淺析模型法在高中化學教學中的應用

張愛平

[摘? ?要]模型法在化學教學中的應用十分廣泛。通過對化學模型方法的特點、分類及其在教學素材中的存在形式進行分析，梳理了模型法在高中化學教學中的功能價值及基本教學策略。

[關鍵詞]模型法;高中化學;功能價值;教學策略

一、化學模型的特點及基本類型

在化學科學研究和學習中，將實驗及觀察所得的科學事實（原型）進行系統的抽象和簡化模擬而形成的物理的、符號的、圖像的或思維的模式，就是化學模型。化學模型能簡化并揭示原型的形態、特征和本質;通過化學模型能形象而直觀地獲得對原型組成要素及其邏輯關聯的整體認識。因此，化學模型作為一種特殊媒介，為研究和學習化學提供了有效的認識工具、程序和方法。

在中學化學中出現的模型，按照其代表原型的方式，大致可分為物理模型、數學模型和思維模型。物理模型通常是指一個真實的裝置或一個真實的過程，如分餾塔模型、溶液的配置方法等;數學模型是從化學現象中高度抽象出來，利用規范的圖標、符號和公式等對其進行精確定量刻畫的模型，如分子式、化學方程式等;思維模型是研究程序、方法和結果的系統映像，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，而某些模型也會隨著研究的深入被不斷修正。

二、高中化學教學素材中的化學模型

高中是基礎教育的最高階段，教學內容較之于初中有了明顯的加深和拓寬，化學問題在時空上與人的感官不再那么容易匹配，其內部結構也不再那么外顯，因果關系也更加復雜化、理論化;同時，對化學現象的解釋本身幾乎都是以模型的形式呈現的，模型是化學知識特別是化學理論的主要表達方式，而學生對化學知識的認識，教師對化學知識的闡釋都離不開模型方法。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中使用“模型”直接描述的地方有多處，主要涉及描述物質結構所用的物理模型，目標是認識模型法對化學研究的作用，要求學生理解并在化學學習中初步學會運用模型方法。在人教版高中化學實驗教科書中有大量化學模型的素材和內容（見表1），主要以示意圖、模型圖、結構圖或表的方式呈現，還包括數以百計的方程式。這些化學模型簡要而精確地概括了化學的核心主干知識，成為教師教學的基礎素材和重要手段。模型方法在化學學科核心素養中的相關表述為“模型認知”，要求學生能認識化學現象與模型之間的聯系，能運用多種模型來描述和解釋化學現象，并預測物質及其變化的可能結果;能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架。由此可見，模型認知屬于“化學認識世界”的范疇，體現了化學學科核心素養從認識方法、方式和視角方面對化學學科能力提出的基本要求。

三、不同化學模型的功能價值及基本教學策略

1.物理模型突出學科的實踐特點

工業生產模型可以通過對化學反應過程的拉伸或擠壓，或對事物體積的放大和縮小來突破時間和空間的限制，使物質組成、化學反應和操作變得直觀、定量和易感知。很多工業生產設備模型在制作時會依據原型按比例縮小，對所含部件也進行了刪減，但用來模擬真實設備工作的關鍵部件卻盡量齊全和逼真，以便揭示設備結構、工作原理和流程。該類模型體現了理論和實際的結合，直觀性強，在教學中合理地使用能引起學生的興趣，并使學生便于認識工業生產內部運行的流程和反應的過程。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觸屏加以介紹（見圖1），能讓學生對石油煉制工藝的基本流程及其產品獲得更直觀和具體的認識。

玻璃儀器、實驗裝置和操作流程可使化學反應過程可視化、定量化和程序化，這對化學研究和學習具有劃時代的意義。在教學中人為地創造條件模擬實際，使學生能夠以較短的時間、方便的空間、較小的代價獲得可靠的實驗結果，進而形成化學概念，理解并鞏固化學知識，提高觀察、分析、解決問題的能力。

使用化學結構模型能幫助學生了解物質的內部結構、組成微粒的相對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球棍模型教具，讓學生動手制作有機結構的實物模型，既可降低學習難度，又能調動學生創造的興趣和學習化學的積極性。此外，使用多媒體手段制作物質的立體結構或三維動態模型，能夠更形象而具體地展示復雜的物質結構，使學習過程變得更加有趣。

2.數學模型實現抽象化的精確描述

數學模型可用于對化學現象進行定性或定量的刻畫，從而使人們對新事物發展的預期和控制成為可能。化學符號、方程式、圖像及圖表等都屬于抽象數學模型，是一類“化學用語”，體現出化學語言的簡潔和嚴謹之美。使用數學模型既可增強課本閱讀的趣味性，也為學生學習化學模型方法提供了有效的平臺和策略，可降低化學概念和理論知識學習的難度。這些采取特定符號、按照特定組合方式代替原型，用于揭示原型的組成、結構、性質和變化規律的研究方法，能幫助學生突破感官和時空的局限性，充分發揮抽象和推理能力，從感性認識躍進到理性認識，在學習化學概念和理論的過程中獲得對化學現象的本質認識，并發展創造性思維和實踐能力[1]。

化學學科已形成了一套簡明、通用、嚴密、科學、形式多樣的符號系統，能在質和量兩個方面對物質的本質和變化規律進行科學表征和預測。化學符號是學習和應用化學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，化學符號模型也具有一定的復雜性。因此，在化學教學中要引導學生熟練掌握符號，以便能夠根據情景選擇合理的數學模型解決化學問題。

3.思維模型體現重要的方法性內容

思維模型是對已知事物的各種性質、在運行或變化中的表現及其所具有的功能進行科學分類與歸納，同時提煉出對問題的有效認知程序，實現精確而簡潔的解決，并以規范的語言進行表達。它主要用于指導認識和預測新事物可能具有的內部結構、運行途徑和變化趨勢，尤其在化學知識的系統學習和同類問題的解決策略方面應用廣泛。

可將相互聯系的化學知識點，依據一定的認知方法連接成網，構建認知結構模型，形成解決相似問題的程序或途徑，引導學生發現事物變化過程中各種因素間的邏輯關系，這是培養學生學科思維的重要途徑。如可以二維坐標的形式建構鐵及其化合物的認知結構模型（見圖2），使學生能夠從氧化還原的角度分析化合物間的轉化關系，同時強化對物質類別通性的認識。又如，可按照原理維度、裝置維度和任務維度建構認識原電池和電解池的電化學認知模型，使學生能夠結合自身知識結構的特點，從裝置構成、反應及現象（原理）維度系統地認識兩類電化學裝置。該模型也有利于教師根據不同學生的思維水平和能力發展需求，設置分析型和設計型任務，具有良好的實用價值[2]。

可在處理相似問題的過程中，總結出解決同類問題的策略和方法，構建思路方法模型。如對化學反應速率和化學平衡的“列三行”法，可通過列出反應前、反應中（消耗）和反應后（剩余）的濃度或物質的量參數，方便地獲得反應速率、轉化率和平衡常數等（見圖3）。經典思路方法的應用可以讓解決問題的程序變得邏輯嚴密且清晰、過程精確而簡潔，并能以規范的語言獲得最終表達。

總之，化學模型滲透于高中化學的方方面面，對于促進學生掌握知識、發展能力、提高科學素養、養成科學態度等都具有重要作用。因此，結合化學教學的具體內容，有計劃、循序漸進地引導學生開展模型認知方法的學習和訓練十分必要，也是落實學科核心素養的重要途徑。

參考文獻

[1]雷范軍.新課程教學中強化訓練化學模型方法初探[J].化學教育，2006（4）：16-18.

[2]王維臻，王磊，支瑤，等.電化學認識模型及其在高三原電池復習教學中的應用[J].化學教育，2014（1）：128-134.