基于模型構建的化學習題教學示例

顧黎穎 張紅俊

摘 要：高中化學習題教學是以學生已有的知識經驗為基礎，通過習題設計對化學知識進行鞏固訓練，以達到提升學生學習化學的興趣。但是高中化學知識重難點多且很抽象，若在習題教學中幫助學生構建并運用思維模型，創新解題思路和方法，既可以事倍功半，又可以提升學生化學學科素養。

關鍵詞：模型構建；習題教學；問題解決

模型認知是學習化學的思維核心，它既是一種重要的化學核心素養，也是學生學好化學必須具備的一種能力。高中化學重難點多，例如離子濃度的大小比較、化學平衡的移動等等一直都是學生的失分點。幫助和引導學生構建思維模型，則可以將問題解決層次化、簡單化，不僅可提升學生的解題能力，還提升了學生模型構建能力，培養了學生的化學核心素養。

一、構建模型，使問題解決層次化

江蘇高考14題是離子濃度大小比較，這個考點一直是高考的熱點和難點。中學階段多是在了解溶質相對量的基礎上，借助于列電荷守恒式和物料守恒式、以及數學上的等量代替來解決，也有的老師還補充介紹質子守恒。但都囿于學生概念理解不清（如“弱電解質的電離、離子的水解是微弱”的、“電離”和“水解”的相對強弱）、解決問題的思維和方法混亂而不能正確判斷。因此有必要在習題教學中構建離子濃度大小關系比較的模型，使問題解決層次化。實際上，離子濃度的大小比較可用如下模型來表示：[溶液中強電解質電離產生的不水解也不電離的離子]>[溶液中強電解質電離產生的可水解或可電離的離子（原始量越多，離子濃度越大，原始量相同，則不電離也不水解的離子濃度大于電離的或水解的離子數目）]>[弱電解質電離或水解產生的微粒（根據電離或水解的程度以及溶液的酸堿性綜合比較（需考慮水本身電離產生的離子）]。

由模型可知：①原來強電解質產生的離子原始量越多則濃度越大，原始量相同則不電離也不水解的離子濃度大于繼續電離的或水解的離子濃度；②原來強電解產生的離子一定大于由其派生出來的一些離子；③派生出來的離子濃度都很小，需綜合考慮電離或水解的程度以及溶液酸堿性有關信息、派生產生的離子的來源等等。

模型應用：如例1，25℃時0.1 mol·L-1Na2CO3溶液中：由①可知c（Na+）>c（CO）；由②可知c（CO）>c（OH-），c（CO）>c（HCO）；由③可知，c（OH-）是由CO、HCO 兩步水解產生的，因此c（OH-）>c（HCO）；所以有c（Na+）>c（CO）>c（OH-）>c（HCO）。

由此可知，要比較離子濃度的關系，首先必需要明確三個問題：首先不管是單一溶質的溶液還是混合后的溶液，也不管混合后有無發生化學反應，必需明確最終溶液中的溶質是什么？相對量各是多少？哪些微粒會發生水解或電離？溶液的酸堿性如何？并且需特別注意的是原來強電解質電離產生的相比較而言都是大量的，即使產生的有些離子水解或再電離；還需明確水解或電離是很微弱的，即使發生水解或電離的微粒原來量很多，但由此派生出來的離子的濃度都是很小的，同時必需借助于溶液的酸堿性、以及離子的來源來進一步判斷原本濃度很少的離子濃度的大小。

如例2，25℃時， 將0.1 mol·L-1 NH4Cl溶液和0.1 mol·L-1的氨水等體積混合，pH>7的溶液中，原來強電解質產生較多的且相等的c（NH）和c（Cl-），但是由于pH>7，說明氨水的電離（產生NH）大于NH的水解（消耗NH），所以c（NH）>c（Cl-）；又溶液呈堿性，有c（OH-）>c（H+）；所以有c（NH）>c（Cl-）>c（OH-）>c（H+）。

且如例3，25℃時，將0.1 mol·L-1 CH3COOH與0.05 mol·L-1 NaOH溶液等體積混合（pH<7）中，首先分析反應后的溶質是等物質的量濃度的CH3COOH和CH3COONa溶液，然后同上例，可知c（CH3COO-）>c（Na+）>c（CH3COOH）>c（H+）>c（OH-）。

很明顯，關注學生解決問題的思維模型構建，關注學生解決問題的技巧與策略，有意識的培養學生的化學關鍵能力和學科核心素養，不僅是教師教學智慧、教學能力的體現，也是教師樹立為學生終身服務的教學思想的體現。

二、構建模型，使問題解決簡單化

江蘇高考15題是與化學反應速率和化學平衡有關，這個考點同樣也是一個難點和熱點問題。學生在解決此類題目經常出現問題。原因在哪？一是因為學生未熟悉解決問題時需注意“變量控制”；二是未能理解化學平衡“等效”與“等同”的區別與聯系，甚至還不能理解“等效平衡”的概念；最主要的是沒有換一種思路來構建一個等效平衡的思維模型。

模型構建：教學時應引導學生手腦并用，來構建下列兩種化學平衡的思維模型。一是構建恒溫恒容平衡思維模型（如圖1）。新平衡狀態可認為是兩個原平衡狀態簡單的疊加并壓縮而成，相當于增大壓強。

二是構建恒溫恒壓平衡思維模型（以氣體物質的量增加的反應為例，見圖2）。新平衡狀態可以認為是兩個原平衡狀態簡單的疊加，壓強不變，平衡不移動。

模型應用：一定溫度下，在3個體積均為1.0 L的恒容密閉容器中反應2H2（g）+CO（g）[]CH3OH（g） 達到平衡。下列說法正確的是

A.該反應的正反應放熱。

B.達到平衡時，容器Ⅰ中反應物轉化率比容器Ⅱ中的大。

C.達到平衡時，容器Ⅱ中c（H2）大于容器Ⅲ中c（H2）的兩倍。

D.達到平衡時，容器Ⅲ中的正反應速率比容器Ⅰ中的大。

從變量控制的角度來分析，將Ⅲ中生成物全部轉化為反應物后，可知Ⅰ和Ⅲ起如投入量相同，但溫度不同；Ⅰ和Ⅱ溫度相同，起始投入量Ⅱ是Ⅰ的兩倍。對比Ⅰ和Ⅲ，平衡時c（CH3OH），Ⅰ>Ⅲ，而溫度Ⅲ>Ⅰ，可知A正確；對于B，由Ⅰ到Ⅱ，相當于模型1，可采用圖1模型，相當于增大壓強，平衡右移，B錯誤；Ⅲ中若溫度與Ⅰ相同，則根據B選項的解釋可知Ⅱ中c（H2）小于容器Ⅲ中c（H2）的兩倍，現Ⅲ中溫度升高，平衡左移，Ⅲ中c（H2）變得更大，所以C錯誤；至于D，由于投料等效，但是溫度Ⅲ中高，所以D正確。

使用上述模型需特別注意的是：構建模型是一個虛擬的過程，因此此模型僅僅用來幫助我們判斷達到平衡時物質的轉化率、某物質的百分含量等，不可以用來判斷反應進行的方向。

如向上述Ⅲ平衡體系中再通入CH3OH，平衡 移動（填向左、向右、不），說說您的觀點。很明顯，增加生成物，平衡一定向左移動，顯然這是正確的，但是從剛才的模型1來看，相當于增大壓強，平衡卻是右移；但是在理解轉化率問題上則可以用模型1或是，例如（1）向上述Ⅲ平衡體系中再通入CH3OH，CH3OH的轉化率 ；（2）假如在恒溫恒壓下向上述Ⅲ平衡體系中再通入CH3OH，CH3OH的轉化率 （填增大、減小、不變、無法確定）。很明顯，對于（1），根據模型1，CH3OH的轉化率將會減小；對于（2），可根據模型2，平衡下移動，所以CH3OH的轉化率不變。

模型的構建和使用是形成科學思維的重要途徑，但在化學習題教學的實踐中，教師卻很少關注。讓我們和學生一起關注“模型認知”或“基于模型的認知”，并致力于通過模型構建，幫助學生形成解決相關問題的一般思路，有效地提高學生分析問題和解決問題的能力。

參考文獻

[1]2016年普通高等學校招生全國統一考試（江蘇卷）[J].化學，2016：15.

*本文系江蘇省中小學教學研究2013年度第十期課題“普通高中師生共建教學問題庫的實踐”、蘇州市教育科學“十三五”規劃重點課題《中學化學可視化教學策略研究》的階段性成果。