化學(xué)中的模型及其教學(xué)啟示

摘要:模型方法作為一種重要的科學(xué)方法，在化學(xué)學(xué)科和化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用極其廣泛。本文借助具體化學(xué)實(shí)例簡要探討了模型方法的含義及分類。指出模型與原型的主要區(qū)別與聯(lián)系，并針對模型的使用提出了建議。

關(guān)鍵詞:模型方法;模型;原型;化學(xué)教學(xué)

文章編號:1008-0546(2010)04-0002-05中圖分類號:G632.0文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10319/j.issn.1008-0546.2010.04.001

模型方法是一種重要的科學(xué)操作與科學(xué)思維方法，是科學(xué)研究必不可少的工具。化學(xué)發(fā)展史上很多突破性的成果就得益于模型方法的運(yùn)用，如玻爾根據(jù)盧瑟福的原子行星模型創(chuàng)立了量子理論，圓滿地解釋了原子光譜;范霍夫提出了碳的正四面體假說模型，解釋了分子的旋光異構(gòu)現(xiàn)象，標(biāo)志著立體化學(xué)的誕生……。在化學(xué)教與學(xué)中，模型方法也有著廣泛的應(yīng)用。作為一種科學(xué)方法，模型法是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度的主要依托，是促進(jìn)學(xué)生科學(xué)世界觀的建立、提高科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑;作為學(xué)習(xí)的重要工具，模型法可以幫助學(xué)生理解和掌握一些抽象的概念、理論或現(xiàn)象，對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高理解水平、培養(yǎng)創(chuàng)新能力等大有幫助。因此，充分認(rèn)識和掌握模型方法對化學(xué)教學(xué)有著重要的意義。

一、模型

“模型”一詞“Model”來源于拉丁文的“Modulus”，意思是尺度、樣本、標(biāo)準(zhǔn)。模型是表征某一事物或事物間關(guān)系的人造模擬物，是對原型的一種簡化描述，這種描述可以是定性的(如對原子結(jié)構(gòu)的描述)，也可以是定量的(如pV= nRT)。模型體現(xiàn)了原型的特征、變化規(guī)律及其本質(zhì)，運(yùn)用模型可以描述某些研究對象，解釋一些現(xiàn)象和規(guī)律，還可以預(yù)測可能的結(jié)果，形成科學(xué)的預(yù)見。

模型的種類繁多，按照不同的標(biāo)準(zhǔn)，不同的人有不同的分法。但在化學(xué)學(xué)科和化學(xué)教學(xué)中，一般來說可分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類。

物質(zhì)模型是用物質(zhì)實(shí)體仿照原型而復(fù)制的物件。如分子的比例和球棍模型、晶體的緊密堆積模型、原子軌道模型、合成氨和高爐煉鐵等的流程模型、吸收塔和熱交換器等生產(chǎn)設(shè)備模型。物質(zhì)模型生動直觀，學(xué)生不僅能夠看到、觸摸到，甚至還可以親自動手做(如用泡沫塑料、牙簽組裝分子結(jié)構(gòu))，這不僅能加深學(xué)生對知識的理解，還能有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手操作能力。

思想模型是客觀事物在人的頭腦中的抽象反映形式。有時(shí)還把思想模型看作是“概念”、“假說”或“理論”的同義語。思想模型可以用文字表述、符號、圖解、圖表、圖畫、示意圖等形式體現(xiàn)出來，如電子式、化學(xué)方程式、碰撞理論、化學(xué)平衡曲線圖、pV=nRT等。思想模型簡明、扼要，能夠集中反映事物的主要方面，使人們對具體事物的復(fù)雜聯(lián)系或本質(zhì)屬性有更深刻的理解和認(rèn)識。

從化學(xué)教材中可以看出，模型在化學(xué)中的應(yīng)用處處可見。模型的使用有力地促進(jìn)了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。實(shí)際上，一些模型如元素符號、分子式、化學(xué)方程式等由于被頻繁地使用而成為化學(xué)和科學(xué)語言的一部分?？梢哉f，化學(xué)教學(xué)很大程度上就是化學(xué)模型的教學(xué)，其目的就是使學(xué)習(xí)者掌握種種模型，知道每一個(gè)模型在現(xiàn)實(shí)中的“原型”是什么，是在什么條件下做了怎樣的理想化而建立起來的，具有什么特征和規(guī)律等。

二、模型與原型

模型是原型的“簡化描述”，原型是模型的“真實(shí)面目”，了解模型與原型之間的關(guān)系對正確地認(rèn)識和使用模型具有重要的作用。為此，筆者總結(jié)了以下幾點(diǎn):

1. 模型與原型是相互依賴的。

理解原型。

一方面，模型的建立是以原型為依據(jù)的，人們在研究原型的基礎(chǔ)上，利用假說、近似、簡化、類比等手段來建立模型。模型是對客觀“原型”的提煉與發(fā)展，一個(gè)模型的“好壞”與對原型的認(rèn)識理解程度有直接的關(guān)系。如原子結(jié)構(gòu)模型經(jīng)歷了:道爾頓原子模型→湯姆生原子模型→盧瑟福原子模型→玻爾原子模型→電子云模型的發(fā)展演變過程。具體如圖1所示:

另一方面，原型需要借助模型才能被人們認(rèn)識。由于原型具有抽象性和不可觀測性(如原型在空間和時(shí)間上太小、太大、太快、太久、太遙遠(yuǎn)或是太復(fù)雜)，人們通常運(yùn)用模型來幫助研究或理解原型。例如分子的結(jié)構(gòu)，由于它處于微觀層面，看不見、摸不著，很難想象，為此，人們借助于分子式、電子式或球棍模型將分子的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來，或利用動畫模型將這些微觀世界的物質(zhì)以宏觀的形式展現(xiàn)出來，供人們認(rèn)識和了解。

2. 由于模型是對研究對象的一種簡化描述，所以，大多數(shù)模型與原型之間是以一定的相似性為基礎(chǔ)的。這種相似性可能是表面的、次要的、偶然的，也可能是主要的、本質(zhì)的、必然的。如下圖2和圖3都是氯氣分子(Cl2)的形成過程模型，圖2是表面的相似，只說明氯氣分子是由兩個(gè)氯原子形成的，而圖3則是本質(zhì)的相似，它用原子軌道闡述了氯氣分子的形成過程，展示了氯氣分子形成的本質(zhì)是原子軌道即電子云的重疊。

需要指出的是，筆者認(rèn)為，并不是所有的模型與原型之間都具有一定的相似性。如元素符號，它并沒有相應(yīng)的原型，而是人們自己創(chuàng)造的，它的涵義是人們約定的。在古代，由于沒有統(tǒng)一的化學(xué)符號，人們對物質(zhì)的表示五花八門，如用幾何圖形、圖畫、圓圈等來表示元素和化合物。后來，瑞典化學(xué)家貝采里烏斯對化學(xué)符號進(jìn)行了整理，提出將元素拉丁文名稱的起首大寫字母作為該元素的符號，如果幾種元素的拉丁文名稱起首字母相同，則要加上另外一個(gè)小寫字母以示區(qū)別，如K(Kalium)、Na(Natrium)、Hg(Hydrargyrum)、Cu(Cuprum)。這種符號表示方法簡單容易，一目了然，得到了化學(xué)家們的一致認(rèn)可和采納。經(jīng)過不斷的發(fā)展完善，這種元素符號模型已經(jīng)成為一種世界性的化學(xué)語言，一直沿用到現(xiàn)在。

3. 模型是原型的復(fù)制品或樣本，或是與原型具有一定相似性的系統(tǒng)，但模型并不是原型的完全復(fù)制，模型與原型都有各自的自有屬性和共有屬性。如圖4所示的乙醇分子的球棍模型，與原型相比，雖然它們都有相同的原子、空間排布，但球棍模型宏觀可見，材料、顏色可變，而實(shí)際的乙醇分子卻是微觀不可見的。另外，球棍模型中不同原子的大小并不真實(shí)代表乙醇分子中各原子的大小，原子之間的棍也不能代表分子中真實(shí)的鍵長，并且棍在乙醇分子中也并不是真實(shí)地存在著的。

4. 模型是研究者或教師為了闡述或解釋某種事物或現(xiàn)象而建立的，它往往反映的是原型的某一個(gè)或某幾個(gè)重要方面。因此，模型往往并不能包含原型的所有必要成分。如圖5所示的思想模型，此模型只反映了鋁及其化合物之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，至于各物質(zhì)之間如何轉(zhuǎn)化，發(fā)生什么樣的反應(yīng)，需要什么樣的反應(yīng)條件等卻沒有指出，這就需要教師在使用此模型的時(shí)候進(jìn)行必要的補(bǔ)充說明，這樣才能充分發(fā)揮此模型的作用。又如圖6和圖7兩個(gè)模型，盡管兩個(gè)模型都是人們用來描述化學(xué)平衡的，但圖6主要描述的是化學(xué)平衡的動態(tài)特征，而圖7則主要突出的是化學(xué)反應(yīng)的正逆反應(yīng)情況。

5. 模型是對原型的一種簡化或理想化的描述，模型總歸是模型，模型并不能代替或取代原型，而只能無限地接近原型。一方面，為了研究的需要，原型的某些方面在模型化時(shí)會被排除，以此來突出研究者的特定目的。如圖8所示的元素周期表模型，與原周期表相比，研究者用另一種形式展示了元素周期系的周期發(fā)展，但沒有過多關(guān)注每一族元素組成的變化，也沒有關(guān)注主族與副族區(qū)域的改變。為了更生動形象地說明問題，研究者甚至刪除了所有的元素符號和元素的排列順序，只用螺殼上的螺旋紋路來描述元素周期系的周期發(fā)展情況。另一方面，我們每一個(gè)人以至每一代人，由于受到客觀事物及其本質(zhì)暴露的程度、社會歷史的實(shí)踐水平、主觀的條件等各方面因素的限制，思維又是非至上的(即具有有限的和相對的性質(zhì))，這就決定了我們對原型的把握是一個(gè)逐步發(fā)展的過程。在當(dāng)時(shí)的社會背景下，模型只能夠反映原型的有限方面或只能對模型進(jìn)行模糊淺顯的描述，但隨著社會的進(jìn)步、人們認(rèn)識水平和社會科學(xué)技術(shù)水平的提高，模型會越來越接近原型。共價(jià)鍵模型的發(fā)展就很好地說明了這一點(diǎn)。19世紀(jì)上半葉，化學(xué)家們對共價(jià)鍵的本質(zhì)毫無所知，但當(dāng)時(shí)化學(xué)科學(xué)研究所取得的一系列成果，如化合價(jià)概念的提出、苯的環(huán)狀結(jié)構(gòu)的確定、碳的四面體構(gòu)型的確立、絡(luò)合物配位理論的提出等等，為共價(jià)鍵理論的提出奠定了基礎(chǔ)。1916年美國化學(xué)家路易斯在前人研究的基礎(chǔ)上提出了“共用電子對”概念，用小圓點(diǎn)表示電子，用短線表示電子對或共價(jià)鍵，并用圖解表示分子的形成，這就是共價(jià)鍵的最初模型(如圖9所示)。利用路易斯模型，人們能夠表征共價(jià)鍵的形成，但此模型將電子看作是靜止不動的負(fù)電荷，具有一定的局限性，無法說明電子配對的原因和實(shí)質(zhì)，并沒有揭示共價(jià)鍵的本質(zhì)，即離共價(jià)鍵“原型”還有一定的距離。隨著人們對共價(jià)鍵認(rèn)識的深入，20世紀(jì)20年代中期，化學(xué)家們根據(jù)量子力學(xué)原理提出了價(jià)鍵理論，認(rèn)為共價(jià)鍵產(chǎn)生的本質(zhì)是原子軌道即電子云的重疊，由此產(chǎn)生了共價(jià)鍵的電子云模型(如圖10所示)。電子云模型雖離共價(jià)鍵“原型”近了一步，但由于價(jià)鍵理論著眼于成鍵原子間最外層軌道中未成對的電子在形成化學(xué)鍵時(shí)的貢獻(xiàn)，而沒有考慮成鍵原子的內(nèi)層電子在成鍵時(shí)的貢獻(xiàn)，所以電子云模型也只是部分地反映了原型。1932年，化學(xué)家們又提出了一種新的共價(jià)鍵理論——分子軌道理論，建立了共價(jià)鍵的分子軌道模型(如圖11所示)，從更深的層次揭示了共價(jià)鍵的成鍵本質(zhì)，但這也只能說明化學(xué)家們對共價(jià)鍵“原型”的認(rèn)識越來越深入了，建立的模型越來越接近“原型”了。隨著時(shí)間的推移，必將有根據(jù)更完善的理論建立的更好的模型來體現(xiàn)共價(jià)鍵“原型”。

三、教學(xué)啟示

模型和原型之間的關(guān)系，決定了模型方法并非是完美無缺的。在實(shí)際教學(xué)過程中，教師既要關(guān)注模型的優(yōu)點(diǎn)，善于利用模型對學(xué)習(xí)的指導(dǎo)啟發(fā)作用，促進(jìn)學(xué)生對概念、理論或現(xiàn)象的理解，又要注意模型與原型的差異，認(rèn)識模型的缺陷，防止受到模型的束縛。為此，筆者認(rèn)為可以從以下幾點(diǎn)入手:

1. 確認(rèn)模型與原型的共有屬性和自有屬性，充分解釋模型與原型的相似性和差異性。

表面相似的模型能夠使學(xué)生很容易地掌握所要學(xué)習(xí)的知識，但是這種相似性并非總是顯露于學(xué)習(xí)者面前的。學(xué)習(xí)者可能會錯(cuò)誤地或過度地?cái)U(kuò)大或簡化這種相似性，混淆模型與原型的共有和自有屬性，從而造成對概念、原理或現(xiàn)象的錯(cuò)誤理解，產(chǎn)生新的相異構(gòu)想。上述乙醇分子的球棍模型，如果不詳細(xì)解釋，學(xué)生很可能就認(rèn)為分子是有顏色的;分子中原子的大小、鍵長與模型中的一樣;原子也是像模型一樣依靠一個(gè)個(gè)“棍”連接在一起的。又如人們在教學(xué)中所使用的有實(shí)際邊界輪廓的球形或紡錘形“電子云”模型，雖然它代表的是電子在核外空間出現(xiàn)的概率密度較大的區(qū)域，但它不能展示電子的動態(tài)特征，也不能顯示電子在離核遠(yuǎn)近不同的區(qū)域概率密度的大小。另外，由于“電子云”模型具有實(shí)際的邊界輪廓，如果教師不進(jìn)行充分解釋，學(xué)生會認(rèn)為電子就是在模型所確定的空間區(qū)域內(nèi)運(yùn)動。

2. 盡量使用多重模型而不是單一模型來解釋同一概念。

許多科學(xué)概念或現(xiàn)象都需要依靠多重模型來描述和解釋，現(xiàn)象越抽象或越不可觀察就越需要多重模型。與單一模型相比，多重模型的使用更能促進(jìn)學(xué)生對概念、理論或現(xiàn)象的理解。在下面所示的幾個(gè)化學(xué)平衡模型中:

第一個(gè)曲線圖模型(圖12)突出了正逆反應(yīng)速率隨時(shí)間的變化情況，第二個(gè)曲線圖模型(圖13)突出了各平衡體系組分(或某一成分)的濃度在反應(yīng)過程中的變化情況，而第三個(gè)類比模型(圖14)則利用彈簧的伸縮以及小球的運(yùn)動將反應(yīng)速率的變化以及反應(yīng)的動態(tài)特征呈現(xiàn)在學(xué)生面前。這三個(gè)模型從不同的方面體現(xiàn)了化學(xué)平衡的特征，不僅彌補(bǔ)了單一模型的缺陷，還在一定程度上減少了錯(cuò)誤概念的產(chǎn)生。圖14中，當(dāng)小球受力達(dá)到平衡位置時(shí)，小球可能會處于靜止?fàn)顟B(tài)，這就容易使學(xué)生產(chǎn)生“平衡時(shí)正逆反應(yīng)速率均為零”的錯(cuò)誤概念，如果教師再運(yùn)用圖12的模型進(jìn)行補(bǔ)充，就可以有效地促進(jìn)學(xué)生的錯(cuò)誤概念的轉(zhuǎn)變。

3. 鼓勵(lì)學(xué)生建構(gòu)自己的模型，并及時(shí)給出評論。

在化學(xué)教學(xué)過程中使用的大多數(shù)模型是由科學(xué)家設(shè)計(jì)或教師自發(fā)產(chǎn)生的。實(shí)際上，許多學(xué)生在學(xué)習(xí)某個(gè)概念或觀念時(shí)也會建立自己獨(dú)特的模型。如在學(xué)習(xí)共價(jià)鍵時(shí)，部分學(xué)生用拔河比賽來解釋:兩個(gè)人在寒冷的天氣里進(jìn)行比賽，競爭系在繩子中間的電爐以獲得溫暖。強(qiáng)者將會使電爐離他近些，但也要有一定的極限距離，太近則會感覺過熱甚至?xí)浑姞t燒傷。對積木感興趣的同學(xué)會建立積木模型，而音樂方面稍有天賦的同學(xué)則會建立樂譜模型(如圖15和圖16所示)。

由于學(xué)生建立的模型有很大差異，教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生產(chǎn)生自己的模型，評價(jià)模型的優(yōu)缺點(diǎn)并將自己的模型與科學(xué)家的模型進(jìn)行比較并找出異同點(diǎn)，這樣做不僅能增進(jìn)教師對學(xué)習(xí)者的相關(guān)概念框架(即內(nèi)部知識結(jié)構(gòu))的了解，還能提高學(xué)生對模型的鑒賞力和理解水平，促進(jìn)學(xué)生的概念發(fā)展。

4. 教授學(xué)生建模的技巧，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力。

化學(xué)建模就是化學(xué)模型建立的過程。建模是一個(gè)復(fù)雜的過程，包括問題的確認(rèn)、模型的選擇、模型的建構(gòu)、模型的確認(rèn)、模型的分析、模型的調(diào)配、模型的應(yīng)用以及模型的再發(fā)展或再建構(gòu)等 。要提高學(xué)生對模型的理解水平，培養(yǎng)學(xué)生的建模能力也是必不可少的。在教學(xué)過程中有意識地教授學(xué)生一些建模的技巧，讓學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?gòu)的過程，能夠增進(jìn)學(xué)生對模型本身的理解，培養(yǎng)學(xué)生建模的興趣并提高對科學(xué)方法的認(rèn)識。

隨著新一輪基礎(chǔ)教育課程改革的進(jìn)一步深入，科學(xué)方法教育受到了教育研究者及教師的廣泛重視。模型法作為一種重要的科學(xué)方法和學(xué)習(xí)工具，對于落實(shí)新課程理念、提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)以及培養(yǎng)其創(chuàng)新能力無疑將起到重要的作用。

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