化學(xué)教學(xué)中的模型認(rèn)知與模型建構(gòu)及應(yīng)用

羅炳杰

（廈門市大同中學(xué)前埔校區(qū)，福建 廈門 361008）

《高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）》將高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)細(xì)分為5個(gè)維度，其中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”這一維度是化學(xué)學(xué)習(xí)和研究的方法和工具?！澳Ｐ驼J(rèn)知”是指基于模型的認(rèn)知，是學(xué)習(xí)和研究化學(xué)的重要方法。如原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)等知識(shí)常用原子、分子、晶體等模型構(gòu)建；物質(zhì)變化、能量變化、化學(xué)平衡、電離平衡等知識(shí)常用分析模型、原理模型、思維模型、數(shù)學(xué)模型等模型構(gòu)建。理解和掌握物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化、原理等知識(shí)是培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的前提，缺乏知識(shí)的理解，談?wù)摵诵乃仞B(yǎng)就如同無源之水、無本之木。

一、“模型認(rèn)知”的意義與模型的類型

“模型認(rèn)知”是指基于模型的認(rèn)知，“模型”相對(duì)于“原型”而言，是研究對(duì)象的替代物，是按比例或特征制成與實(shí)物相似的物體或圖型?！罢J(rèn)知”是認(rèn)識(shí)客觀規(guī)律及其本質(zhì)的心理活動(dòng)，是人們對(duì)客觀事物的理性認(rèn)知過程。奧蘇伯爾的學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，采用建模思想，將化學(xué)問題中次要的、非本質(zhì)的信息舍去，可使本質(zhì)的知識(shí)變得清晰，更容易納入學(xué)習(xí)者已有的框架，使學(xué)習(xí)者在解決問題時(shí)遷移更容易、學(xué)習(xí)效率更高。

模型包括實(shí)物模型和非實(shí)物形式模型兩類，非實(shí)物形式模型又包括數(shù)學(xué)模型、圖像模型和語(yǔ)義模型等。實(shí)物模型一般是指比例模型，如晶體模型、分子模型、合成氨工藝模型等。數(shù)學(xué)模型用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，如化學(xué)反應(yīng)速率方程、化學(xué)平衡常數(shù)、庫(kù)侖定律、水的離子積等；圖像模型用坐標(biāo)系描述，如速率與時(shí)間關(guān)系、電子云等；語(yǔ)義模型用詞語(yǔ)描述，如阿伏伽德羅定律、蓋斯定律、元素周期律以及化學(xué)用語(yǔ)等。建構(gòu)主義認(rèn)為，對(duì)于學(xué)習(xí)者來說，支持有意義的學(xué)習(xí)最有效的策略之一就是對(duì)他們所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行模型的建構(gòu)。學(xué)習(xí)者通過分析、推理、綜合、演繹等抽象思維活動(dòng)構(gòu)建模型，所構(gòu)建模型具有深刻性、規(guī)律性和指導(dǎo)性，它幫助學(xué)習(xí)者更加深入理解現(xiàn)象的本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)在的變化規(guī)律，指導(dǎo)一般問題的解決。

二、化學(xué)教學(xué)中常見的幾種模型的構(gòu)建

1.構(gòu)建數(shù)軸模型，凸顯概念本質(zhì)

物質(zhì)的溶解性、溶液的酸堿性等概念常用數(shù)軸法表征。運(yùn)用數(shù)軸法的優(yōu)點(diǎn)是能清晰地反映概念的本質(zhì)區(qū)別與聯(lián)系。例如，非電解質(zhì)、弱電解質(zhì)、強(qiáng)電解質(zhì)等三個(gè)不同概念，通過數(shù)軸的方式凸顯其本質(zhì)區(qū)別是電離度的不同（見圖1）。

圖1 非電解質(zhì)、強(qiáng)弱電解質(zhì)與電離度的關(guān)系

如溶液、膠體和濁液這三種不同分散系，用數(shù)軸（見圖2）凸顯分散系的本質(zhì)區(qū)別是分散質(zhì)微粒直徑大小不同，同時(shí)還揭示了過濾法與滲析法的本質(zhì)區(qū)別。

圖2 分散系與微粒直徑、半透膜孔徑、濾紙孔徑大小的關(guān)系

又如，非極性鍵、極性鍵、離子鍵的區(qū)別可用數(shù)軸（見圖3）表示，該數(shù)軸模型可清晰地表達(dá)化學(xué)鍵與電負(fù)性差值關(guān)系，既體現(xiàn)化學(xué)鍵的本質(zhì)區(qū)別，又體現(xiàn)了化學(xué)鍵從量變到質(zhì)變的變化過程。該數(shù)軸模型能指導(dǎo)后續(xù)的學(xué)習(xí)，如金屬元素與非金屬元素不一定形成離子化合物，為什么AlCl3所形成的是共價(jià)化合物而不是離子化合物、氮氧氟元素容易形成氫鍵等知識(shí)。

圖3 化學(xué)鍵與電負(fù)性差值的關(guān)系

在化學(xué)的教學(xué)過程中，教師應(yīng)盡可能地引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的知識(shí)聯(lián)系起來，知識(shí)聯(lián)系得越緊密則知識(shí)掌握越牢固，記憶也會(huì)越深刻，運(yùn)用越靈活。在化學(xué)教學(xué)過程中，運(yùn)用數(shù)軸模型這一工具能起到聯(lián)系概念，凸顯概念間的本質(zhì)區(qū)別的作用。

2.構(gòu)建坐標(biāo)模型，理解反應(yīng)熱概念

化學(xué)反應(yīng)能量變化概念容易混淆，如焓變與反應(yīng)條件、焓變與物質(zhì)的鍵能、焓變與物質(zhì)的焓之間的關(guān)系等。若用平面直角坐標(biāo)系模型能清晰揭示三個(gè)概念的本質(zhì)區(qū)別，可設(shè)計(jì)如下坐標(biāo)模型（見圖4）。

圖4 反應(yīng)過程與物質(zhì)的焓關(guān)系圖

坐標(biāo)模型反映了物質(zhì)的焓、焓變、鍵能三者之間的關(guān)系；反映了焓變與反應(yīng)前后物質(zhì)的焓有關(guān)，而與反應(yīng)條件無關(guān)；反映了焓變兩種不同計(jì)算方法；反映了化學(xué)反應(yīng)的能量守恒和質(zhì)量守恒，模型的學(xué)習(xí)能較好地提高學(xué)習(xí)效率。

3.構(gòu)建思維模型，培養(yǎng)電化學(xué)思維

高中化學(xué)電化學(xué)的教學(xué)過程中，因?yàn)殡娀瘜W(xué)知識(shí)涉及概念多、綜合性強(qiáng)，許多學(xué)生感到束手無策，其主要原因是死記硬背電子流向、離子流向、電極反應(yīng)等知識(shí)，沒有理解產(chǎn)生這些變化背后的原因。從教學(xué)實(shí)踐看，問題在于教師受到應(yīng)試教育的影響，常注重知識(shí)教學(xué)而忽略了方法的指導(dǎo)。從人的認(rèn)知角度看，零碎的知識(shí)無法納入知識(shí)結(jié)構(gòu)，無法形成整體的認(rèn)知，而模型能整合零碎信息，把信息有序整理，使信息以結(jié)構(gòu)或形象的形式在人腦中有序編碼。因此，幫助學(xué)生構(gòu)建思維模型是解決認(rèn)知的關(guān)鍵。在教學(xué)實(shí)踐中，可以將具體的實(shí)驗(yàn)裝置圖，經(jīng)分析、推理、綜合和簡(jiǎn)化，構(gòu)建出圖5和圖6思維模型圖。

圖5 原電池思維模型

圖6 電解池思維模型

從圖5原電池思維模型分析：電子從負(fù)極流向正極，陰離子從正極流向負(fù)極，電子流向與陰離子流向一致構(gòu)成閉合回路。從圖6電解池思維模型分析：電子從負(fù)極流向陰極，陰離子從陰極流向陽(yáng)極，電子從陽(yáng)極流出經(jīng)導(dǎo)線流回正極。比較圖5和圖6，發(fā)現(xiàn)共同點(diǎn)是電子與陰離子流向一致構(gòu)成閉合回路，電子總是從負(fù)極出發(fā)最終流回正極。圖5和圖6思維模型圖去除次要信息或一般信息，突出電子流向形成電子守恒思想，所學(xué)知識(shí)容易納入已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

三、例談運(yùn)用模型解決實(shí)際問題

不同的教學(xué)內(nèi)容運(yùn)用不同的模型構(gòu)建。如元素化合物性質(zhì)的教學(xué)可采用以下模型：物質(zhì)通性→物質(zhì)氧化還原性→物質(zhì)特性；阿伏加德羅定律教學(xué)模型：理論→模型→應(yīng)用；化學(xué)平衡移動(dòng)教學(xué)模型：實(shí)驗(yàn)→模型→應(yīng)用；問題解決的模型：?jiǎn)栴}→模型→求解。下面以2017年全國(guó)高考新課標(biāo)Ⅲ卷理科綜合第26題為例，說明認(rèn)知模型的構(gòu)建和應(yīng)用。

［26題（節(jié)選）］綠礬是含有一定量結(jié)晶水的硫酸亞鐵，某化學(xué)興趣小組對(duì)綠礬的一些性質(zhì)進(jìn)行探究?；卮鹣铝袉栴}：

（2）為測(cè)定綠礬中結(jié)晶水含量，將石英玻璃管（帶端開關(guān)K1和K2）（設(shè)為裝置A）稱重，記為m1g。將樣品裝入石英玻璃管中，再次將裝置A稱重，記為m2g。按下圖連接好裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

②將下列實(shí)驗(yàn)操作步驟正確排序_________（填標(biāo)號(hào)）；重復(fù)上述操作步驟，直至A恒重，記為m3g。

a.點(diǎn)燃酒精燈，加熱 b.熄滅酒精燈

c.關(guān)閉K1和K2d.打開K1和K2，緩緩?fù)ㄈ隢2

e.稱量A f.冷卻至室溫

③根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，計(jì)算綠礬化學(xué)式中結(jié)晶水?dāng)?shù)目x=_____（列式表示）。

數(shù)據(jù)獲取模型：定量實(shí)驗(yàn)基本模型為：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹怼椒ā@取數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)處理→數(shù)據(jù)分析。根據(jù)基本模型，綠礬結(jié)晶水含量的測(cè)定步驟為：實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹鷮?shí)驗(yàn)原理→實(shí)驗(yàn)方法（量差法）→第一次稱量（裝置A）→第二次稱量（裝置A和綠礬晶體質(zhì)量）→第三次（裝置A和硫酸亞鐵質(zhì)量），實(shí)驗(yàn)所需數(shù)據(jù)采取三次稱量的方法獲取。通過模型教學(xué)指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、原理、方法，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一般程序和方法。

實(shí)驗(yàn)操作模型：定量實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確獲取所需數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否決定實(shí)驗(yàn)成敗。由于硫酸亞鐵易氧化，實(shí)驗(yàn)圍繞避免硫酸亞鐵會(huì)被空氣氧化影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性來設(shè)計(jì)，一般模型是：排除實(shí)驗(yàn)前干擾→主要反應(yīng)→排除實(shí)驗(yàn)后干擾→獲取數(shù)據(jù)。依據(jù)模型，本題實(shí)驗(yàn)操作方法是：排氣（防氧化）→點(diǎn)燈→熄燈→冷卻→關(guān)閉K1K2→稱量，其②答案是dabfce。同類實(shí)驗(yàn)還有H2還原CuO實(shí)驗(yàn)，其操作方法是：先通入H2氣→點(diǎn)燈→熄燈→繼續(xù)通入H2。

數(shù)據(jù)處理模型：本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理既可用化學(xué)式（FeSO4·xH2O）模型求解；也可用化學(xué)方程式模型求解，如：FeSO4·xH2O=FeSO4+xH2O。模型是一個(gè)很好的直觀工具，方便思維切入。通過模型的構(gòu)建既獲取了知識(shí)又學(xué)會(huì)方法、提高了能力。

四、結(jié)語(yǔ)

模型認(rèn)知有助于化學(xué)學(xué)習(xí)，能否熟練構(gòu)建或運(yùn)用模型直接影響學(xué)習(xí)效率，模型是思維的中介或橋梁，它整合問題情境中的各個(gè)要素關(guān)系，使知識(shí)系統(tǒng)化、組織化和結(jié)構(gòu)化，有助于學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的記憶、貯存、再現(xiàn)和遷移，有助于學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)?？傊?，構(gòu)建思維模型可起到“描述”“解釋”“預(yù)測(cè)”和“指導(dǎo)”的作用。

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