例談模型思維在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用與培養(yǎng)

曾環(huán)忠

摘要：介紹了模型思維的特點(diǎn)以及模型思維與化學(xué)教學(xué)的關(guān)系，并結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)和教學(xué)體會(huì)，分析了在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)和應(yīng)用模型思維的重要性和可行性，還結(jié)合具體知識(shí)模塊給出了模型思維應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐的樣例。

關(guān)鍵詞：模型思維;化學(xué)教學(xué);元素化合物;有機(jī)物分子結(jié)構(gòu);化學(xué)反應(yīng)原理

模型思維是一種利用模型達(dá)到特定認(rèn)識(shí)目的的思維方式。它是在已獲得的大量感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，以模型化和理想化的思維方式對(duì)相關(guān)事物進(jìn)行扼要、近似、形象的摹寫(xiě)，進(jìn)而揭示其本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)抽象方法。

1 模型思維與化學(xué)學(xué)科及其教學(xué)

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”，要求建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，就是要求學(xué)生需要對(duì)具體的化學(xué)知識(shí)經(jīng)過(guò)思維抽象（證據(jù)推理），然后將思維抽象又轉(zhuǎn)化為思維具體（模型認(rèn)知）。所以在教學(xué)中應(yīng)用模型思維具有特別的意義：既能更好地提高教學(xué)效率又能有效地提升學(xué)生的思維品質(zhì)。

在現(xiàn)代科學(xué)的概念和理論的形成中，通過(guò)模型思維，不僅可以將陌生的、非直觀的和不確定的事物、思想轉(zhuǎn)換為熟悉的、直觀的、確定的東西，同時(shí)還能使抽象的理論和知識(shí)具體化、豐富化，使人們更深刻、更直觀地把握科學(xué)研究對(duì)象的本質(zhì)特征。因此，模型思維在現(xiàn)代認(rèn)識(shí)中的地位和作用日趨重要，它已經(jīng)成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展中的一種極為重要的思維方法。

2 模型思維應(yīng)用于化學(xué)具體教學(xué)中

模型思維是突破化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)的絕妙抓手，下面分別以“元素化合物”“有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)”和“化學(xué)反應(yīng)原理”等專(zhuān)題為例展示模型思維的具體應(yīng)用。

2.1 模型思維應(yīng)用于“元素化合物”教學(xué)

元素化合物是中學(xué)化學(xué)最基本的內(nèi)容之一，是其他模塊學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，也可能是教師教學(xué)中困惑最多的模塊之一。元素化合物內(nèi)容繁多，學(xué)生反映的“化學(xué)難學(xué)，不好記”，主要是針對(duì)元素化學(xué)內(nèi)容而言的。然而，任何事物盡管其運(yùn)動(dòng)形式多種多樣，并且由于各自矛盾的特殊性而相互區(qū)別，但也往往由于相互聯(lián)系即存在矛盾的普遍性而統(tǒng)一。在教學(xué)中，我們要盡量避免將各個(gè)化學(xué)反應(yīng)孤立地傳授給學(xué)生，使學(xué)生覺(jué)得物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)多而亂，而應(yīng)在一定條件下概括出各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)的模式即反應(yīng)模型，讓學(xué)生覺(jué)得有規(guī)律可循。

2.2 模型思維應(yīng)用于“有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)

經(jīng)典的結(jié)構(gòu)理論，開(kāi)始只提出分子中各原子的原子價(jià)、數(shù)目和彼此間的相互關(guān)系，還沒(méi)有涉及分子的立體結(jié)構(gòu)問(wèn)題，如果將分子都想象成平面結(jié)構(gòu)是很難理解的。例如，二氯甲烷（CH2C12）分子就應(yīng)當(dāng)有兩個(gè)不同的平面結(jié)構(gòu)式（異構(gòu)體）：

在上面的兩個(gè)平面結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)氯和兩個(gè)氫排列的關(guān)系不同，似乎是兩個(gè)不同的化合物。但實(shí)踐證明二氯甲烷只有一個(gè)，并無(wú)異構(gòu)體，此外，當(dāng)時(shí)還有為數(shù)不多的個(gè)別有機(jī)分子，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)完全相同，但它們的確是幾個(gè)不同的化合物，這是什么原因呢？為了解釋這個(gè)問(wèn)題，1874年范托夫和勒貝爾總結(jié)了前人研究所得一些事實(shí)，分別提出碳原子的正四面體結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，這樣就把結(jié)構(gòu)理論引申到三維空間的立體結(jié)構(gòu)中來(lái)。根據(jù)這個(gè)學(xué)說(shuō)，碳原子的四價(jià)是完全相等的，它們分別處在正四面體的四個(gè)頂角的方向上，各價(jià)鍵間的夾角為109.28°，如下圖。

目前人們對(duì)分子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)同樣也在繼續(xù)探索中。但從中不難看出，人們對(duì)分子空間結(jié)構(gòu)的研究，采用的也是一種模型思維的方法。

2.3 模型思維應(yīng)用于“化學(xué)反應(yīng)原理”教學(xué)

在化學(xué)反應(yīng)速率的學(xué)習(xí)中，就是抓住化學(xué)反應(yīng)速率的公式，在題目中找準(zhǔn)數(shù)據(jù)，帶入公式——數(shù)學(xué)模型中。化學(xué)平衡狀態(tài)的分析，在建立了三段式的模型后，許多相關(guān)的計(jì)算也就迎刃而解，且不易出錯(cuò)。

例如：合成氨反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g）在某溫度下達(dá)到平衡時(shí)，各物質(zhì)的濃度是c（N2）=3 mol·L-1，c（H2）=9 mol·L-1，c（NH3）= 4 mol·L-1，求：N2、H2的起始濃度。

解析：

N2 + 3H2? ? ? ? ?2NH3

起始（mol·L-1）? x y ? 0

轉(zhuǎn)化（mol·L-1） x-3 y-9 ? ? 4

平衡（mol·L-1） ? 3? ? ? ? 9 ? ?4

x=5 mol·L-1

y=15 mol·L-1

答：N2、H2的起始濃度分別是c（N2）=5 mol·L-1;c（H2）=15 mol·L-1。

這樣，通過(guò)建立概念模型，原來(lái)枯燥的概念變得直觀、具體了，概念的內(nèi)涵、外延十分清楚，有利于學(xué)生深入地理解概念的本質(zhì)。

3 結(jié)語(yǔ)

在化學(xué)科學(xué)理論的形成中，模型思維可以將陌生的、非直觀的和不確定的東西轉(zhuǎn)換為人們所熟悉的、直觀的和確定的模型，同時(shí)還能使抽象的理論具體化和豐富化，讓人們能夠更直觀、更深入地把握事物的本質(zhì)和特征。因此，模型思維能力是一種可遷移性極強(qiáng)的素養(yǎng)，一旦形成可以幫助學(xué)生解決許多學(xué)習(xí)與生活中的問(wèn)題。

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（作者單位：廣東省紫金中學(xué)）