利用模型建構，提升化學核心素養

陳柳芳　許美蓮

【摘要】化學模型是以理想化的思維方法，對化學事實進行近似、形象和整體的描述。通過化學模型的建構與應用，可以促進學生的科學思維以及心智模型的改進，有利于學生化學核心素養的提高。

【關鍵詞】化學模型；建構；化學教學

【基金項目】注：本文是2017年湛江市中小學教育科學“十三五”規劃重點課題“基于核心素養的高中化學‘教、學、評三維研究”研究成果，課題編號2017ZJZD017。

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】B 【文章編號】2095-3089（2017）34-0101-02

一、問題的提出

化學是在原子、分子水平上研究物質性質及其變化的科學，原子、分子不可見，化學客觀規律、物質性質及其變化的解釋亦十分抽象，學生通常無法為宏觀的實驗現象與符號搭起聯系的橋梁，或者只是記憶特定表征形式所建構的化學理論、實驗的結果以及特定的化學反應，這種割裂的、片段式的學習無法統整與理解化學符號與宏觀現象的關聯”[1]。其結果是既帶來學生化學基本觀念的匱乏，也造成了化學教學科學素養教育價值的貧乏。解決這一矛盾的有效方式之一，就是在化學教學中利用模型建構，化抽象為具體、化復雜為簡單、化深奧為淺顯，促進學生自主學習。

二、化學模型的含義及意義

化學模型是在已獲得大量感性認識的基礎上，以理想化的思維方法，對化學事實進行近似、形象和整體的描述。這種描述可以是定性的（如對原子結構的描述），也可以是定量的（如PV=nRT）。有的借助于具體的實物來描述（如分子結構的球棍模型），有的則通過抽象的形式（如符號、文字、公式等）來描述[2]，或者借助虛擬的過程來描述。模型（model）與建模（modeling）是科學發展的重要元素，也是科學學習中不可或缺的認知與能力[3]。化學學習中的模型認知活動能促使學生全面深刻地理解化學模型的性質、作用、使用范圍及其局限性等，并學會建構、檢驗模型，使用多種模型來表達、解釋同一現象等[4]。美國《下一代科學教育標準》將“建構和應用模型”作為8個重要的科學與工程實踐活動之一。我國目前進行的高中化學課程標準修訂中亦將“模型認知”作為化學核心素養的重要組成部分[5]。通過化學模型的建構與應用，培養學生掌握認識事物的一般方法，促進學生的科學思維以及心智模型的改進，有利于學生化學核心素養的提高。

三、促進學生建構化學模型的教學策略

1.創設情境促進化學模型的建構

科學模型是科學性和假定性的辯證統一。它不僅要接受實踐的檢驗，而且要在實踐中不斷擴充、改進和修正。因此，在對化學模型的認識、建構和應用過程中：教師既要將注意力放在仔細觀察學生獲得觀念的發展上；也要關注學生的已有知識經驗，考察已有的心智模型類型及特點，同時還要關注其化學模型的發展歷程[6]。“化學平衡的移動”在平衡思想的建構中處于核心地位，其思想貫穿于整個高中化學知識體系，蘊藏豐富的發展學生核心素養的目標素材。該部分內容既有理論的支撐，更與生產生活中的實際應用密不可分，教師要充分利用素材，創設情境，讓學生自主構建原理，發展學生創新意識和尊重實驗事實的科學探究素養，鍛煉學生的思維能力，動手能力、概括能力。

在進行化學平衡內容教學時，要引導學生從本質上認識平衡移動的方向是由濃度商（Q）與平衡常數（K）的關系決定的，建立運用平衡常數和濃度商定量判斷平衡移動方向的模型。在一定條件下，可逆反應總是從不平衡走向平衡，當QK，平衡向逆反應方向移動。再以實驗事實知道影響平衡狀態的三個因素———溫度、濃度、壓強，自主建構并掌握平衡移動規律。

學生通過實驗，可觀察到向水溶液中橙色的重鉻酸根（Cr2O72-）與黃色的鉻酸根（CrO42-）建立的平衡關系：Cr2O72-（橙色）+H2O2CrO42-（黃色）+2H+分別加入硫酸溶液和氫氧化鈉溶液時，加入硫酸即增加生成物濃度，橙色加深，平衡向逆反應方向移動，加入氫氧化鈉即減少生成物濃度，溶液從橙色變為黃色，平衡向正反應方向移動，理解平衡是動態可移動的。

對壓強和溫度的影響，均選用二氧化氮建立的平衡體系2NO2（g）N2O4（g）， △H<0為對象，當增大壓強將注射器體積減小至原來一半時，學生可以看到氣體顏色先變深后變淺，但比壓縮前要深，再減小壓強拉動活塞使體積增大為原來一倍時，可以看到氣體顏色先變淺后變深，但比拉伸前淺。學生通過分析可以得出，增大壓強平衡向氣體分子數減少的方向移動，減小壓強，平衡向氣體分子數增大的方向移動，但最終移動的結果還是沒有完全抵消掉條件改變造成的影響，加深學生對減弱而不是抵消的理解。條件具備，也可借助傳感實驗定量驗證理論規律。對于溫度的影響，采用雙球實驗，根據冷水和熱水中，現象差異，得出升高溫度，平衡向吸熱方向移動。通過實驗，學生可自主建構平衡移動原理：當改變影響平衡的條件之一（如參加反應的化學物質濃度、壓強、溫度），平衡將向著能夠減弱這種改變的方向移動。再結合平衡移動的本質，利用Q與K的關系來分析平衡移動方向，通過各因素對正逆反應速率的影響，分析具體過程。通過創造情境，學生實現了由事實到理論的升華，體會到科學思維的發展歷程，增強其對知識的理解和應用能力。

2.從思維的起點出發逐步建構化學模型

化學模型的大部分內容都是思維的產物，這就要求我們在化學模型的建構中要從最簡單的問題開始，即從思維的起點開始，經歷學習具體知識、掌握化學思想和方法、探尋答案等過程，循序漸進建構化學模型。如在建構電解池模型時，教材選用的是電解氯化銅溶液，通過明顯的實驗現象，學生能得出在多種離子共存的體系中，存在著離子間的競爭，但其思維跨度過大，學生不能從根本上理解放電順序的由來，也不利于學生自主建構電解池模型，理解本質。因此，在教學中應遵循學生的思維過程，結合學生已有知識，并以此為生長點，循序漸進地建構模型。根據學生在初中，必修中的已有知識，知道電解水產生氫氣和氧氣，電解熔融氯化鈉可用于工業制備金屬鈉。因此，教學中，首先給出電解裝置和熔融氯化鈉，根據氧化還原規律以及原電池模型，引導學生分析電路中電子的路徑：陽極Cl-失去的電子，經電源正極到負極，再到陰極，被Na+得到。因此，陽極產物為氯氣，陰極產物為金屬鈉。再對電解水分析，由水電離出的H+和OH-，定向移動，分別在陰極和陽極發生反應，生成氫氣和氧氣，此時破壞水的電離平衡，促進水不斷電離。教師著重引導OH-放電時，電極方程式的書寫。在此兩種情況下，均只存在兩種離子，降低學生思維難度。接下來，先讓學生分析電解滴有酚酞的飽和食鹽水，預測兩極會產生的現象，包括產物，溶液酸堿性等。結合前面對電解熔融氯化鈉和水的分析，學生預測陰極產物為氫氧化鈉和氫氣，溶液呈堿性。陽極產物為氯氣或氧氣，溶液呈酸性，也有學生認為陰極產生的氫氧根會移動到陽極，溶液可能呈中性，甚至堿性，再通過實驗驗證學生的猜測，學生能看到陰極附近出現紅色，且有無色氣泡產生，經檢驗為氫氣，陽極也看到有氣泡產生，該氣體能使濕潤的淀粉碘化鉀試紙變藍，為氯氣，該處溶液呈酸性，應該是產生的氯氣與水反應導致的，陰極產生的氫氧根并沒有一產生就遷移到陽極。通過實驗現象可知，（下轉193頁）（上接101頁）在多離子體系中存在著離子間的競爭放電，水溶液中，H+強于Na+，Cl-強于OH-，這是由于它們的還原性和氧化性差異導致的，并完善其他常見離子的放電順序。同時，引導學生總結，對于中性的水溶液，電解過程中，若只有H+放電，溶液呈堿性，反之，呈酸性。在電解過程中，離子放電的結果，優于離子定向移動的結果。建立解決電解池問題的具體模型：先判斷兩極，再分析溶液中離子成分，判斷離子定向移動方向，比較離子放電順序，并在對應電極上得失電子，得到產物。

最后，通過對電解原理的應用，完善學生對電解池模型的建構。讓學生思考電解氯化銅溶液，會有什么現象？如果電解時間足夠長，可能會出現不同的現象嗎？為什么？若電解滴加有酚酞的硫酸鈉溶液，兩極有何現象？電解一段時間后，將U型管中溶液倒入燒杯中又會出現什么現象？問題鏈的設計，強化學生深入思考問題，達到建構模型、理解模型，應用模型的目的。

對此原理的學習，通過簡單到復雜，推理與事實并進，以典型的電解實例為載體，按照“現象—模型—實驗—理論”的程序，關注學生分析和解決問題的思維過程，使學生學會了對新事物的認識思考方法：基于實驗資料和科學觀察，培養學生的化學觀念，建構完整的認知模型，有利于促進學生對核心內容的理解和把握，提高分析問題和解決問題的能力。

3.虛擬過程建構化學模型

化學平衡移動是初學者的難點，學生對單因素的影響掌握得較好，但由于化學過程通常受多條件因素綜合影響，此時學生很難理出頭緒，例如對有氣體參與的反應，在進行相關參數如轉化率、壓強的比較時，學生通常分不清究竟是考慮濃度還是考慮壓強，如果將問題分解并虛擬為幾個變化的體系模型，就能簡化問題。在分解過程中，先虛擬恒溫恒壓，找到對應關系，再虛擬通過壓縮或拉伸體積，變化到恒溫恒容，分析該過程中平衡是否移動或移動的具體方向，分解問題，幫助學生理解。

溫度不變時，在體積相同的恒容容器A與B中，分別充入1mol N2、3mol H2和2mol N2、6mol H2。在相同條件下達到平衡時，兩容器中N2的轉化率A__B，壓強2pA__pB （填>、<或=）。

解：該反應為氣體分子數減小的反應，對容器B虛擬先恒溫恒壓，再恒溫恒容

在上述過程中，利用外界條件不變，達到平衡時，結果與反應途徑無關的特點，并結合等效平衡的觀點轉換路徑，虛擬的平衡狀態Ⅱ與平衡態Ⅰ是等效平衡，此時N2的轉化率相等，2pA=pB，從平衡態Ⅱ到平衡態Ⅲ的過程中，相當于加壓，平衡向正反應方向移動，N2的轉化率增大，故ApB。

4.從反應本質建構化學模型

元素化合物知識紛繁復雜，學生如果采用死記硬背，既學習效率低下，又不利于理解反應本質，在面對陌生情境時更是無從下手。因此，在教學中要引導學生概括各類反應的反應模型，從本質上掌握化學反應。

例如，中學階段有很多與水相關的反應：

鹵素互化物的水解：IBr+ H2OHBr+HIO

金屬碳化物的水解：CaC2+2H2OCa（OH）2+C2H2↑

金屬氫化物的水解：NaH+H2ONaOH+H2↑

金屬氮化物的水解：Mg3N2+6H203Mg（OH）2↓+2NH3↑

非金屬氯化物的水解：SiCl4+4H2OH4SiO4↓+4HCl

鹽類的水解：NH4Cl+H2ONH3·H2O+HCl

鹵代烴的水解：C2H5Cl+H2OC2H5OH+HCl

酯類的水解：CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+C2H5OH

CH3COOC2H5 +NaOHCH3COONa+C2H5OH

對于這些水解反應，可用下圖所示的反應模型概括。

圖1 水解反應模型

從具體的水解反應中，可以尋找到水解的一般規律，即首先把水一解為二：氫原子和羥基，或者氫離子和氫氧根離子，水解主體也一解為二，并按照異電相吸原則，選擇性結合氫原子（氫離子）或羥基（氫氧根離子）。通過對水解規律的總結，學生真正理解了知識的思想體系，提高了靈活運用知識的能力。

在化學教學中，模型的運用范圍非常廣泛，恰當的化學模型能夠降低學生的學習難度，幫助學生更好地學習化學知識，促進學生科學思維和科學方法的培養。這需要教師不斷加強自身對模型內涵的理解與研究，將模型和模型建構這一科學方法融入日常的教學中，引導學生思考與解決問題時，應當整合自己已有的學科知識、方法甚至是思維方式，建構科學的化學模型，提高化學核心素養。

參考文獻

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Publishers，2002：425.

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