例談化學模型建構的常見模式

方華

摘 要 建構化學知識的思維模型能有效地解決化學知識繁多、內容松散、無法形成有效知識體系的問題。《化學反應原理》教學建構了四種化學思維模型——原理模型、程序模型、方法模型和類型模型，對引導學生建立原理型知識的思維模型有一定的成效。

關鍵詞 高中化學 原理模型 程序模型 方法模型 類型模型

學生在學習《化學反應原理》時，常見的問題是缺乏比較系統(tǒng)的知識體系、知識的自我建構能力及分析問題的邏輯性、程序性。教師在教學中若能巧妙地運用模型建構思想幫助學生建立典型模型，網絡化知識結構，深化理解原理，復雜的問題就會變得簡單化。筆者以《化學反應原理》教學為例談談構建思維模型常見的四種模式——原理模型、程序模型、方法模型和類型模型。

一、模型建構

模型建構，又稱建模，就是建立系統(tǒng)模型的過程。錢學森認為，模型就是通過我們對問題現(xiàn)象的了解，利用我們考究得來的機理，吸收一切主要因素、略去一切不主要因素所制造出來的“一幅圖畫”[1]，一個思想上的結構物。模型建構就是舍去研究對象（原型）的一些次要細節(jié)及非本質的聯(lián)系，把主要因素、本質聯(lián)系、主要特征抽象出來再進行綜合，用適當的文字、線條、圖形等方式呈現(xiàn)，以簡化和理想化的形式再現(xiàn)原型的各種復雜結構、功能和聯(lián)系的一種科學思想[2]。化學建模就是在解決化學實際問題時，用化學語言、方法去近似地刻畫實際問題并進行提煉，將其抽象為模型，再用模型去解決實際問題的過程。

在新一輪高中課程標準的修訂中，高中化學學科的核心素養(yǎng)被界定為五項基本素養(yǎng)，其中有一項為證據推理與模型認知[3]。對于該項素養(yǎng)的界定，除了認識化學中常見的物質模型和結構模型、依據模型描述化學研究的對象、說明化學現(xiàn)象的本質、預測物質以及變化的可能結果之外，還要具備建構模型以解析化學現(xiàn)象的能力[4]。

二、模型建構的常見類型

（一）思維模型

思維模型指的是利用思維導圖的模式，將化學中常見的化學原理和化學模型分解為幾個知識要點，讓學生通過對知識要點的記憶和理解，能夠有效地理解和掌握化學原理的基本內容和含義。筆者以銅鋅原電池工作原理思維模型的建構為例，略談思維模型建構的基本方法和模式。

1.分析總反應。原電池的本質在于通過特殊的裝置，將一個氧化還原反應拆成氧化反應和還原反應兩部分，兩個反應分別在兩極發(fā)生。寫出總反應并從氧化還原的角度分析總反應是理解原電池工作原理的基礎。銅鋅原電池的總反應為Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu（Zn + Cu2+ = Zn2++ Cu），其中Zn的化合價由0價變成+2價，發(fā)生了氧化反應;Cu的化合價由+2價變成0價，發(fā)生了還原反應。

2.判斷正負極。判斷原電池的正負極是理解原電池的關鍵。判斷原電池兩極的方法很多，可以從電極材料的活潑性、兩極所發(fā)生的反應、電流流向、電子流向、離子流向和反應現(xiàn)象等角度分析。在銅鋅原電池中，可根據銅鋅的活潑性判斷出鋅作負極，銅作正極。

3.弄清三個“流向”。根據正負極可以判斷出電流流向，其中外電路由正極到負極，內電路由負極到正極。由外電路導電原因（金屬利用自由電子導電）和電流方向可以判斷出電子由負極流向正極。由內電路導電原因（電解質溶液依靠陰陽離子的定向移動）和電流方向可以知道陽離子由負極流向正極，陰離子由正極流向負極。在銅鋅原電池中，電流方向為外電路由銅到鋅，內電路由鋅到銅;電子流向為鋅到銅;溶液中陽離子流向為鋅到銅，陰離子流向為銅到鋅。

4.判斷兩極反應。根據電子的流向，可以判斷出正極得到電子，發(fā)生還原反應;負極失去電子，發(fā)生氧化反應。

5.書寫電極反應式。電極反應式的書寫是原電池原理的難點，也是常考的考點。教師可引導學生根據正負兩極所發(fā)生的反應和總反應書寫電極反應式，在書寫電極反應式時充分考慮質量守恒、電荷守恒、得失電子守恒及產物在原電池中的狀態(tài)。在銅鋅原電池中，鋅作負極，發(fā)生氧化反應，其電極反應式為Zn - 2e- = Zn2+;銅作正極，銅離子發(fā)生還原反應，其電極反應式為Cu2+ + 2e- = Cu。

該思維模型將原電池的工作原理分解成五個要點。五個要點的擴展能有效地幫助學生掌握原電池工作原理，避免學生在該項內容學習時可能存在的無序性。思維模型的建構同樣可以被用在電解池工作原理、化學平衡移動原理、勒夏特列原理、鹽類水解原理等原理性知識的教學上。

（二）程序模型

程序模型指的是利用思維導圖的模式，將化學中典型問題的解決方法分解成幾個簡單的步驟，讓學生通過對關鍵步驟的記憶和理解就能有效地掌握化學問題的解決方法。筆者以書寫堿性氫氧燃料原電池電極反應式程序模型的建構為例，略談程序模型建構的基本方法和模式。

1.寫出總反應式并從氧化還原的角度分析總反應。在堿性氫氧燃料電池中，總反應式為2H2 + O2 = 2H2O。其中氫氣是還原劑，氫氣中氫元素化合價升高，共失去4個電子，發(fā)生氧化反應;氧氣是氧化劑，氧氣中的氧元素化合價降低，共得到4個電子，發(fā)生還原反應。

2.根據氧化還原反應的分析結果及原電池正負極反應的特點，正確表示兩極的反應物及其電子得失情況。在堿性氫氧燃料電池中，氫氣在負極發(fā)生氧化反應，至此，負極的反應可表示為2H2 - 4e- = ;氧氣在正極發(fā)生還原反應，至此，正極的反應可表示為O2 + 4e- = 。

3.根據電荷守恒和溶液中離子存在狀態(tài)配平電極反應式。在堿性氫氧燃料電池中，溶液中主要存在的反應離子為OH-，在配平電極反應式的電荷時需用OH-配平。由2中的正極反應式“O2 + 4e- =”可知，等號左邊帶4個單位負電荷，要保證電荷守恒，需在等號左邊加4個正電荷或在等號右邊加4個負電荷，由于溶液中主要為OH-，故在等號右邊加4個OH-，可表示為O2 + 4e- = 4OH-;由2中的負極反應式“2H2 - 4e- =”可知，等號左邊帶4個正電荷，要保證電荷守恒，需在等號左邊加4個負電荷或在右邊加4個正電荷，由于溶液中主要為OH-，故在等號左邊加4個OH-，可表示為2H2 - 4e- + 4OH- = 。

4.根據質量守恒進一步配平電極反應式。在燃料電池中，要使正極反應式（O2 + 4e- = 4OH-）質量守恒，需在等號左邊加4個氫2個氧，即2個水，故正極反應式應為O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-;要使負極反應式（2H2 - 4e- + 4OH- =）質量守恒，需在等號右邊加8個氫4個氧，即4個水，故負極反應式為2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O。

5.檢查。主要檢查內容為得失電子是否守恒、質量是否守恒、電荷是否守恒、化學式是否書寫錯誤等。具體做法：將正負極電極反應式相加、整理，將整理后所得反應式與總反應式進行比對，一般情況下，比對結果相同即可判定電極反應式書寫正確。

該程序模型將原電池電極反應式的書寫問題分解成五個步驟。五個步驟的擴展可以幫助學生較好地掌握原電池電極反應式書寫的基本方法，有效降低書寫難度。程序模型同樣可以被用在原電池設計、電解反應式書寫、水解方程式書寫、平衡轉化率計算等典型問題上。

（三）方法模型

方法模型指的是利用思維導圖的模式，將化學中常見問題的解決方法以關鍵點的方式羅列出來，使學生通過對關鍵點的理解和掌握，能夠避免在選取解決問題方法時的隨意性和片面性。筆者以電解池陰陽極判斷的方法模型建構為例，略談方法模型建構的基本方法和模式。

1.通過外接電源判斷。與外接電源正極相連的為陽極，與外接電源負極相連的為陰極。在利用外接電源判斷電解池陰陽極時，要特別注意外接電源的隱蔽性，如當圖中外接電源未用符號表示，而是用原電池作為外接電源時，一般來說，在沒有明顯外接電源的情況下，多個“池”串連，則可判定有一個“池”是原電池，能自發(fā)進行氧化還原反應的“池”一般為原電池。

2.通過三個流向判斷。有電流流進、電子流出并與陰離子較近的電極為陽極;有電流流出、電子流進并與陽離子較近的電極為陰極。

3.通過電極反應判斷。所在電極有物質失去電子，發(fā)生氧化反應的電極為陽極;所在電極有物質得到電子，發(fā)生還原反應的電極為陰極。

4.通過反應現(xiàn)象判斷。可以通過電極本身質量的變化情況直接進行判斷，一般來說，所在電極質量減少的一極為陽極，所在電極質量增加的一極為陰極;可以通過兩極酸堿性或pH的改變情況來判斷，酸性增強、pH減小的一極為陽極，堿性增強、pH增大的一極為陰極;也可以結合實際，從其他的反應現(xiàn)象進行判斷。

該方法模型將電解池陰陽極的判斷方法歸納為四個關鍵點，通過四個關鍵點的分析，學生可掌握電解池陰陽極判斷的常見方法，提高判斷電解池陰陽極的有序性及準確性。方法模型同樣可以被用在判斷原電池正負極、化學平衡狀態(tài)的標志、化學反應速率的計算等擴展性問題上。

（四）類型模型

類型模型指的是利用思維導圖的模式，將化學某一知識點的考查方式以要點的方式羅列出來，使學生熟悉知識點的常見考查方式和解決策略，培養(yǎng)學生知識的全面性與系統(tǒng)化。筆者以化學平衡常數應用的類型模型建構為例，略談類型模型建構的基本方法和模式。

1.判斷化學平衡進行的程度。一般來說，化學平衡常數越大，化學反應進行的程度越高，反應物的轉化率越高，化學反應進行得越徹底。

2.判斷化學反應的熱效應。根據溫度變化情況、化學平衡常數變化情況和ΔH變化情況三者中的兩個就可以推導出另外一個變化情況。可根據K ∝ （ΔT·ΔH）進行判斷。如果溫度升高，K增加，根據ΔT > 0和K > 0，可以判斷出ΔH > 0;如果溫度升高，K減小，根據ΔT > 0和K < 0，可判斷出ΔH < 0。

3.判斷化學反應是否達到平衡狀態(tài)或化學平衡移動的方向。可以通過判斷化學平衡常數K與濃度商Q的大小來進行具體的判斷，若K = Q，則化學反應達到平衡狀態(tài);若K > Q，則平衡向正反應方向移動;若K < Q，則平衡向逆反應方向移動。

4.計算化學反應中特定物質的轉化率。其主要的應用方法為，建立起始階段濃度、轉化濃度和平衡狀態(tài)濃度，并根據三者之間的關系求解。

該類型模型將化學平衡常數的應用歸納為四種類型。學生通過四種應用類型的分析能夠更加全面、系統(tǒng)地理解化學平衡常數及其應用。類型模型同樣可以被用在Ksp計算、離子方程式正誤判斷和與量有關的離子方程式的書寫等應用性問題上。

三、模型建構有助于化學原理型知識的學習

通過模型建構，能有效分解化學原理型知識模塊，使學生能更為形象化、系統(tǒng)化、規(guī)律化、邏輯化地理解化學原理型知識。具體表現(xiàn)在：（1）通過建構思維模型整理化學知識，使學生的化學原理型知識更加系統(tǒng)化、網絡化、規(guī)律化;（2）通過建構程序模型解決化學問題，使學生解答問題過程更加格式化、模式化，提高學生解題的規(guī)范性和準確性;（3）通過建構方法模型解答化學問題，使學生應用知識更具方法性、靈活性;（4）通過建構類型模型理解化學知識，使學生理解知識的多樣性、全面性。

總之，模型應用的核心在于思維深化、知識簡化。通過多種模型的建構，能有效突破化學原理型知識的關鍵點，促進學生知識學習的系統(tǒng)性。

[參 考 文 獻]

[1]錢學森.論技術學[J].科學通報，1957（4）：100.

[2]張麗芹，胡建樹.化難為易 功在建模：“建模思想”在化學平衡中的應用[J].高中數理化，2013（5）：59.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[4]陳廷俊.化學模型認知的內涵和教學實踐[J].江蘇教育研究，2019（16）：68.

（責任編輯：趙曉梅）