中學化學教學中的“模型”

黃娟 吳軍

[摘? ?要]以原子模型演變的歷史為例，論述了建構模型是接近真理的有效方式;以元素周期表的發展史為例，論述了運用模型會推動化學學科不斷發展;通過具體例子介紹了模型思想在中學化學教學中的運用。

[關鍵詞]模型;功能;運用;中學化學

[中圖分類號]? ? G633.8? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）26-0069-03

我國中學理科課程一直非常重視對“模型”的應用。例如，《普通高中化學課程標準（實驗）》中有9處提到了“模型”一詞;《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出高中化學課程要以發展學生的核心素養為主旨，“證據推理與模型認知”被列為化學學科核心素養的要素之一，并且在內容標準中的“模型”多達28處[1];在教學建議中提到，利用模型提高教學質量和效率。雖然教師已經開始注重在教學中培養學生的模型認知素養，但不少教師對模型認知素養的認識不足，缺乏行之有效的教學策略。本文試圖以具體的例子說明模型的功能及其在教學中的運用。

一、模型的功能

1.建構模型是接近真理的有效方式

無論是近代科學探究還是現代科學探究，都表現為模型的建構，其目的是建立解決復雜問題的思維框架，或是架設起通向真理的橋梁。無數的歷史事件的發展過程證明，基于證據與推理可以促進事物變革更快地發生，利用模型揭示復雜對象的本質和規律的過程中，理論假說在模型建構、運用、修正的過程中不斷演進，讓人類的認識逐漸逼近真理。

以原子模型的演變為例[2-4]，就可以說明建構模型是接近真理的有效方式。從均勻分布的葡萄干面包模型到核式結構的行星模型，再到電子云模型，每一個模型的修正都是對前一個模型的揚棄?？茖W家經過近一個世紀的研究，通過原子模型的建構、運用、評價、修正，人類才實現了對原子原型的認知。通過建構原子模型從而將復雜的物質現象和過程進行抽象的概括和簡化，進而增進人們對其本質的理解和認識。原子結構模型的演變歷史與無數的歷史事件的發展過程都可證明：建構模型可以推動人類對自然界的認識不斷向前發展;模型在實踐運用中不斷修正和重構、發展和完善，使理論假說不斷演進，人類的認識逐漸逼近真理，如此人類才能在探索未知世界的道路上取得一個又一個偉大的成就。教師在教學過程中，根據學生的理解水平和教學內容建構化學模型，引導學生體驗科學模型建構過程的同時幫助學生理解物質現象和化學過程。

2.運用模型是化學發展的推動力

模型是科學解釋和科學預測的重要工具。建構模型是科學研究的重要方法，但科學研究的最終成果不是模型，而是運用模型建立一個具有解釋、預言和發現功能的邏輯體系，科學認識還需要在模型的基礎上進一步深化才能逼近真理。運用模型認知，化學家可以“看到”他們試圖研究的原型和過程，據此進行實驗設計和探究活動，進而支撐他們的邏輯推理和知識建構。

以元素周期表的應用為例，對于條件不成熟、不完備的19世紀來說是一項極其艱巨的任務。在不知道電子、不知道原子內部結構的漫長歲月里，整個19世紀對元素的研究只能猜這猜那，徘徊不前。1869年，門捷列夫建立第一個元素周期表。有了元素周期表這個模型之后，門捷列夫在研究元素時，利用周期表，科學、成功地猜測了11種未知元素，為它們在周期表中預留位置。如他認為在鋁下方有一個與鋁類似的元素“類鋁”，并預測了它的性質。1875年，法國化學家發現了這種元素，將它命名為鎵。鎵的性質與門捷列夫猜測的一樣。門捷列夫還預言了“隱鍺”的存在和性質，多年后獲得了證實[5]。此后，人們在元素周期表這個模型的指導下，對元素的性質進行了系統的研究，推動了化學學科的發展。不僅如此，元素周期律和周期表為新元素的發現及預測它們的原子結構和性質提供了線索。由于在周期表中位置靠近的元素性質相近，這樣就啟發了人們在周期表中一定的區域內尋找新的物質。周期表有助于人們對很多化學問題進行精準預言和成功解決，它與無數的歷史事件的發展過程證明了模型認知可以促進認知發展更快地發生。

二、模型在中學化學教學中的運用

化學科學模型是認識物質、改造物質和應用物質過程中所體現出的具有化學學科特征的具體或抽象的表征。在中學化學教學中運用模型促進學生化學學習，能夠有效促進學生的認識發展[6]，繼而促進學生化學學科核心素養的提高。

1.運用模型深化概念的理解

模型的形象化表征可以為理解抽象的概念提供幫助。建構模型時，可以使用語言、圖畫、圖表等工具進行表征，模型的形象化表征方式可以減少其所呈現的現象和過程的復雜性，讓抽象理論更易于被解釋和理解，而對化學概念的準確解讀有利于化學知識的順利傳承，有效的化學教學首先應是基于化學概念的教學。要使抽象的概念在學生頭腦中留下深刻的印象，就必須使其形象化、具體化，而運用模型深化概念的理解就是一種有效的途徑。

如教學質子守恒概念時，一般會聯立物料守恒式與電荷守恒式，消去與質子得失無關的離子得到質子守恒式[7-8]。上述方法中兩式聯立的處理過程較為煩瑣，只不過是書寫質子守恒式的一種技巧處理，與質子守恒概念聯系不大。學生對這種教學處理方式有如下疑惑：什么是質子守恒？這種解法看不出它與質子守恒有什么關聯，不利于學生理解質子守恒的概念。教學中教師沒有很好地詮釋質子守恒的概念，學生不易掌握，寫質子守恒式時容易出錯。

筆者基于學生的認知基礎，列出水、酸的電離反應式和鹽類的水解反應式，再根據“產物得質子總數=產物失質子總數”，建構如下質子守恒式的書寫模型。

例如，寫出a mol/L的Na2CO3和b mol/L的CH3COONa混合溶液的質子守恒式。列出水的電離反應式、CH3COO-離子的水解反應式、CO32-離子的水解反應式，具體如下：

該溶液的質子守恒式為：c（H+）+c（HCO[-3]）+2c（H2CO3）+c（CH3COOH）=c（OH-）

運用此模型需注意：列出水、酸的電離反應式和鹽類的水解反應式時，得質子產物與失質子產物分別寫在同一邊。由于該模型很好地詮釋了質子守恒的概念，應用上述等式關系及模型，可順利書寫質子守恒式。

2.運用模型形成解決問題的思維模式

堆砌知識不是能力，將知識組織成一個邏輯嚴密、判據清晰，達到最大范圍統一和自洽的知識體系，才稱得上能力。因此，需要及早地培養學生能夠邏輯嚴密、判據清晰地組織知識體系的能力。中學化學教學中，將解決問題的關鍵環節或步驟以簡明扼要的形式進行羅列，凸顯其條理性與可操作性，幫助學生形成解答問題的思路模型，規范解題模式，使本來復雜而難以掌握的問題變得有規律可循。運用模型解決問題會更方便、更有效率，更為關鍵的是可為學生建立終身學習的“長效機制”。

如書寫陌生氧化還原反應的離子方程式，在化工流程圖題與實驗探究題中頻頻出現，涉及的考點多且雜亂，?？家族e。有效的做法是建構一個解決問題的思維模式。例如，Na2S2O3還原性較強，在溶液中易被Cl2氧化成SO42-，因此，Na2S2O3常用作脫氧劑。該離子方程式的書寫程序為：

①利用信息寫出氧化劑、還原劑、氧化產物與還原產物。

S2O32-+Cl2——SO42-+Cl-

②利用電子轉移相等配平氧化劑、還原劑、氧化產物與還原產物。

S2O32-+4Cl2——2SO42-+8Cl-

③根據電荷守恒在方程式兩邊補充相應數目的H+或OH-。

S2O32-+4Cl2——2SO42-+8Cl-+10H+

④根據原子守恒配平方程式，如補充相應數目的H2O等。

S2O32-+4Cl2+5H2O=2SO42-+8Cl-+10H+

在練習中，如果書寫陌生氧化還原反應離子方程式的時候不按程序進行，而是毫無章法地去書寫將很困難，甚至不能完成。教師應引導學生將眾多的陌生氧化還原反應離子方程式書寫的分析思路與策略方法進行抽象概括，形成解決問題的程序與模型，真實體驗建模學習的重要性。

3.運用模型搭建思維階梯

中學化學學習中，有時并不是很深奧的知識也會讓學生知“難”而退，主要原因不是知識有多深、多難，而是缺乏引導學生思考的階梯。因此，教師設計教學時應結合學生的認知基礎，把握學生的接受能力，給學生搭建適當高度的思維階梯，促進學生把若干個小成功疊加成一個較大的成功，不斷地體會到通過自己的努力收獲成功的喜悅，從而提高學生的學習積極性，進而提高課堂教學的實效。

例題：一定溫度條件下，在一體積不變的密閉容器中投入1 mol N2O4，發生反應：N2O4（g） =2NO2（g），平衡時N2O4的含量為M%。 若再投入1 mol N2O4，反應達平衡時N2O4的含量為N%，則M%與N%的大小關系如何？

這道題的判斷結果不是大就是小，二選一，但學生經常無法求得正確答案。要得到本題答案并讓學生信服，必須建構模型為學生搭建思維階梯。

解析：直接比較題設的兩個平衡狀態 （平衡態Ⅰ、 Ⅱ） 確實難以下手。為此，可以建構一個參照模型即平衡態Ⅲ，它與平衡態Ⅰ等同或等效，增大壓強使平衡態Ⅲ體積縮小轉化為平衡態Ⅱ，分析過程如圖1所示。平衡態Ⅲ就是一個假定的參照模型，就是在平衡態Ⅰ與平衡態Ⅱ之間搭建的思維階梯。

運用模型是一種搭建思維階梯的有效方法。用淺顯、具體、生動的模型來代替抽象、難理解的原型，可使學生的學習處于一種熟悉的背景中，增加說服力，突出原型事物的特點，把原型事物刻畫得入木三分。運用模型搭建思維階梯的做法在教學中隨處可見，如電子式、球棍模型、比例模型等都是思考原型的階梯。只不過以前運用模型進行教學是無意識的行為;如今，化學學科核心素養中明確提到“模型認知”，需要我們有意識地去研究化學模型，掌握化學模型在教學中的運用方法，利用模型建構促進學生的化學學習和化學學科核心素養的發展。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 郭靜， 薛亮，任程，等.化學課程標準中的模型要求分析[J].化學教學，2018（8）：9-14.

[2]? 江玉安. 原子理論的發展：紀念道爾頓原子理論發表200周年[J]. 化學教學，2009（1）：55-57.

[3]? 周正祥，楊玉琴.指向“證據推理與模型認知”的教學設計：以“原子結構模型的演變”為例[J]. 化學教育，2018（23）：25-30.

[4]? 王祖浩.普通高中課程標準實驗教科書·化學（必修1）[M]. 5版. 南京：江蘇教育出版社，2009.

[5]? 宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書·化學（必修2）[M]. 3版. 北京：人民教育出版社，2007.

[6]? 張發新.利用模型建構促進學生化學學習[J].化學教學，2017（5）：24-28.

[7]? 曹旭琴.緩沖溶液中的離子平衡[J].化學教學，2009（10）：63-75.

[8]? 茆建軍.溶液中離子濃度大小比較的解題策略[J].化學教學，2010（6）：71-75.

（責任編輯 羅 艷）