斥力，所以呈现三角锥形，再接受1个质子，通过4个键合电子对形成NH+4，此时各个电子对之间作用力相同，形成正四面体。而看似相似的BF3，硼原子与氟原子只形成3个共用电子对，没有孤电子对排斥，所以是平面（正）三角形。为什么NH3分子可以形成配位键？因为NH3分子中的氮原子有孤电子对，能够吸引质子（H+，有一个空轨道），形成由氮原子提供1对电子的特殊共价键，称为配位键。由于NH3中有孤电子对，能够接受质子而呈碱性。为什么NH3分子极易溶于水和易液化？由于NH3分子中氮氢之间共用电子对偏向氮原子（电负性强），导致H原子因电子对偏离而成为裸露的质子，有强正电性，遇到有孤电子对且非金属性强的原子（N、O、F）时会形成一种较强的电性作用——氢键。NH3分子之间因氢键缔合，易液化；NH3与H2O分子间形成氢键，则水溶性好。为什么NH3有还原性和氧化性？NH3分子中氮元素显3价，可以发生氧化反应（外界氧化剂作用）生成含氮物质，如N2、NO等。NH3分子中H显+1价，可以发生还原反应，如与活泼金属反应生成H2，并且由于NH3分子中H原子相同，所以均可以被还原，根据活泼金属与NH3的定量关系可生成NH-2、NH2-、N3-等微粒。 怎样可以得到氨气？可以由铵盐（含有NH+4）与能结合质子的微粒作用，使其失去质子产生NH3，也可以由N2和H2化合产生NH3，或者由浓氨水分解产生NH3。选用哪一种制备方法，与原料、设备、用量及成本有关。依据NH3的知识模型，推测N2H4和NxHy的结构与性质，笔者在教学实践中与学生一起探讨N2H4和NxHy的结构与性质，评估学生知识的理解与迁移运用能力，构建NxHy结构与性质的认识模型。3构建氮氢化合物的认识模型怎样构建“氮氢化合物”认识模型？元素化合物学习中统摄性大概念是“结构决定性质”，重要的方法是类比（模仿与创新），模仿是近迁移，创新是远迁移。通过NH3的复习，类推到对N2H4的知识理解，形成类推中“结构决定性质”观念的实践，进一步迁移认识NxHy化合物。构建结构到性质的认识模型，如图2所示。3.1構建配位键“空轨道孤电子对”认识模型怎样认识氮氢化合物中氮原子与H+形成配位键与配合物？是不是所有的氮氢化合物都可以与H+形成特殊的共价键（配位键）呢？答案是肯定的，因为氮原子有孤电子对，而H+存在空轨道，也就是说NH3、N2H4、NxHy都可以与H+形成配位键，在知识学习过程中形成思维程序，获得研究方法。延伸有孤电子对的微粒与有空轨道的H+可以形成这类配位键，所以H2O、H2O2、H2S等也都可以形成配位键。如果能够根据学生学习能力适时地提一下NH3分子中的孤电子对不仅能与H+形成配位键，也可以与一些金属阳离子形成配位键（金属阳离子提供空轨道，配体提供孤电子对），由此联想到［Ag（NH3）2］+、［Cu（NH3）4］2+等，再让学生解释［Cu（H2O）4］2+、［CuCl4］2-、［Al（OH）4］-、［Fe（SCN）6］3-等。新课学习时这些络合离子都是独立无关联的（称为碎片化的知识），通过复习教学建立关联（结构化知识），这就是络合离子（有空轨道的金属阳离子与含有孤电子对的微粒通过配位键结合）的联系与结构化的认识，构建配位键形成的认识模型，如图3所示。3.2构建物质“结构微粒间作用价态”认识模型第一，怎样认识氮氢化合物的空间结构与碱性？氮氢原子间通过共用电子对形成独立的NH3，再通过分子间作用力聚集在一起，由于3个键合电子对及孤电子对之间存在较强的作用力，电子对之间位置尽可能远，所以是四面体结构（三角锥形）。由于NH3分子中的N原子还具有孤电子对，所以可以接受一个H+形成NH+4后的4个键合电子完全相同，所以NH+4是正四面体结构。学生顺着这样的思路分析N2H4成键情况和孤对电子，发现两个N原子上均存在孤电子对，所以都可以接受质子，也具有碱性，写出其在水中的电离方程式，自然而然地关注N2H4的一级电离和二级电离，提供电离平衡常数，比较判断N2H4的碱性与氨的强弱？有了NH3、N2H4的认识，模仿烷烃学生写出了N3H5、N4H6…NxHx+2，课堂教学中有学生写出HNNH、HNN—NH2、 NN（就是单质N2）等，从类比烷、烯到炔，这就是教学的生成。同时笔者又提出P、Si等元素是否也存在这样类似的氢化物，这是人类继打开无机物到有机物这扇窗之后，又可能打开的另一扇“类有机物”的大门。第二，怎样认识含氮氢化合物之间是否存在氢键？因为氮的电负性比较强，所以氮氢键中共用电子对偏向氮原子明显，导致氢原子如同裸露的质子（H+，有很强的正电性），又会与电负性很强且有孤对电子的原子（N、O、F）之间形成氢键，这就是氢键的学科本质。由于氢键的作用，NH3、N2H4、NxHy等与H2O缔合，可能导致溶解性增强，也可能形成水合物等。NH3与H2O分子间形成氢键，不仅水溶性增大，还会增加了H2O的电离，使得溶液呈碱性，NH3+H2ONH3·H2ONH+4+OH-，推测NH3分子之间的氢键是否也会导致NH3分子电离，如NH3+NH3NH+4+NH-2，通过电离常数比较，得出NH3自耦电离和NH3在H2O中电离能力强弱，了解NH3的自耦电离（不需要讲这些概念与理论），同理N2H4、NxHy也会有自耦电离，教师提供电离平衡常数，学生通过比较分析，得出结论，获得成就感，结构化认识物质结构与性质，留有延伸性的思考，这就是复习教学的价值。第三，怎样认识NH3和NxHy的氧化性与还原性？从化合价（电性）角度来分析氮氢元素的化合价，氮是-3价，氢是+1价，NH3既有还原性又有氧化性，帮助学生学会从元素化合价视角认识物质可能的氧化性或还原性，再通过实验进行实证，与自己的预测进行一致性分析，建立从化合价分析物质氧化性与还原性的认识模型，如图4所示。引导学生预测NH3与活泼金属Na、金属氧化物CuO等反应可能的产物并写出相应的化学方程式，以此类推N2H4、NxHy与上述物质反应可能的产物分析，实践并巩固“结构决定性质”的学科思想。通过物质的微观结构、微粒间作用、价态等视角预测可能的性质，并进行分析论证，拓展延伸未知物结构与性质预测，构建基于“结构微粒间作用价态”物质性质的认识模型。3.3构建“价态（类别）升降（酸碱）”物质制备认识模型怎样认识NH3的制取方法？如果仅是让学生说出和书写实验室用“铵盐与熟石灰”反应制取氨气，工业上用“N2+H2”反应制取氨气，这就没有复习教学的意义，纯粹是知识的再现过程。复习教学更重要的是帮助学生建立NH3制取方法的认识模型，如图5所示。复习教学实践中，第一步让学生写出自己熟悉的含氮物质；第二步标出氮元素化合价，并与目标产物（NH3）中氮元素化合价比较；第三步高价态的怎样降低；第四步同价态的怎样转化；第五步分析为什么工业制取与实验室少量制取的差异，学生分析可能的原因。从而实现物质制备方案设计与优化的认识模型构建。4启示4.1知识结构化过程中的认知思维构建 复习课的教学起点是已有的知识与能力，目标是可能的知识增长点和思维发展空间。NH3的复习内容，从N原子结构、化合价的角度解释其性质及发生变化的原因，这是原有知识结构化的过程，由此类比预测N2H4可能具有的性质，并用事实证据、实验证据和理论证据进行求证，建立起从原子结构与主要化合价视角认识物质的思维模型，迁移学习与认识其他NxHy化合物，打开思维的天窗［4］，提出“类有机物”的含氮化合物认识的创新性思考，从而实现用认识模型迁移推理未知的世界（物质与原理），促进知识与认识的发展。4.2多元视角任务设计中的认知进阶NH3的结构与性质学习中基于孤电子对、电负性和元素化合价与熟悉的性质进行联系与反刍，建立结构与性质的对应关系。从NH3→N2H4→NxHy，N原子都存在孤电子对，所以都能与金属阳离子（含有空轨道）形成相应的络合离子，而且还可以进一步推理到金属阳离子（含有空轨道）与其他有孤电子对的微粒（分子、离子）通过配位键进行络合，开启络合（配位）认识的认知进阶。从NH3→N2H4→NxHy，NH3分子中N显-3价（最低价），H显+1价（最高价），则分别体现了还原性（可以将氧化性物质如Cl2、CuO等还原）和氧化性（将活泼金属Na、Li等氧化）。据此分析N2H4、NxHy中N、H元素化合价，推理同样具有的化学性质，实现基于元素价态分析氧化性与还原性的认知进阶。参考文献：