數(shù)學(xué)建模思維融入高中化學(xué)概念教學(xué)的應(yīng)用分析

鄭志洪

摘 要：目前，在我國高中化學(xué)教學(xué)過程中，很多教師出于對升學(xué)率的考慮，對化學(xué)思維方式的有效培養(yǎng)并沒有足夠重視，導(dǎo)致化學(xué)教學(xué)效果始終無法達(dá)到令人滿意的程度，因此，必須對現(xiàn)行的高中化學(xué)教學(xué)理念和方法進(jìn)行全面改革。作為一種具有較高重要性的科學(xué)認(rèn)知方法和研究方法，數(shù)學(xué)建模思想的有效應(yīng)用能夠?qū)㈦[藏條件轉(zhuǎn)化為已知條件，利用已知條件解決具體問題。筆者針對數(shù)學(xué)建模思想在高中化學(xué)概念教學(xué)中的有效應(yīng)用途徑展開詳細(xì)分析，希望為高中生化學(xué)素養(yǎng)的進(jìn)一步提高及高中化學(xué)教學(xué)水平的進(jìn)一步提升奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué);概念教學(xué);數(shù)學(xué)建模思想

對高中化學(xué)教學(xué)展開的大量實際調(diào)查表明，由于受到傳統(tǒng)應(yīng)試教育的長時間影響，化學(xué)教學(xué)質(zhì)量難以提升，不僅對學(xué)生化學(xué)成績的提高造成嚴(yán)重阻礙，對高中化學(xué)教學(xué)水平的提高也帶來了嚴(yán)重影響。為了使學(xué)生靈活掌握獲取化學(xué)知識的方法，必須加強(qiáng)數(shù)學(xué)思維方法在化學(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用。數(shù)學(xué)思想作為思維方法中具有較高代表性的研究對象，將數(shù)學(xué)建模思想合理融入高中化學(xué)概念教學(xué)中，通過對學(xué)生傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式和教師傳統(tǒng)教學(xué)方式改革，使數(shù)學(xué)建模思想在高中化學(xué)概念教學(xué)中的作用和價值得到充分發(fā)揮。在此基礎(chǔ)上了解應(yīng)用過程中存在的問題，明確導(dǎo)致相關(guān)問題存在的原因，采取多元化的措施將其中存在的問題妥善解決，有利于實現(xiàn)提升高中化學(xué)教學(xué)效率的目標(biāo)。

一、培養(yǎng)高中生在化學(xué)概念教學(xué)中建立數(shù)學(xué)模型思維的途徑

化學(xué)概念學(xué)習(xí)中，概念建模是重要的一環(huán)。2017年版《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出，應(yīng)在高中化學(xué)課堂上培養(yǎng)學(xué)生“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的核心素養(yǎng)，就是應(yīng)用數(shù)學(xué)建模思想建立化學(xué)概念模型。概念建模的關(guān)鍵在于：引導(dǎo)學(xué)生從記住概念向發(fā)現(xiàn)本質(zhì)、重新認(rèn)識核心概念、掌握核心概念應(yīng)用常見模式方向進(jìn)行縱向發(fā)展，推動學(xué)生實現(xiàn)思維層面的成長。傳統(tǒng)高中化學(xué)概念課堂上，教師多重視學(xué)生對概念的理解和應(yīng)用，忽視核心概念的突出和概念知識體系的建立，忽視對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)，忽視探究能力、發(fā)散思維的鍛煉。新課程標(biāo)準(zhǔn)視域下，教師想要實現(xiàn)對學(xué)生化學(xué)概念的模型思維訓(xùn)練效果，必須從以下幾點入手：

（一）提高學(xué)生的抽象思維能力

在學(xué)習(xí)蘇教版高中化學(xué)教材《化學(xué)反應(yīng)原理》時，化學(xué)平衡常數(shù)K是中學(xué)化學(xué)中重要的理論內(nèi)容之一，它涵蓋：化學(xué)平衡、電離平衡、水解平衡、沉淀—溶解平衡，這些都是學(xué)生最難掌握的復(fù)雜抽象內(nèi)容。在討論某可逆反應(yīng)平衡狀態(tài)及移動方向相關(guān)問題時，可以直觀利用Qc與K的大小關(guān)系判斷：

Qc是指任意時刻生成物濃度系數(shù)次方的乘積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次方的乘積之比，K則是平衡時生成物濃度系數(shù)次方的乘積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次方的乘積之比。

當(dāng)Qc=K時，處于化學(xué)平衡狀態(tài)，v（正）=v（逆）;

當(dāng)Qcv（逆）;

當(dāng)Qc>K時，此時向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，v（正）

教師可改變傳統(tǒng)概念四步教學(xué)順序，選擇聯(lián)系舊概念、拋出與新舊概念皆有關(guān)的問題、新舊結(jié)合尋找關(guān)鍵點、挖掘出核心概念的新概念四步教學(xué)順序，用新舊結(jié)合創(chuàng)造出的情境來調(diào)動學(xué)生的概念學(xué)習(xí)積極性，加深學(xué)生對概念的認(rèn)識和理解，提升學(xué)生的探究意識和能力。以有機(jī)物部分為例，教師可先引導(dǎo)學(xué)生回顧初中接觸過的有機(jī)物，動植物有機(jī)體中才能獲得的化合物即脂肪、蛋白質(zhì)、多糖等;要求學(xué)生寫出葡萄糖等有機(jī)化合物的化學(xué)式，學(xué)生記不住的可查資料;鼓勵學(xué)生觀察并總結(jié)有機(jī)化合物化學(xué)式的相似之處，如葡萄糖C6H1206、乙醇CH3CH2OH、乙酸CH3COOH;構(gòu)造出碳元素、氧元素、氫元素與有機(jī)化合物關(guān)系的核心概念模型。

例如，“有效碰撞理論的建立基于氣體動力學(xué)理論，認(rèn)為只有分子碰撞滿足能量要求和空間取向要求時才是有效碰撞，化學(xué)反應(yīng)才能發(fā)生。過渡態(tài)理論認(rèn)為，反應(yīng)物分子先形成活化能配合物，作為反應(yīng)的中間狀態(tài)?；罨锬芰亢芨?，不穩(wěn)定，重新分解為反應(yīng)產(chǎn)物。”根據(jù)這一段表述，教師給出一張物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的過程圖表，要求學(xué)生在圖中標(biāo)注出“正反應(yīng)活化能”，并結(jié)合表述解釋溫度和催化劑對反應(yīng)速率產(chǎn)生影響的方式。這是一道構(gòu)建情境，然后要求學(xué)生在情境中應(yīng)用已知模型解決問題的題目，對學(xué)生的建模思想有較高要求。

（二）科學(xué)構(gòu)建模型，培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)知識點舉一反三的能力

培養(yǎng)學(xué)生在化學(xué)概念教學(xué)中建立數(shù)學(xué)建模思維，歸根結(jié)底是培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)知識解決化學(xué)問題的能力。

比如，在學(xué)習(xí)蘇教版高中化學(xué)教材“元素化合物”相關(guān)知識的過程中，為了保證學(xué)生對元素化合物相關(guān)知識點的掌握和讓記憶更加深刻，在學(xué)習(xí)相關(guān)知識之前，要對質(zhì)量守恒定律、氧化還原反應(yīng)等輔助手段和工具進(jìn)行全面了解，可以選擇對應(yīng)習(xí)題，加強(qiáng)學(xué)生對這一部分知識點的掌握及記憶。

例如，4.6g的銅鎂合金完全溶入濃硝酸中，硝酸被還原，如果只產(chǎn)生四氧化二氮氣體336ml、二氧化氮氣體4480ml（標(biāo)準(zhǔn)狀況下），那么將氫氧化鈉溶液加入反應(yīng)后的溶液中，沉淀物的生成質(zhì)量最大為多少？

A.9.02g? B.8.51g? C.8.26g? D.7.04g

這道題主要是考查學(xué)生對合金問題的計算能力，由于生成的沉淀物為氫氧化銅與氫氧化鎂，氫氧根離子與金屬陽離子結(jié)合增加的質(zhì)量就是沉淀增加的質(zhì)量。與此同時，與金屬陽離子結(jié)合的氫氧根離子的物質(zhì)的量，就是反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量。學(xué)生根據(jù)學(xué)過的電子得失守恒定律能夠知道，金屬失去的電子物質(zhì)的量為：

4.48L÷22.4L/mol+0.336L÷22.4L/mol×2=0.23mol。

氫氧根離子與金屬陽離子結(jié)合后，共消耗的氫氧根離子的總量為0.23mol，對應(yīng)的質(zhì)量為3.91g，那么通過計算得到最終的沉淀質(zhì)量為8.51g，B為最終確定答案。通過對此例題的分析與解答，學(xué)生能夠知道，先將銅和鎂失去的電子數(shù)計算出來，得到與銅和鎂離子相結(jié)合的氫氧根離子的量，得到題目最終要求的沉淀量。

此類題型在高中化學(xué)元素化合物這一部分中比較常見，運用得失電子守恒定律可以快速求出氫氧根離子的質(zhì)量。此時教師可以對學(xué)生提出問題，在計算氫氧根質(zhì)量的過程中，所用到的知識點具體是什么？經(jīng)過對例題的分析，學(xué)生能夠知道運用的知識點主要為得失電子守恒，在解決此類問題時，具有一套固定的數(shù)學(xué)思維模式。

如果將題目中的已知條件進(jìn)行改變，變成過量的12mol/L硝酸100ml，然后在原問題——沉淀量達(dá)到最大值時，求加入1mol/L氫氧化鈉的體積為多少？那么氫氧根離子不僅與銅離子、鎂離子反應(yīng)，還會與過量剩余的硝酸反應(yīng)。由于存在物料守恒定律，當(dāng)沉淀達(dá)到最大時，硝酸鈉作為溶質(zhì)，此時溶液中的氮元素與鈉元素呈現(xiàn)質(zhì)量守恒，可以達(dá)到解題目的。此時教師再次提問，你是否知道與例題類型相似的題目？根據(jù)對相關(guān)知識點的學(xué)習(xí)和對各種化學(xué)元素特點的了解，有的學(xué)生可能還會列舉出在過量的鹽酸中加入鎂鋁合金，然后將氫氧化鈉溶液倒入剩余鹽酸溶液中，當(dāng)產(chǎn)生的沉淀量最大時，沉淀質(zhì)量為多少的例子。學(xué)生列舉的這道題與例題解題思路相似，都是向溶液中先后加了酸和堿。通過對這類例子解題思路的分析，數(shù)學(xué)思維模型的建立，能夠使學(xué)生對化學(xué)知識的掌握更加牢固[4]。

結(jié)束語

根據(jù)圍繞數(shù)學(xué)建模思想在高中化學(xué)概念教學(xué)中的有效應(yīng)用途徑展開的深入研究和詳細(xì)分析，我們能夠更加明確地了解，通過對數(shù)學(xué)建模思維平臺的科學(xué)搭建，能夠使學(xué)生單一的思維模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘣瘜W(xué)習(xí)方式，以靈活應(yīng)用思維全面替代傳統(tǒng)僵化思維，創(chuàng)新思維徹底代替?zhèn)鹘y(tǒng)守舊思維。長此以往，不僅能夠使學(xué)生數(shù)學(xué)思維得到全面提高，對化學(xué)知識也會產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)興趣，將自身的注意力全部集中在教師設(shè)計的教學(xué)內(nèi)容中，對化學(xué)知識進(jìn)行積極主動的學(xué)習(xí)，使高中化學(xué)課堂具有的合作交流性和探究性進(jìn)一步提高，還能積極響應(yīng)并落實《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）提出的“普通高中化學(xué)課程是與義務(wù)教育化學(xué)或科學(xué)課程相銜接的基礎(chǔ)教育課程，是落實立德樹人根本任務(wù)、發(fā)展素質(zhì)教育、弘揚科學(xué)精神、提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要載體”。與此同時，通過教師的積極引導(dǎo)，學(xué)生能夠養(yǎng)成對化學(xué)知識進(jìn)行獨立思考的意識，再通過不斷的練習(xí)，還能使學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力得到進(jìn)一步提高，使學(xué)生在數(shù)學(xué)建模思維的作用下，全面提高自身的化學(xué)核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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