黃娟 吳軍

[摘? ?要]以原子模型演變的歷史為例，論述了建構(gòu)模型是接近真理的有效方式;以元素周期表的發(fā)展史為例，論述了運(yùn)用模型會(huì)推動(dòng)化學(xué)學(xué)科不斷發(fā)展;通過具體例子介紹了模型思想在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用。

[關(guān)鍵詞]模型;功能;運(yùn)用;中學(xué)化學(xué)

[中圖分類號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2021）26-0069-03

我國中學(xué)理科課程一直非常重視對(duì)“模型”的應(yīng)用。例如，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中有9處提到了“模型”一詞;《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出高中化學(xué)課程要以發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)為主旨，“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”被列為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的要素之一，并且在內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中的“模型”多達(dá)28處[1];在教學(xué)建議中提到，利用模型提高教學(xué)質(zhì)量和效率。雖然教師已經(jīng)開始注重在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知素養(yǎng)，但不少教師對(duì)模型認(rèn)知素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)不足，缺乏行之有效的教學(xué)策略。本文試圖以具體的例子說明模型的功能及其在教學(xué)中的運(yùn)用。

一、模型的功能

1.建構(gòu)模型是接近真理的有效方式

無論是近代科學(xué)探究還是現(xiàn)代科學(xué)探究，都表現(xiàn)為模型的建構(gòu)，其目的是建立解決復(fù)雜問題的思維框架，或是架設(shè)起通向真理的橋梁。無數(shù)的歷史事件的發(fā)展過程證明，基于證據(jù)與推理可以促進(jìn)事物變革更快地發(fā)生，利用模型揭示復(fù)雜對(duì)象的本質(zhì)和規(guī)律的過程中，理論假說在模型建構(gòu)、運(yùn)用、修正的過程中不斷演進(jìn)，讓人類的認(rèn)識(shí)逐漸逼近真理。

以原子模型的演變?yōu)槔齕2-4]，就可以說明建構(gòu)模型是接近真理的有效方式。從均勻分布的葡萄干面包模型到核式結(jié)構(gòu)的行星模型，再到電子云模型，每一個(gè)模型的修正都是對(duì)前一個(gè)模型的揚(yáng)棄。科學(xué)家經(jīng)過近一個(gè)世紀(jì)的研究，通過原子模型的建構(gòu)、運(yùn)用、評(píng)價(jià)、修正，人類才實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子原型的認(rèn)知。通過建構(gòu)原子模型從而將復(fù)雜的物質(zhì)現(xiàn)象和過程進(jìn)行抽象的概括和簡(jiǎn)化，進(jìn)而增進(jìn)人們對(duì)其本質(zhì)的理解和認(rèn)識(shí)。原子結(jié)構(gòu)模型的演變歷史與無數(shù)的歷史事件的發(fā)展過程都可證明：建構(gòu)模型可以推動(dòng)人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)不斷向前發(fā)展;模型在實(shí)踐運(yùn)用中不斷修正和重構(gòu)、發(fā)展和完善，使理論假說不斷演進(jìn)，人類的認(rèn)識(shí)逐漸逼近真理，如此人類才能在探索未知世界的道路上取得一個(gè)又一個(gè)偉大的成就。教師在教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生的理解水平和教學(xué)內(nèi)容建構(gòu)化學(xué)模型，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)模型建構(gòu)過程的同時(shí)幫助學(xué)生理解物質(zhì)現(xiàn)象和化學(xué)過程。

2.運(yùn)用模型是化學(xué)發(fā)展的推動(dòng)力

模型是科學(xué)解釋和科學(xué)預(yù)測(cè)的重要工具。建構(gòu)模型是科學(xué)研究的重要方法，但科學(xué)研究的最終成果不是模型，而是運(yùn)用模型建立一個(gè)具有解釋、預(yù)言和發(fā)現(xiàn)功能的邏輯體系，科學(xué)認(rèn)識(shí)還需要在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化才能逼近真理。運(yùn)用模型認(rèn)知，化學(xué)家可以“看到”他們?cè)噲D研究的原型和過程，據(jù)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和探究活動(dòng)，進(jìn)而支撐他們的邏輯推理和知識(shí)建構(gòu)。

以元素周期表的應(yīng)用為例，對(duì)于條件不成熟、不完備的19世紀(jì)來說是一項(xiàng)極其艱巨的任務(wù)。在不知道電子、不知道原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的漫長歲月里，整個(gè)19世紀(jì)對(duì)元素的研究只能猜這猜那，徘徊不前。1869年，門捷列夫建立第一個(gè)元素周期表。有了元素周期表這個(gè)模型之后，門捷列夫在研究元素時(shí)，利用周期表，科學(xué)、成功地猜測(cè)了11種未知元素，為它們?cè)谥芷诒碇蓄A(yù)留位置。如他認(rèn)為在鋁下方有一個(gè)與鋁類似的元素“類鋁”，并預(yù)測(cè)了它的性質(zhì)。1875年，法國化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這種元素，將它命名為鎵。鎵的性質(zhì)與門捷列夫猜測(cè)的一樣。門捷列夫還預(yù)言了“隱鍺”的存在和性質(zhì)，多年后獲得了證實(shí)[5]。此后，人們?cè)谠刂芷诒磉@個(gè)模型的指導(dǎo)下，對(duì)元素的性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，推動(dòng)了化學(xué)學(xué)科的發(fā)展。不僅如此，元素周期律和周期表為新元素的發(fā)現(xiàn)及預(yù)測(cè)它們的原子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供了線索。由于在周期表中位置靠近的元素性質(zhì)相近，這樣就啟發(fā)了人們?cè)谥芷诒碇幸欢ǖ膮^(qū)域內(nèi)尋找新的物質(zhì)。周期表有助于人們對(duì)很多化學(xué)問題進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)言和成功解決，它與無數(shù)的歷史事件的發(fā)展過程證明了模型認(rèn)知可以促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展更快地發(fā)生。

二、模型在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用

化學(xué)科學(xué)模型是認(rèn)識(shí)物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)過程中所體現(xiàn)出的具有化學(xué)學(xué)科特征的具體或抽象的表征。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中運(yùn)用模型促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)，能夠有效促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)識(shí)發(fā)展[6]，繼而促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提高。

1.運(yùn)用模型深化概念的理解

模型的形象化表征可以為理解抽象的概念提供幫助。建構(gòu)模型時(shí)，可以使用語言、圖畫、圖表等工具進(jìn)行表征，模型的形象化表征方式可以減少其所呈現(xiàn)的現(xiàn)象和過程的復(fù)雜性，讓抽象理論更易于被解釋和理解，而對(duì)化學(xué)概念的準(zhǔn)確解讀有利于化學(xué)知識(shí)的順利傳承，有效的化學(xué)教學(xué)首先應(yīng)是基于化學(xué)概念的教學(xué)。要使抽象的概念在學(xué)生頭腦中留下深刻的印象，就必須使其形象化、具體化，而運(yùn)用模型深化概念的理解就是一種有效的途徑。

如教學(xué)質(zhì)子守恒概念時(shí)，一般會(huì)聯(lián)立物料守恒式與電荷守恒式，消去與質(zhì)子得失無關(guān)的離子得到質(zhì)子守恒式[7-8]。上述方法中兩式聯(lián)立的處理過程較為煩瑣，只不過是書寫質(zhì)子守恒式的一種技巧處理，與質(zhì)子守恒概念聯(lián)系不大。學(xué)生對(duì)這種教學(xué)處理方式有如下疑惑：什么是質(zhì)子守恒？這種解法看不出它與質(zhì)子守恒有什么關(guān)聯(lián)，不利于學(xué)生理解質(zhì)子守恒的概念。教學(xué)中教師沒有很好地詮釋質(zhì)子守恒的概念，學(xué)生不易掌握，寫質(zhì)子守恒式時(shí)容易出錯(cuò)。

筆者基于學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，列出水、酸的電離反應(yīng)式和鹽類的水解反應(yīng)式，再根據(jù)“產(chǎn)物得質(zhì)子總數(shù)=產(chǎn)物失質(zhì)子總數(shù)”，建構(gòu)如下質(zhì)子守恒式的書寫模型。

例如，寫出a mol/L的Na2CO3和b mol/L的CH3COONa混合溶液的質(zhì)子守恒式。列出水的電離反應(yīng)式、CH3COO-離子的水解反應(yīng)式、CO32-離子的水解反應(yīng)式，具體如下：

該溶液的質(zhì)子守恒式為：c（H+）+c（HCO[-3]）+2c（H2CO3）+c（CH3COOH）=c（OH-）

運(yùn)用此模型需注意：列出水、酸的電離反應(yīng)式和鹽類的水解反應(yīng)式時(shí)，得質(zhì)子產(chǎn)物與失質(zhì)子產(chǎn)物分別寫在同一邊。由于該模型很好地詮釋了質(zhì)子守恒的概念，應(yīng)用上述等式關(guān)系及模型，可順利書寫質(zhì)子守恒式。

2.運(yùn)用模型形成解決問題的思維模式

堆砌知識(shí)不是能力，將知識(shí)組織成一個(gè)邏輯嚴(yán)密、判據(jù)清晰，達(dá)到最大范圍統(tǒng)一和自洽的知識(shí)體系，才稱得上能力。因此，需要及早地培養(yǎng)學(xué)生能夠邏輯嚴(yán)密、判據(jù)清晰地組織知識(shí)體系的能力。中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，將解決問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)或步驟以簡(jiǎn)明扼要的形式進(jìn)行羅列，凸顯其條理性與可操作性，幫助學(xué)生形成解答問題的思路模型，規(guī)范解題模式，使本來復(fù)雜而難以掌握的問題變得有規(guī)律可循。運(yùn)用模型解決問題會(huì)更方便、更有效率，更為關(guān)鍵的是可為學(xué)生建立終身學(xué)習(xí)的“長效機(jī)制”。

如書寫陌生氧化還原反應(yīng)的離子方程式，在化工流程圖題與實(shí)驗(yàn)探究題中頻頻出現(xiàn)，涉及的考點(diǎn)多且雜亂，?？家族e(cuò)。有效的做法是建構(gòu)一個(gè)解決問題的思維模式。例如，Na2S2O3還原性較強(qiáng)，在溶液中易被Cl2氧化成SO42-，因此，Na2S2O3常用作脫氧劑。該離子方程式的書寫程序?yàn)椋?/p>

①利用信息寫出氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物。

S2O32-+Cl2——SO42-+Cl-

②利用電子轉(zhuǎn)移相等配平氧化劑、還原劑、氧化產(chǎn)物與還原產(chǎn)物。

S2O32-+4Cl2——2SO42-+8Cl-

③根據(jù)電荷守恒在方程式兩邊補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)目的H+或OH-。

S2O32-+4Cl2——2SO42-+8Cl-+10H+

④根據(jù)原子守恒配平方程式，如補(bǔ)充相應(yīng)數(shù)目的H2O等。

S2O32-+4Cl2+5H2O=2SO42-+8Cl-+10H+

在練習(xí)中，如果書寫陌生氧化還原反應(yīng)離子方程式的時(shí)候不按程序進(jìn)行，而是毫無章法地去書寫將很困難，甚至不能完成。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生將眾多的陌生氧化還原反應(yīng)離子方程式書寫的分析思路與策略方法進(jìn)行抽象概括，形成解決問題的程序與模型，真實(shí)體驗(yàn)建模學(xué)習(xí)的重要性。

3.運(yùn)用模型搭建思維階梯

中學(xué)化學(xué)學(xué)習(xí)中，有時(shí)并不是很深?yuàn)W的知識(shí)也會(huì)讓學(xué)生知“難”而退，主要原因不是知識(shí)有多深、多難，而是缺乏引導(dǎo)學(xué)生思考的階梯。因此，教師設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)應(yīng)結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，把握學(xué)生的接受能力，給學(xué)生搭建適當(dāng)高度的思維階梯，促進(jìn)學(xué)生把若干個(gè)小成功疊加成一個(gè)較大的成功，不斷地體會(huì)到通過自己的努力收獲成功的喜悅，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而提高課堂教學(xué)的實(shí)效。

例題：一定溫度條件下，在一體積不變的密閉容器中投入1 mol N2O4，發(fā)生反應(yīng)：N2O4（g） =2NO2（g），平衡時(shí)N2O4的含量為M%。 若再投入1 mol N2O4，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)N2O4的含量為N%，則M%與N%的大小關(guān)系如何？

這道題的判斷結(jié)果不是大就是小，二選一，但學(xué)生經(jīng)常無法求得正確答案。要得到本題答案并讓學(xué)生信服，必須建構(gòu)模型為學(xué)生搭建思維階梯。

解析：直接比較題設(shè)的兩個(gè)平衡狀態(tài) （平衡態(tài)Ⅰ、 Ⅱ） 確實(shí)難以下手。為此，可以建構(gòu)一個(gè)參照模型即平衡態(tài)Ⅲ，它與平衡態(tài)Ⅰ等同或等效，增大壓強(qiáng)使平衡態(tài)Ⅲ體積縮小轉(zhuǎn)化為平衡態(tài)Ⅱ，分析過程如圖1所示。平衡態(tài)Ⅲ就是一個(gè)假定的參照模型，就是在平衡態(tài)Ⅰ與平衡態(tài)Ⅱ之間搭建的思維階梯。

運(yùn)用模型是一種搭建思維階梯的有效方法。用淺顯、具體、生動(dòng)的模型來代替抽象、難理解的原型，可使學(xué)生的學(xué)習(xí)處于一種熟悉的背景中，增加說服力，突出原型事物的特點(diǎn)，把原型事物刻畫得入木三分。運(yùn)用模型搭建思維階梯的做法在教學(xué)中隨處可見，如電子式、球棍模型、比例模型等都是思考原型的階梯。只不過以前運(yùn)用模型進(jìn)行教學(xué)是無意識(shí)的行為;如今，化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中明確提到“模型認(rèn)知”，需要我們有意識(shí)地去研究化學(xué)模型，掌握化學(xué)模型在教學(xué)中的運(yùn)用方法，利用模型建構(gòu)促進(jìn)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)和化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

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（責(zé)任編輯 羅 艷）