高三化學(xué)復(fù)習(xí)中思維模型的建構(gòu)策略

張建海

摘? 要：化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)引領(lǐng)下的化學(xué)教學(xué)，彰顯著化學(xué)學(xué)科的育人價(jià)值，促進(jìn)著學(xué)生必備品格和關(guān)鍵能力的提升。本文以近幾年的浙江化學(xué)高考第29題說理題及其他試題為例，以“證據(jù)推理”和“平衡思想與變化觀念”等素養(yǎng)為依托，通過“模型構(gòu)建”的方式淺談高三課堂的復(fù)習(xí)策略。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);模型構(gòu)建;說理

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”。楊玉琴認(rèn)為“模型認(rèn)知”能力是指能夠運(yùn)用模型描述化學(xué)研究對(duì)象、解釋化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律、預(yù)測(cè)可能的結(jié)果，并建構(gòu)模型展示自己對(duì)化學(xué)事實(shí)的理解和解釋能力。馮品鈺、何彩霞提議把“模型認(rèn)知”分為兩大方面，一是利用模型認(rèn)識(shí)事物及其變化，二是通過建構(gòu)認(rèn)知模型建立解決問題的思考框架。

上述研究者的觀點(diǎn)為一線教師的教學(xué)實(shí)踐指出了一個(gè)方向，也為教學(xué)評(píng)價(jià)提供了一種思路。

一、化學(xué)復(fù)習(xí)中的問題透視

高考年年考，失分不會(huì)少。2021年1月份的浙江化學(xué)高考第29題說理題著重考察了“平衡思想與變化觀念”的核心素養(yǎng)，同時(shí)需要學(xué)生具備很好的“證據(jù)推理”素養(yǎng)，該類試題無論是對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)而言還是教師的教學(xué)來說都存在的較大的困難，高投入低產(chǎn)出甚至零產(chǎn)出（零分）是常見現(xiàn)象。筆者經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)通過“建構(gòu)模型”能較為方便、快捷且正確的解決相應(yīng)問題。

二、化學(xué)復(fù)習(xí)中的思維建模

（一）模型建構(gòu)

在課堂教學(xué)過程中，堅(jiān)持引導(dǎo)學(xué)生對(duì)題型分類歸納，并構(gòu)建合理的解題模型或者答題模板不失為一種有效的應(yīng)試技巧，同時(shí)也是一種素養(yǎng)的養(yǎng)成，使學(xué)生在高三之后，大學(xué)之時(shí)，甚至工作生活之中面對(duì)更為繁雜的知識(shí)體系和千頭萬緒的事情時(shí)能有有效的處理能力。

基于平衡與變化在中學(xué)階段的知識(shí)脈絡(luò)，反應(yīng)原理說理題總體上可使用下列思維模型來進(jìn)行分析處理，如圖1。

（二）模型釋義

一個(gè)說理題，往往會(huì)涉及多種因數(shù)以及多種對(duì)象，基于不同的試題場(chǎng)景，該模型具體使用時(shí)大致可分為以下幾種情況：1. 反應(yīng)自發(fā)性的說理題，2. 單因素單反應(yīng)速率問題;3. 單因素單反應(yīng)平衡問題，4. 多因素單反應(yīng)速率問題，5. 單因素多反應(yīng)速率問題;6. 單因素多反應(yīng)平衡問題等?；诰唧w的情況，模型需要做適當(dāng)演變。僅舉2例說明如下。

反應(yīng)自發(fā)性的說理題：結(jié)合焓變與熵變以及溫度對(duì)△G的影響，從一致性和矛盾性兩方面考慮，進(jìn)而結(jié)合數(shù)據(jù)以及反應(yīng)耦合等角度來說明問題，演變模型如圖2。

多因素單反應(yīng)速率問題：如已知N2（g）+3H2（g）[=]2NH3（g），△H>0在不同溫度下催化劑的催化效率與氨氣的生成速率如圖3所示。

分析氨氣生成速率隨溫度升高而變化的原因。

該題可以分為3段來分析說明，同樣可以從反應(yīng)速率的影響因數(shù)角度分為一致性和矛盾性兩方面，進(jìn)而綜合考慮，模型演變?nèi)鐖D4。

（三）運(yùn)用要點(diǎn)

該模型的使用與演變，關(guān)鍵之處在于找準(zhǔn)對(duì)象和影響因數(shù)，筆者在實(shí)際的課堂教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生從2個(gè)方面進(jìn)行分析。

1. 精準(zhǔn)審題，找對(duì)證據(jù)

精準(zhǔn)審題不僅是學(xué)生應(yīng)試的必備技能，也是提取有效證據(jù)的必要手段，進(jìn)而推理歸化到變化與平衡的化學(xué)核心知識(shí)與素養(yǎng)上去，在具體課堂教學(xué)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生從以下三個(gè)層級(jí)來審題。

2. 理清脈絡(luò)，正確回歸

平衡與變化主要闡述了量變和質(zhì)變、內(nèi)因與外因等關(guān)系。在課堂教學(xué)中，需要幫助學(xué)生理清知識(shí)脈絡(luò)：從量變和質(zhì)變、內(nèi)因與外因等關(guān)系全方位分析化學(xué)變化;從不同層級(jí)與不同維度對(duì)反應(yīng)自發(fā)性、速率、平衡的判斷與影響進(jìn)行討論。筆者同樣從三個(gè)層級(jí)來引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建知識(shí)體系。

三、化學(xué)思維模型的運(yùn)用

下面以浙江2021-1-29題節(jié)選及其他試題為例，說明該模型的具體運(yùn)用。

例如工業(yè)上，常采用“加碳氯化”的方法以高鈦渣（主要成分為TiO2）為原料生產(chǎn)TiCl4，相應(yīng)的化學(xué)方程式為：

ⅠTiO2（s）+2Cl2（g）[=]TiCl4（g）+O2（g）

△HI=181kJ·mol-1，K1=3.4×10-29

Ⅱ2C（s）+O2（g）[=]2CO（g）

△HII=-221kJ·mol-1，K2=1.2×1048

結(jié)合數(shù)據(jù)說明氯化過程中加碳的理由_________。

首先，從三個(gè)層級(jí)對(duì)該題進(jìn)行審題，尋找證據(jù)

一級(jí)：明確要求結(jié)合數(shù)據(jù)說明氯化過程中加碳的理由。

尋得證據(jù)：生成TiCl4。

二級(jí)：基于證據(jù)分析得出是“自發(fā)性”方向的說理題，然后結(jié)合反應(yīng)Ⅰ產(chǎn)物中有TiCl4的生成，但是反應(yīng)Ⅰ是一個(gè)熵減和吸熱的反應(yīng)，顯然是非自發(fā)的。

三級(jí)：再結(jié)合要求，用數(shù)據(jù)說明，必然需要反應(yīng)Ⅱ與反應(yīng)I耦合，得到反應(yīng)Ⅲ：

2C（s）+TiO2（s）+2Cl2（g）[=]TiCl4（g）+2CO（g）

該反應(yīng)的△H3=-40kJ·mol-1且K3=K1×K2=4.1×1019。

再如（浙江2021-1選考題改編）在一定溫度下，以I2為催化劑，氯苯和Cl2在CS2中發(fā)生平行反應(yīng)，分別生成鄰二氯苯和對(duì)二氯苯，兩產(chǎn)物濃度之比與反應(yīng)時(shí)間無關(guān)。反應(yīng)物起始濃度均為0.5mol·L-1，反應(yīng)30min測(cè)得氯苯15%轉(zhuǎn)化為鄰二氯苯，25%轉(zhuǎn)化為對(duì)二氯苯。保持其他條件不變，若要提高產(chǎn)物中鄰二氯苯的比例，可采用適當(dāng)提高反應(yīng)溫度的方法。

請(qǐng)解釋原因________________________________。

一級(jí)：要求提高產(chǎn)物中鄰二氯苯，證據(jù)：兩產(chǎn)物濃度之比與反應(yīng)時(shí)間無關(guān);采用適當(dāng)提高溫度的方法;分別生成鄰二氯苯和對(duì)二氯苯。

二級(jí)：因?yàn)闈舛戎扰c時(shí)間無關(guān)，必然是二個(gè)平行反應(yīng)以一固定的速率比在進(jìn)行，從而歸化為速率問題。

三級(jí)：單因素（采用適當(dāng)提高溫度的方法）、雙反應(yīng)（分別生成鄰二氯苯和對(duì)二氯苯）。

其次，基于證據(jù)，合理歸化，回歸知識(shí)，同樣從三個(gè)層級(jí)展開。

一級(jí)：著重關(guān)注基本判據(jù)和因數(shù)對(duì)自發(fā)性、速率以及平衡的影響，同時(shí)也是有效證據(jù)的落腳點(diǎn)。如本題為“自發(fā)性”的問題，要?dú)w化到“自發(fā)性”的相關(guān)影響因數(shù)上去。

二級(jí)：著重關(guān)注相關(guān)因數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和更本質(zhì)更內(nèi)涵的影響原因。

①△H、△S、T的關(guān)聯(lián)是△G=△H-T△S;

②從反應(yīng)機(jī)理角度認(rèn)識(shí)催化劑，濃度等因素對(duì)反應(yīng)速率的影響，舉例1進(jìn)行分析;

③從碰撞理論和過渡態(tài)理論的角度去解釋溫度、濃度等因素為何可以影響速率;

④從濃度商Q與平衡常數(shù)K的比較來判斷平衡移動(dòng);

⑤從快慢反應(yīng)來分析動(dòng)態(tài)平衡與整體反應(yīng)。

三級(jí)：著重關(guān)注多因素影響后的一致性與競(jìng)爭(zhēng)性以及實(shí)際生產(chǎn)過程中條件選擇的多維度性。

①轉(zhuǎn)化率（或產(chǎn)率）分為平衡前轉(zhuǎn)化率（或平衡前產(chǎn)率）和平衡轉(zhuǎn)化率（或平衡產(chǎn)率），工業(yè)生產(chǎn)中往往都是一定時(shí)間內(nèi)的平衡前轉(zhuǎn)化率。

②反應(yīng)的選擇性往往包含速率控制的選擇性與平衡控制的選擇性。

最后，套用和演變模型。

通過分析，該題可以套用圖2自發(fā)性的模型來解答。

再如（浙江2020-7選考題節(jié)選）研究CO2氧化C2H6制C2H4對(duì)資源綜合利用有重要意義。相關(guān)的主要化學(xué)反應(yīng)有：

Ⅰ C2H6（g）+CO2（g）[=]C2H4（g）+H2O（g）+CO（g）

Ⅱ C2H6（g）+2CO2（g）[=]3H2（g）+4CO（g）

采用選擇性膜技術(shù)（可選擇性地讓某氣體通過而離開體系）可提高C2H4的選擇性（生成C2H4的物質(zhì)的量與消耗C2H6的物質(zhì)的量之比）。在773K，乙烷平衡轉(zhuǎn)化率為9.1%，保持溫度和其他實(shí)驗(yàn)條件不變，采用選擇性膜技術(shù)，乙烷轉(zhuǎn)化率可提高到11.0%。結(jié)合具體反應(yīng)說明乙烷轉(zhuǎn)化率增大的原因是________________________。

一級(jí)：該題中“乙烷平衡轉(zhuǎn)化率”指明為平衡問題，而影響化學(xué)平衡移動(dòng)的基本因數(shù)無非就“T、C、P”這三種，所以“采用選擇性膜技術(shù)（可選擇性地讓某氣體通過而離開體系）可提高C2H4的選擇性”可以歸為濃度或者分壓的因數(shù)。

二級(jí)：進(jìn)一步通過濃度因數(shù)對(duì)化學(xué)平衡的影響角度來分析回答問題。

三級(jí)：通過進(jìn)一步分析可判斷出這是一個(gè)單因數(shù)單反應(yīng)對(duì)象的問題。

最后，結(jié)合模型就很容易解決了。

四、化學(xué)建模的實(shí)踐反思

在教育改革不斷深化的今天，我們的教學(xué)必須符合國家課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時(shí)也要深刻認(rèn)識(shí)到現(xiàn)在的高考評(píng)價(jià)方式也在不斷變化，越來越突出對(duì)素養(yǎng)的考察，而不僅僅是對(duì)知識(shí)的考察，所以高三教學(xué)，應(yīng)該把傳統(tǒng)的應(yīng)試教學(xué)與素養(yǎng)提升統(tǒng)一起來，通過不斷地改進(jìn)教學(xué)方式，運(yùn)用“證據(jù)推理”來強(qiáng)化“平衡觀與變化觀”，并不斷總結(jié)提，最終通過“構(gòu)建模型”幫助學(xué)生聚三歸一，舉一反三，從而讓學(xué)生在血液中流淌有化學(xué)素養(yǎng)的基因。

（責(zé)任編輯：汪旦旦）

參考文獻(xiàn)：

[1]楊玉琴. 化學(xué)核心素養(yǎng)之“模型認(rèn)知”能力的測(cè)評(píng)研究[J]. 化學(xué)教學(xué)，2017（07）：9-14.

[2]馮品鈺，何彩霞. 發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知的化學(xué)教學(xué)實(shí)踐——以“離子晶體”為例[J]. 教育與裝備研究，2018，34（04）：29-33.

[3]常聰，譚學(xué)才. 證據(jù)推理與模型認(rèn)知核心素養(yǎng)的教學(xué)案例研究[J]. 中學(xué)化學(xué)，2017（09）：9-10.