淺析模型法在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

張愛平

[摘? ?要]模型法在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用十分廣泛。通過對(duì)化學(xué)模型方法的特點(diǎn)、分類及其在教學(xué)素材中的存在形式進(jìn)行分析，梳理了模型法在高中化學(xué)教學(xué)中的功能價(jià)值及基本教學(xué)策略。

[關(guān)鍵詞]模型法;高中化學(xué);功能價(jià)值;教學(xué)策略

一、化學(xué)模型的特點(diǎn)及基本類型

在化學(xué)科學(xué)研究和學(xué)習(xí)中，將實(shí)驗(yàn)及觀察所得的科學(xué)事實(shí)（原型）進(jìn)行系統(tǒng)的抽象和簡化模擬而形成的物理的、符號(hào)的、圖像的或思維的模式，就是化學(xué)模型?；瘜W(xué)模型能簡化并揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì);通過化學(xué)模型能形象而直觀地獲得對(duì)原型組成要素及其邏輯關(guān)聯(lián)的整體認(rèn)識(shí)。因此，化學(xué)模型作為一種特殊媒介，為研究和學(xué)習(xí)化學(xué)提供了有效的認(rèn)識(shí)工具、程序和方法。

在中學(xué)化學(xué)中出現(xiàn)的模型，按照其代表原型的方式，大致可分為物理模型、數(shù)學(xué)模型和思維模型。物理模型通常是指一個(gè)真實(shí)的裝置或一個(gè)真實(shí)的過程，如分餾塔模型、溶液的配置方法等;數(shù)學(xué)模型是從化學(xué)現(xiàn)象中高度抽象出來，利用規(guī)范的圖標(biāo)、符號(hào)和公式等對(duì)其進(jìn)行精確定量刻畫的模型，如分子式、化學(xué)方程式等;思維模型是研究程序、方法和結(jié)果的系統(tǒng)映像，如有效碰撞模型、雙線橋法配平氧化還原方程式等。另外，有些模型兼具多類模型的特點(diǎn)，而某些模型也會(huì)隨著研究的深入被不斷修正。

二、高中化學(xué)教學(xué)素材中的化學(xué)模型

高中是基礎(chǔ)教育的最高階段，教學(xué)內(nèi)容較之于初中有了明顯的加深和拓寬，化學(xué)問題在時(shí)空上與人的感官不再那么容易匹配，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不再那么外顯，因果關(guān)系也更加復(fù)雜化、理論化;同時(shí)，對(duì)化學(xué)現(xiàn)象的解釋本身幾乎都是以模型的形式呈現(xiàn)的，模型是化學(xué)知識(shí)特別是化學(xué)理論的主要表達(dá)方式，而學(xué)生對(duì)化學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)，教師對(duì)化學(xué)知識(shí)的闡釋都離不開模型方法。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中使用“模型”直接描述的地方有多處，主要涉及描述物質(zhì)結(jié)構(gòu)所用的物理模型，目標(biāo)是認(rèn)識(shí)模型法對(duì)化學(xué)研究的作用，要求學(xué)生理解并在化學(xué)學(xué)習(xí)中初步學(xué)會(huì)運(yùn)用模型方法。在人教版高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教科書中有大量化學(xué)模型的素材和內(nèi)容（見表1），主要以示意圖、模型圖、結(jié)構(gòu)圖或表的方式呈現(xiàn)，還包括數(shù)以百計(jì)的方程式。這些化學(xué)模型簡要而精確地概括了化學(xué)的核心主干知識(shí)，成為教師教學(xué)的基礎(chǔ)素材和重要手段。模型方法在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的相關(guān)表述為“模型認(rèn)知”，要求學(xué)生能認(rèn)識(shí)化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運(yùn)用多種模型來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象，并預(yù)測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果;能依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。由此可見，模型認(rèn)知屬于“化學(xué)認(rèn)識(shí)世界”的范疇，體現(xiàn)了化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)從認(rèn)識(shí)方法、方式和視角方面對(duì)化學(xué)學(xué)科能力提出的基本要求。

三、不同化學(xué)模型的功能價(jià)值及基本教學(xué)策略

1.物理模型突出學(xué)科的實(shí)踐特點(diǎn)

工業(yè)生產(chǎn)模型可以通過對(duì)化學(xué)反應(yīng)過程的拉伸或擠壓，或?qū)κ挛矬w積的放大和縮小來突破時(shí)間和空間的限制，使物質(zhì)組成、化學(xué)反應(yīng)和操作變得直觀、定量和易感知。很多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備模型在制作時(shí)會(huì)依據(jù)原型按比例縮小，對(duì)所含部件也進(jìn)行了刪減，但用來模擬真實(shí)設(shè)備工作的關(guān)鍵部件卻盡量齊全和逼真，以便揭示設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理和流程。該類模型體現(xiàn)了理論和實(shí)際的結(jié)合，直觀性強(qiáng)，在教學(xué)中合理地使用能引起學(xué)生的興趣，并使學(xué)生便于認(rèn)識(shí)工業(yè)生產(chǎn)內(nèi)部運(yùn)行的流程和反應(yīng)的過程。如將石油煉制的三次加工過程制作成光電顯示的煉油塔剖面物理模型并配合互動(dòng)觸屏加以介紹（見圖1），能讓學(xué)生對(duì)石油煉制工藝的基本流程及其產(chǎn)品獲得更直觀和具體的認(rèn)識(shí)。

玻璃儀器、實(shí)驗(yàn)裝置和操作流程可使化學(xué)反應(yīng)過程可視化、定量化和程序化，這對(duì)化學(xué)研究和學(xué)習(xí)具有劃時(shí)代的意義。在教學(xué)中人為地創(chuàng)造條件模擬實(shí)際，使學(xué)生能夠以較短的時(shí)間、方便的空間、較小的代價(jià)獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而形成化學(xué)概念，理解并鞏固化學(xué)知識(shí)，提高觀察、分析、解決問題的能力。

使用化學(xué)結(jié)構(gòu)模型能幫助學(xué)生了解物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成微粒的相對(duì)位置和相互作用方式等。如可利用橡皮泥、蘿卜丁及牙簽或有機(jī)球棍模型教具，讓學(xué)生動(dòng)手制作有機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)物模型，既可降低學(xué)習(xí)難度，又能調(diào)動(dòng)學(xué)生創(chuàng)造的興趣和學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性。此外，使用多媒體手段制作物質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)或三維動(dòng)態(tài)模型，能夠更形象而具體地展示復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，使學(xué)習(xí)過程變得更加有趣。

2.數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)抽象化的精確描述

數(shù)學(xué)模型可用于對(duì)化學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行定性或定量的刻畫，從而使人們對(duì)新事物發(fā)展的預(yù)期和控制成為可能。化學(xué)符號(hào)、方程式、圖像及圖表等都屬于抽象數(shù)學(xué)模型，是一類“化學(xué)用語”，體現(xiàn)出化學(xué)語言的簡潔和嚴(yán)謹(jǐn)之美。使用數(shù)學(xué)模型既可增強(qiáng)課本閱讀的趣味性，也為學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)模型方法提供了有效的平臺(tái)和策略，可降低化學(xué)概念和理論知識(shí)學(xué)習(xí)的難度。這些采取特定符號(hào)、按照特定組合方式代替原型，用于揭示原型的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的研究方法，能幫助學(xué)生突破感官和時(shí)空的局限性，充分發(fā)揮抽象和推理能力，從感性認(rèn)識(shí)躍進(jìn)到理性認(rèn)識(shí)，在學(xué)習(xí)化學(xué)概念和理論的過程中獲得對(duì)化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)認(rèn)識(shí)，并發(fā)展創(chuàng)造性思維和實(shí)踐能力[1]。

化學(xué)學(xué)科已形成了一套簡明、通用、嚴(yán)密、科學(xué)、形式多樣的符號(hào)系統(tǒng)，能在質(zhì)和量兩個(gè)方面對(duì)物質(zhì)的本質(zhì)和變化規(guī)律進(jìn)行科學(xué)表征和預(yù)測。化學(xué)符號(hào)是學(xué)習(xí)和應(yīng)用化學(xué)必須掌握的基本工具。如平衡方程式“H2O+H2O？葑H3O++OH-”清晰地表征了水分子電離過程中原子的重新組合及微粒帶電的信息。同時(shí)，化學(xué)符號(hào)模型也具有一定的復(fù)雜性。因此，在化學(xué)教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生熟練掌握符號(hào)，以便能夠根據(jù)情景選擇合理的數(shù)學(xué)模型解決化學(xué)問題。

3.思維模型體現(xiàn)重要的方法性內(nèi)容

思維模型是對(duì)已知事物的各種性質(zhì)、在運(yùn)行或變化中的表現(xiàn)及其所具有的功能進(jìn)行科學(xué)分類與歸納，同時(shí)提煉出對(duì)問題的有效認(rèn)知程序，實(shí)現(xiàn)精確而簡潔的解決，并以規(guī)范的語言進(jìn)行表達(dá)。它主要用于指導(dǎo)認(rèn)識(shí)和預(yù)測新事物可能具有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行途徑和變化趨勢，尤其在化學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和同類問題的解決策略方面應(yīng)用廣泛。

可將相互聯(lián)系的化學(xué)知識(shí)點(diǎn)，依據(jù)一定的認(rèn)知方法連接成網(wǎng)，構(gòu)建認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型，形成解決相似問題的程序或途徑，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)事物變化過程中各種因素間的邏輯關(guān)系，這是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科思維的重要途徑。如可以二維坐標(biāo)的形式建構(gòu)鐵及其化合物的認(rèn)知結(jié)構(gòu)模型（見圖2），使學(xué)生能夠從氧化還原的角度分析化合物間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，同時(shí)強(qiáng)化對(duì)物質(zhì)類別通性的認(rèn)識(shí)。又如，可按照原理維度、裝置維度和任務(wù)維度建構(gòu)認(rèn)識(shí)原電池和電解池的電化學(xué)認(rèn)知模型，使學(xué)生能夠結(jié)合自身知識(shí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從裝置構(gòu)成、反應(yīng)及現(xiàn)象（原理）維度系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)兩類電化學(xué)裝置。該模型也有利于教師根據(jù)不同學(xué)生的思維水平和能力發(fā)展需求，設(shè)置分析型和設(shè)計(jì)型任務(wù)，具有良好的實(shí)用價(jià)值[2]。

可在處理相似問題的過程中，總結(jié)出解決同類問題的策略和方法，構(gòu)建思路方法模型。如對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的“列三行”法，可通過列出反應(yīng)前、反應(yīng)中（消耗）和反應(yīng)后（剩余）的濃度或物質(zhì)的量參數(shù)，方便地獲得反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和平衡常數(shù)等（見圖3）。經(jīng)典思路方法的應(yīng)用可以讓解決問題的程序變得邏輯嚴(yán)密且清晰、過程精確而簡潔，并能以規(guī)范的語言獲得最終表達(dá)。

總之，化學(xué)模型滲透于高中化學(xué)的方方面面，對(duì)于促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)、發(fā)展能力、提高科學(xué)素養(yǎng)、養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度等都具有重要作用。因此，結(jié)合化學(xué)教學(xué)的具體內(nèi)容，有計(jì)劃、循序漸進(jìn)地引導(dǎo)學(xué)生開展模型認(rèn)知方法的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練十分必要，也是落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

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