借助建模思想實(shí)施化學(xué)解題教學(xué)

陳兆

【摘 要】本文論述借助建模思想開展化學(xué)解題教學(xué)的具體做法，將知識(shí)融入模型中并借助模型解決題目，巧妙運(yùn)用模型思想以形成規(guī)范解題思路，構(gòu)建化學(xué)式子模型以培養(yǎng)思維敏捷性，構(gòu)建反應(yīng)類型模型幫助理解各類反應(yīng)實(shí)質(zhì)，構(gòu)建反應(yīng)過程模型鍛煉邏輯思維，構(gòu)建溶液混合模型把握化學(xué)問題本質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】高中化學(xué) 建模思想 解題教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】0450-9889（2020）04B-0160-03

高中化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科目，與其他學(xué)科相比有自身的特點(diǎn)。尤其在解題教學(xué)中，對(duì)學(xué)生的抽象推理能力與邏輯判斷能力要求相對(duì)較高，而且題型樣式較多。在高中化學(xué)解題教學(xué)中，建模思想的應(yīng)用相當(dāng)重要，教師需指導(dǎo)學(xué)生借助建模思想分析和研究問題，拓展他們的解題思維，深化對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解與記憶，使其解題效率與化學(xué)成績得以提升。

一、將知識(shí)與模型相融合，借助模型解題

建模思想追求的是從化學(xué)知識(shí)的整體視角出發(fā)，全面梳理化學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)，掌握各個(gè)知識(shí)要點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)化學(xué)的奧妙與規(guī)律。因此，在高中化學(xué)解題教學(xué)中，教師需引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會(huì)舉一反三，把知識(shí)融入具體的模型當(dāng)中。將化學(xué)題目中冗長的信息變得更為直觀和具體，使其大腦和眼球受到雙重沖擊。在記憶庫中準(zhǔn)確搜索要用到的知識(shí)，推動(dòng)他們快速找到正確的解題方向。鍛煉解題思維與技巧，最終借助模型順利解決化學(xué)題目。

比如，在學(xué)習(xí)中和反應(yīng)的過程中，通過對(duì)中和反應(yīng)概念的講述和舉例，使學(xué)生聯(lián)想到現(xiàn)實(shí)生活中的許多中和反應(yīng)現(xiàn)象。比如，用胃舒平治療胃酸過多癥，用熟石灰改良酸性土壤，用熟石灰處理酸性污水，用堿溶液吸收有害氣體，用稀氨水中和蜂毒等。教師可讓學(xué)生從中和反應(yīng)視角分析清洗羽絨的原理，使其搜索記憶庫中固有的知識(shí)儲(chǔ)備，在大腦中構(gòu)建中和反應(yīng)過程的模型。之后，讓學(xué)生用準(zhǔn)備好的白醋、小蘇打展開分組實(shí)驗(yàn)。用少量白醋與小蘇打各配制成溶液，先使用小蘇打溶液刷洗需要清潔的地方，再使用白醋溶液刷洗，然后使用清水沖刷干凈。要求他們在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中認(rèn)真觀察反應(yīng)現(xiàn)象，使其最終得到中和反應(yīng)的模型，順利解決問題。

在現(xiàn)實(shí)生活中很多現(xiàn)象都是化學(xué)知識(shí)的體現(xiàn)，學(xué)生可先在大腦中初步構(gòu)建模型，自己再嘗試建模，由此將解題思路變得清晰、具體，從而找到正確答案。

二、巧妙運(yùn)用模型思想，形成規(guī)范解題思路

解題教學(xué)屬于高中化學(xué)課程教學(xué)中的關(guān)鍵一環(huán)，主要目的是為學(xué)生提供大量運(yùn)用知識(shí)的機(jī)會(huì)。這不僅可以檢測他們對(duì)知識(shí)的掌握情況，而且能夠深化理解和記憶。為了提高學(xué)生的化學(xué)解題水平，教師可借助建模思想進(jìn)行解題教學(xué)。指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用個(gè)人積累的知識(shí)巧妙建構(gòu)模型，利用建模思想科學(xué)、規(guī)范地進(jìn)行解題。也就是說，教師要幫助學(xué)生找到解題的切入點(diǎn)，找到正確的思路，建立解題模型，并規(guī)范答題，從而形成規(guī)范的解題習(xí)慣，逐步提高解題水平。

比如，在處理化學(xué)平衡類題目時(shí)，教師可指導(dǎo)學(xué)生采用“三步走”的方式建立模型，并從安全性、科學(xué)性等視角評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。設(shè)置例題如下：

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，使用氯氣和金屬鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備無水三氯化鐵。該化合物呈棕紅色、易受潮分解，在 100℃ 時(shí)升華成三氯化二鐵。下面兩套實(shí)驗(yàn)裝置中，前面部分的反應(yīng)裝置相同，后面部分，也就是產(chǎn)品收集裝置部分不同，分別如Ⅰ和Ⅱ所示。試完成下列各題：

（1）B 中化學(xué)反應(yīng)式是什么？

（2）D 中反應(yīng)開始前，需排除裝置中的空氣，采取的方法是什么？

（3）D 中化學(xué)反應(yīng)式是什么？

（4）裝置Ⅰ主要缺點(diǎn)除尾氣排入空氣污染環(huán)境外，還有什么？

（5）裝置Ⅱ主要缺點(diǎn)和改進(jìn)措施是什么？

學(xué)生通過觀察與思考，在建模思想輔助下可直接規(guī)范解題：

（1）MnO2+4HCl（濃） MnCl2+Cl2↑+2H2O;

（2）當(dāng) B 中的反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間后，看到有黃綠色氣體充滿裝置時(shí)再開始加熱 D;

（3）2Fe+3Cl2 ?2FeCl3;

（4）當(dāng)裝置中的固體體積過大時(shí)容易堵塞導(dǎo)管;

（5）缺點(diǎn)是雖然設(shè)有尾氣處理裝置，但是以水溶液為主。當(dāng)另外一個(gè)裝置中形成水蒸氣時(shí)，將會(huì)氧化氯化鐵，影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性。改進(jìn)措施是在 E、F 瓶之間連接一個(gè)裝有干燥劑的裝置。

學(xué)生在建模思想指導(dǎo)下分析這一反應(yīng)裝置中，會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)模型的科學(xué)性與安全性均存在缺陷，并在問題的引導(dǎo)下找到題目中的隱性問題，然后改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，以使問題得到解決，從而提高解題能力。

三、構(gòu)建化學(xué)式子模型，培養(yǎng)學(xué)生思維敏捷性

建模思想其實(shí)是一種思考方法，建模就是構(gòu)建系統(tǒng)模型的過程，將研究對(duì)象的一些非本質(zhì)及次要因素舍棄，以理想化與簡化的形式再現(xiàn)原型中各種復(fù)雜聯(lián)系、功能與結(jié)構(gòu)。等效化學(xué)式在高中化學(xué)解題教學(xué)中比較常見，比如計(jì)算混合物中某組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)是一種常規(guī)題型，即在混合物中，已知某種特定元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，求其他元素或某種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這時(shí)學(xué)生可構(gòu)建等效化學(xué)式模型，以減少運(yùn)算步驟，使他們的思維變得更為敏捷。

例如，現(xiàn)有氯化鉀和氯化鈉的混合物，已知氯元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)占 a %，那么混合物中鉀與鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占多少？

從這個(gè)題目所給的信息，我們知道其實(shí)是求混合物中兩個(gè)陽離子所占的質(zhì)量比。其陰離子均為 Cl—，通過對(duì)陽離子式量的觀察發(fā)現(xiàn)，鉀是 39，鈉是 23，氯化鉀的式量要比氯化鈉大 16，可以把鉀—39 用鈉—23 與氧—16 代替，構(gòu)建出氯化鉀的等效化學(xué)式 NaClO，即次氯酸鈉，如圖所示：

這樣，學(xué)生就可在所建的模型中解答題目。取 100 g 的混合物進(jìn)行研究，如果將氯化鈉當(dāng)作一個(gè)整體來看待，那么在混合物中各個(gè)元素含量為 n（NaCl）=n（Cl），n（K）=n（O），求得鉀的含量比為 ，鈉的含量為 1 減去氯與鉀的含量比，即 Na%=1-a%-K%。

在混合物中已知某特定元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，求其他物質(zhì)或元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，采用構(gòu)建等效化學(xué)式的方法解題，能減少運(yùn)算步驟和提高正確率，有助于學(xué)生敏捷性思維的培養(yǎng)。

四、構(gòu)建反應(yīng)類型模型，理解各類反應(yīng)實(shí)質(zhì)

在新課程標(biāo)準(zhǔn)中明確要求學(xué)生掌握各類常見化學(xué)反應(yīng)的一般原理，能夠探索化學(xué)反應(yīng)的應(yīng)用及規(guī)律。在高中化學(xué)知識(shí)體系中，常見的化學(xué)反應(yīng)有化合反應(yīng)、分解反應(yīng)、置換反應(yīng)和復(fù)分解反應(yīng)等。要想借助建模思想輔助高中化學(xué)解題教學(xué)，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)反應(yīng)原理指導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建化學(xué)反應(yīng)類型模型，將這類難把握又繁瑣、復(fù)雜的題目變?yōu)樾蜗蠡?，使解題過程變得具體化、模式化，從而更好地理解各類反應(yīng)實(shí)質(zhì)。有這樣一道題目：

請(qǐng)正確寫出以下水解反應(yīng)的化學(xué)方程式：

（1）NH2Cl+H2O→

（2）Al4C3+H2O→

水解反應(yīng)屬于高中化學(xué)知識(shí)體系中一類十分重要的化學(xué)反應(yīng)類型，常見的水解反應(yīng)包括酯的水解、鹵代烴的水解、鹵素互化物的水解、金屬氮化物的水解和鹽類水解等。學(xué)生首先要明確水解反應(yīng)的概念：水與另一化合物反應(yīng)，該化合物分解為兩部分，水中的 H+ 加到其中一部分，而羥基（-OH）加到另一部分，因而得到兩種或兩種以上新的化合物。然后讓學(xué)生通過類比、聯(lián)想找到反應(yīng)規(guī)律，建立水解反應(yīng)模型。如圖所示：

水解物質(zhì)中通過“帶正電”微粒+OH- 和“帶負(fù)電”微粒+H+ 變成 H2O，隨后將模型套入題目中，就能寫出正確的水解方程式：

NH2Cl+H2O→ NH3+HCl;

Al4C3+12H2O→ 4Al（OH）3↓+3CH4↑。

化學(xué)反應(yīng)原理類的問題比較復(fù)雜、不易把握，學(xué)生通過構(gòu)建各種反應(yīng)類型的模型可將復(fù)雜的問題變得可操作與有規(guī)律的問題，從而從更深層次理解各類反應(yīng)的實(shí)質(zhì)。

五、構(gòu)建反應(yīng)過程模型，鍛煉學(xué)生邏輯思維

在高中化學(xué)課程教學(xué)中，建模思想其實(shí)就是用正確的化學(xué)術(shù)語、圖形、模型、圖表、文字等準(zhǔn)確表達(dá)化學(xué)問題的解決過程與結(jié)果。有的化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象較為“隱秘”，僅僅依靠肉眼無法觀察得到。反應(yīng)過程比較復(fù)雜，反應(yīng)物之間的關(guān)系也較為復(fù)雜，它們相互之間的反應(yīng)與反應(yīng)順序難以把握。要解析這些反應(yīng)過程和結(jié)果，需要比較多的知識(shí)點(diǎn)。因此要采用構(gòu)建反應(yīng)過程模型的方法幫助理解與解題，將解題過程變得具有操作性與規(guī)范化。在這一過程中，能較好地鍛煉學(xué)生的邏輯思維。比如下面的一道題目：

已有 10 mL 的鹽酸溶液，濃度是 0.001 mol/L，把濃度一樣的氨水倒入其中，直至溶液的濃度達(dá)到 pH=7，那么下列正確的關(guān)系式為（ ? ）。

A.c（Cl-）>c（OH-）>c（NH4+）>c（H+）

B.c（NH4+）=c（Cl-）>c（H+）=c（OH-）

C.V總<20 mL

D.V總>20 mL

根據(jù)題目信息可知 10 mL 的鹽酸溶液濃度是 0.001 mol/L，假如添加濃度同樣是 0.001 mol/L 的氨水 10 mL，兩者將會(huì)發(fā)生完全反應(yīng)，最終生成 NH4Cl，溶液為酸性。要想讓 pH 值達(dá)到 7，需繼續(xù)添加氨水。這表明氨水體積要比鹽酸體積大，總體積就大于二倍鹽酸的體積，即大于 20 mL，那么 C 錯(cuò)誤，D 正確。對(duì) A 選項(xiàng)而言，溶液中陰離子總數(shù)不可能比陽離子多，故錯(cuò)誤。再分析發(fā)現(xiàn)，溶液中一定有 c（Cl-）+c（OH-）=c（NH4+）+c（H+），如果要使溶液的 pH 值為中性，那么 c（OH-）=c（H+），c（Cl-）=c（NH4+）。因此最后生成的溶液明顯是 NH4Cl，所以 c（Cl-）與 c（NH4+）一定會(huì)大于 c（OH-）和 c（H+），因此 B 正確，最終正確答案是 B 和 D。

學(xué)生通過整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程的模型，分析溶液中陰離子與陽離子的數(shù)量關(guān)系，將有序思維過程表示出來，從此簡化解題過程，培養(yǎng)邏輯思維。

六、構(gòu)建溶液混合模型，把握化學(xué)問題本質(zhì)

在高中化學(xué)教學(xué)過程中，溶液混合類題目也較為常見，包括等體積混合和等質(zhì)量混合等類型，解決這類題目時(shí)要用到大量的化學(xué)概念?；瘜W(xué)概念屬于化學(xué)知識(shí)體系的基礎(chǔ)，是一類抽象出來的理論知識(shí)，因此溶液混合類題目較為抽象，通常要用到一些非常規(guī)方法來解題。高中化學(xué)教師在具體的溶液混合類解題教學(xué)中，要引導(dǎo)學(xué)生將溶液混合過程構(gòu)建成模型，將混合過程變得可視化，使抽象問題變得具體化，從而輔助他們把握好化學(xué)問題的本質(zhì)。

例如，取兩種濃度不同的硫酸溶液，等質(zhì)量混合時(shí)所得溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是 a %，等體積混合時(shí)是 b %;取兩種濃度不同的氨水，等質(zhì)量混合時(shí)也是 a %，等體積混合時(shí)是 c %，判斷 a，b，c 之間的大小關(guān)系。

依據(jù)硫酸、氨水與水的性質(zhì)得知，濃硫酸的密度要比稀硫酸的大，濃氨水的密度則比稀氨水的小。設(shè) V濃硫酸=V稀硫酸 1，m濃硫酸=m稀硫酸 1+m稀硫酸 2;V稀氨水=V濃氨水 1，m稀氨水=m濃氨水 1+m濃氨水 2。溶液混合過程可通過以下模型展現(xiàn)：

通過觀察，往 b % 硫酸溶液中添加稀硫酸 2 稀釋得到濃度是 a % 的硫酸溶液，b %>a %;往 c % 氨水中添加濃氨水 2 濃縮可得到濃度是 a % 的氨水，得出 c %a>c。

計(jì)算混合溶液中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，運(yùn)用常規(guī)方法難以找到切入點(diǎn)。在解題中建立溶液混合過程模型能較好地把握問題的本質(zhì)，由抽象變具體，使學(xué)生的思維更加深刻。

在高中化學(xué)解題教學(xué)實(shí)踐中，熟練運(yùn)用建模思想是提升解題準(zhǔn)確度和速度的重要方法。教師需引領(lǐng)學(xué)生在大量習(xí)題練習(xí)中采用建模思想，使其思維變得更為廣闊、獨(dú)立、敏捷、靈活與深刻，推動(dòng)他們?nèi)〉酶鼮槔硐氲幕瘜W(xué)學(xué)習(xí)效果。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]許義琴.高中化學(xué)教學(xué)中探究式教學(xué)的有效應(yīng)用策略[J].化工管理，2019（34）.

（責(zé)編 盧建龍）