例談模型思維在化學教學中的應用與培養

曾環忠

摘要：介紹了模型思維的特點以及模型思維與化學教學的關系，并結合學科特點和教學體會，分析了在中學化學教學中培養和應用模型思維的重要性和可行性，還結合具體知識模塊給出了模型思維應用于教學實踐的樣例。

關鍵詞：模型思維;化學教學;元素化合物;有機物分子結構;化學反應原理

模型思維是一種利用模型達到特定認識目的的思維方式。它是在已獲得的大量感性認識的基礎上，以模型化和理想化的思維方式對相關事物進行扼要、近似、形象的摹寫，進而揭示其本質和規律的科學抽象方法。

1 模型思維與化學學科及其教學

化學學科核心素養之“證據推理與模型認知”，要求建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，就是要求學生需要對具體的化學知識經過思維抽象（證據推理），然后將思維抽象又轉化為思維具體（模型認知）。所以在教學中應用模型思維具有特別的意義：既能更好地提高教學效率又能有效地提升學生的思維品質。

在現代科學的概念和理論的形成中，通過模型思維，不僅可以將陌生的、非直觀的和不確定的事物、思想轉換為熟悉的、直觀的、確定的東西，同時還能使抽象的理論和知識具體化、豐富化，使人們更深刻、更直觀地把握科學研究對象的本質特征。因此，模型思維在現代認識中的地位和作用日趨重要，它已經成為現代科學發展中的一種極為重要的思維方法。

2 模型思維應用于化學具體教學中

模型思維是突破化學教學難點的絕妙抓手，下面分別以“元素化合物”“有機物分子結構”和“化學反應原理”等專題為例展示模型思維的具體應用。

2.1 模型思維應用于“元素化合物”教學

元素化合物是中學化學最基本的內容之一，是其他模塊學習的基礎，也可能是教師教學中困惑最多的模塊之一。元素化合物內容繁多，學生反映的“化學難學，不好記”，主要是針對元素化學內容而言的。然而，任何事物盡管其運動形式多種多樣，并且由于各自矛盾的特殊性而相互區別，但也往往由于相互聯系即存在矛盾的普遍性而統一。在教學中，我們要盡量避免將各個化學反應孤立地傳授給學生，使學生覺得物質的化學性質多而亂，而應在一定條件下概括出各類化學反應的模式即反應模型，讓學生覺得有規律可循。

2.2 模型思維應用于“有機物分子結構”教學

經典的結構理論，開始只提出分子中各原子的原子價、數目和彼此間的相互關系，還沒有涉及分子的立體結構問題，如果將分子都想象成平面結構是很難理解的。例如，二氯甲烷（CH2C12）分子就應當有兩個不同的平面結構式（異構體）：

在上面的兩個平面結構中，兩個氯和兩個氫排列的關系不同，似乎是兩個不同的化合物。但實踐證明二氯甲烷只有一個，并無異構體，此外，當時還有為數不多的個別有機分子，它們的化學結構完全相同，但它們的確是幾個不同的化合物，這是什么原因呢？為了解釋這個問題，1874年范托夫和勒貝爾總結了前人研究所得一些事實，分別提出碳原子的正四面體結構學說，這樣就把結構理論引申到三維空間的立體結構中來。根據這個學說，碳原子的四價是完全相等的，它們分別處在正四面體的四個頂角的方向上，各價鍵間的夾角為109.28°，如下圖。

目前人們對分子結構的認識同樣也在繼續探索中。但從中不難看出，人們對分子空間結構的研究，采用的也是一種模型思維的方法。

2.3 模型思維應用于“化學反應原理”教學

在化學反應速率的學習中，就是抓住化學反應速率的公式，在題目中找準數據，帶入公式——數學模型中。化學平衡狀態的分析，在建立了三段式的模型后，許多相關的計算也就迎刃而解，且不易出錯。

例如：合成氨反應N2（g）+3H2（g）2NH3（g）在某溫度下達到平衡時，各物質的濃度是c（N2）=3 mol·L-1，c（H2）=9 mol·L-1，c（NH3）= 4 mol·L-1，求：N2、H2的起始濃度。

解析：

N2 + 3H2? ? ? ? ?2NH3

起始（mol·L-1）? x y ? 0

轉化（mol·L-1） x-3 y-9 ? ? 4

平衡（mol·L-1） ? 3? ? ? ? 9 ? ?4

x=5 mol·L-1

y=15 mol·L-1

答：N2、H2的起始濃度分別是c（N2）=5 mol·L-1;c（H2）=15 mol·L-1。

這樣，通過建立概念模型，原來枯燥的概念變得直觀、具體了，概念的內涵、外延十分清楚，有利于學生深入地理解概念的本質。

3 結語

在化學科學理論的形成中，模型思維可以將陌生的、非直觀的和不確定的東西轉換為人們所熟悉的、直觀的和確定的模型，同時還能使抽象的理論具體化和豐富化，讓人們能夠更直觀、更深入地把握事物的本質和特征。因此，模型思維能力是一種可遷移性極強的素養，一旦形成可以幫助學生解決許多學習與生活中的問題。

參考文獻：

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[2] 馬亞軍.化學中的模型方法[J].中學化學教學參考，2012（05）.

[3] 唐隆健.例談系統思維在化學教學中的應用與培養[J].中學化學教學參考，2019（01）.

（作者單位：廣東省紫金中學）