模型 魔性
——芻議從抽象到具體的模型思想

馬 煒

(江蘇省宜興市陽羨高級中學(xué) 214200)

高中化學(xué)要求培養(yǎng)學(xué)生的基礎(chǔ)知識和基本技能，更要求培養(yǎng)“認(rèn)識科學(xué)方法對化學(xué)研究的作用”.化學(xué)核心素養(yǎng)的一個重要維度就是模型認(rèn)知，運(yùn)用模型思想可以使抽象概念具體化，深奧理論通俗化，形象展示教學(xué)內(nèi)容，明晰現(xiàn)象背后的原理、規(guī)律.可見建模思想不僅是化學(xué)學(xué)科的內(nèi)在要求，更是新時期由“知識取向”向“能力取向”的必然要求.在新高考模式下化學(xué)日漸邊緣化，建模教學(xué)有利于提高學(xué)生的認(rèn)知分析能力，簡化解題方法，提高效率，更好地培養(yǎng)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng).

一、高中化學(xué)模型的內(nèi)涵

化學(xué)模型是在獲得感性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，以理想化的思維方法實現(xiàn)知識向現(xiàn)實問題的遷移，對化學(xué)事實進(jìn)行近似、形象和整體的描述，從感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識，進(jìn)而揭示其本質(zhì)和規(guī)律.模型一般分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類.物質(zhì)模型是依據(jù)常規(guī)認(rèn)知的狹義概念，以實物呈現(xiàn)或根據(jù)實物幾何外形進(jìn)行成比例地擴(kuò)大或縮小，如標(biāo)本、藥品、堆積模型、比例模型和球棍模型等，還可根據(jù)具體情況自制創(chuàng)新.思想模型是依據(jù)研究的特定目的，在一定的假設(shè)條件下，再現(xiàn)原型客體的結(jié)構(gòu)、功能、屬性、關(guān)系、過程等本質(zhì)特征的物質(zhì)形式或思維形式，如概念公式化、圖表化、化學(xué)平衡模型、反應(yīng)系統(tǒng)模型等.這些處于非物質(zhì)形態(tài)，是人與原型客體之間的中介.以理想化的思維方法對化學(xué)事實進(jìn)行近似、形象和整體的描述，進(jìn)而揭示其本質(zhì)和規(guī)律.

二、高中化學(xué)模型的運(yùn)用

“授人以魚不如授人以漁”，教師不僅要傳授學(xué)科知識，更要傳授思考方法.模型思想正是這種實踐的有效途徑，下面就模型思想在幾個方面的作用加以討論.

1.基本概念——立足現(xiàn)實生活，概念聯(lián)想遷移

自然科學(xué)中的概念，是人類研究客觀事物，對本質(zhì)特點的歸納概括，高度抽象.在概念學(xué)習(xí)中，可以將模型思想與形象事物聯(lián)系起來，架構(gòu)課本抽象概念和現(xiàn)實的橋梁，將枯燥晦澀的知識簡單化，深刻理解核心概念.

【建模活動1】必修1“物質(zhì)的量”，從初中以質(zhì)量為中心跳躍到高中以物質(zhì)的量為中心進(jìn)行計算，學(xué)生對物質(zhì)的量及其單位摩爾不知所云，甚至高一一整年都是夾生飯，直接影響科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展.在教學(xué)過程中可適當(dāng)引進(jìn)單位類比的模型思想.平時生活中12瓶飲料為1箱，如果要買36瓶飲料，只需說3箱就可以了，大大簡化了數(shù)字，原因就在于單位由“瓶”轉(zhuǎn)化為“箱”.物質(zhì)的量及其單位摩爾，又何嘗不是呢？ 6.02×1023數(shù)值太大，用起來很不方便，若將單位轉(zhuǎn)化為摩爾，數(shù)值直接變?yōu)?，計算簡潔明了.

這種模型是現(xiàn)實世界的縮小版，能表征化學(xué)概念的核心，能幫助學(xué)生更好地理解掌握.

2.化學(xué)理論——自制模型探究，培養(yǎng)創(chuàng)新思維

化學(xué)基礎(chǔ)理論是人們從實踐中概括出來的關(guān)于化學(xué)知識的系統(tǒng)性的規(guī)律和結(jié)論.通常具有高度的理論性，學(xué)生較難形成知識系統(tǒng).例如離子反應(yīng)貫穿高一化學(xué)始終，但哪些離子真正進(jìn)行反應(yīng)，課本圖片功能有局限性，學(xué)生也缺乏感性認(rèn)識.為了培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀，可自制開發(fā)新的模型.選用兩種顏色的圓形磁性卡片模擬化學(xué)物質(zhì)，方法如下：將A4大小、彩色磁性卡片剪成兩種直徑不同的圓形卡片(如一元和五角硬幣大小)，用來模擬陰陽離子；而將A4大小、白色磁性卡片作為反應(yīng)容器(燒杯).

在整個建模過程中，教師啟發(fā)指引，學(xué)生小組合作，創(chuàng)造實際情景，將模型認(rèn)知和體驗式教學(xué)結(jié)合在一起，通過微觀想象模擬反應(yīng)過程，在潛移默化中掌握了“宏觀-微觀-符號”的科學(xué)方法.化學(xué)模型是思維的產(chǎn)物，為了幫助學(xué)生理解抽象理論，可以從簡單的問題開始創(chuàng)造情景，循序漸進(jìn)理解復(fù)雜理論.這個過程也符合化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)所提倡的情境化教學(xué)模式，有助于落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng).

3.反應(yīng)原理——無形化為具體，具體解決無形

高二選修《化學(xué)反應(yīng)原理》中的化學(xué)平衡移動，是高考常見題型，但比直觀的化學(xué)反應(yīng)更抽象，學(xué)生難以處理.在習(xí)題講評中，幫助學(xué)生建立模型，大膽模仿應(yīng)用，問題迎刃而解.

【建?；顒?】(2015江蘇卷第15題)一定溫度下，在3個體積均為1.0 L的恒容密閉容器中反應(yīng)

達(dá)到平衡，本題B選項：達(dá)到平衡時，容器Ⅰ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率比容器Ⅱ中的大.

觀察表格，可以發(fā)現(xiàn)起始投料Ⅱ是Ⅰ的2倍，若將Ⅱ容器體積放大至Ⅰ容器的2倍(虛擬容器法)，兩者建立“等效平衡”.但事實上Ⅰ、Ⅱ容器體積相等，將放大后的Ⅱ容器壓縮至與Ⅰ容器體積相同，即加壓，平衡正向(氣體體積減小的方向)移動，達(dá)到平衡時，Ⅱ中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率比Ⅰ大，故B錯.

容器溫度/K物質(zhì)的起始濃度/mol·L-1物質(zhì)的平衡濃度/mol·L-1c(H2)c(CO)c(CH3OH)c(CH3OH)Ⅰ4000.200.1000.080Ⅱ4000.400.200Ⅲ500000.100.025

類似于容器Ⅰ、Ⅱ的投料，簡稱倍投問題，Ⅱ、Ⅲ相比也是，均可用上述建模思想來分析.學(xué)生在分析過程中，歸納出平衡結(jié)果與建立過程無關(guān)，結(jié)合等效平衡思想，將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為簡單思想模型，提高解題效率.

4.物質(zhì)結(jié)構(gòu)——融合立體幾何，高效數(shù)形結(jié)合

2008年以來，江蘇卷第21題(物質(zhì)結(jié)構(gòu))多次出現(xiàn)晶胞計算.晶體結(jié)構(gòu)與空間立體構(gòu)型緊密相關(guān)，復(fù)雜抽象，空間想象能力不佳的學(xué)生感到非常迷茫.在這部分教學(xué)過程中，建模思想的作用體現(xiàn)得淋漓盡致.

三棱柱、六棱柱晶胞，比立方體晶胞更復(fù)雜一些，需要更強(qiáng)的立體空間想象能力，但也可以用均攤法進(jìn)行計算.

綜上所述，無論是物質(zhì)模型或者思想模型，在高中化學(xué)教學(xué)中的作用十分重大.教師也加深了對于模型思想的理解，將其滲透到教學(xué)內(nèi)涵中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的思維能力，構(gòu)建學(xué)科知識體系；提高學(xué)習(xí)效率和解題正確率，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣和自信心.最終更深刻地掌握化學(xué)知識，真正建立科學(xué)理念.