化学教学中的模型认知与模型建构及应用

2018-02-07罗炳杰

福建基础教育研究 2018年1期

罗炳杰

（厦门市大同中学前埔校区，福建厦门 361008）

《高中化学课程标准（征求意见稿）》将高中化学学科核心素养细分为5个维度，其中“证据推理与模型认知”这一维度是化学学习和研究的方法和工具。“模型认知”是指基于模型的认知，是学习和研究化学的重要方法。如原子结构、分子结构、晶体结构等知识常用原子、分子、晶体等模型构建；物质变化、能量变化、化学平衡、电离平衡等知识常用分析模型、原理模型、思维模型、数学模型等模型构建。理解和掌握物质的结构、性质、变化、原理等知识是培养化学学科核心素养的前提，缺乏知识的理解，谈论核心素养就如同无源之水、无本之木。

一、“模型认知”的意义与模型的类型

“模型认知”是指基于模型的认知，“模型”相对于“原型”而言，是研究对象的替代物，是按比例或特征制成与实物相似的物体或图型。“认知”是认识客观规律及其本质的心理活动，是人们对客观事物的理性认知过程。奥苏伯尔的学习理论认为，采用建模思想，将化学问题中次要的、非本质的信息舍去，可使本质的知识变得清晰，更容易纳入学习者已有的框架，使学习者在解决问题时迁移更容易、学习效率更高。

模型包括实物模型和非实物形式模型两类，非实物形式模型又包括数学模型、图像模型和语义模型等。实物模型一般是指比例模型，如晶体模型、分子模型、合成氨工艺模型等。数学模型用数学表达式表达，如化学反应速率方程、化学平衡常数、库仑定律、水的离子积等；图像模型用坐标系描述，如速率与时间关系、电子云等；语义模型用词语描述，如阿伏伽德罗定律、盖斯定律、元素周期律以及化学用语等。建构主义认为，对于学习者来说，支持有意义的学习最有效的策略之一就是对他们所学的知识进行模型的建构。学习者通过分析、推理、综合、演绎等抽象思维活动构建模型，所构建模型具有深刻性、规律性和指导性，它帮助学习者更加深入理解现象的本质，发现内在的变化规律，指导一般问题的解决。

二、化学教学中常见的几种模型的构建

1.构建数轴模型，凸显概念本质

物质的溶解性、溶液的酸碱性等概念常用数轴法表征。运用数轴法的优点是能清晰地反映概念的本质区别与联系。例如，非电解质、弱电解质、强电解质等三个不同概念，通过数轴的方式凸显其本质区别是电离度的不同（见图1）。

图1 非电解质、强弱电解质与电离度的关系

如溶液、胶体和浊液这三种不同分散系，用数轴（见图2）凸显分散系的本质区别是分散质微粒直径大小不同，同时还揭示了过滤法与渗析法的本质区别。

图2 分散系与微粒直径、半透膜孔径、滤纸孔径大小的关系

又如，非极性键、极性键、离子键的区别可用数轴（见图3）表示，该数轴模型可清晰地表达化学键与电负性差值关系，既体现化学键的本质区别，又体现了化学键从量变到质变的变化过程。该数轴模型能指导后续的学习，如金属元素与非金属元素不一定形成离子化合物，为什么AlCl3所形成的是共价化合物而不是离子化合物、氮氧氟元素容易形成氢键等知识。

图3 化学键与电负性差值的关系

在化学的教学过程中，教师应尽可能地引导学生将所学的知识联系起来，知识联系得越紧密则知识掌握越牢固，记忆也会越深刻，运用越灵活。在化学教学过程中，运用数轴模型这一工具能起到联系概念，凸显概念间的本质区别的作用。

2.构建坐标模型，理解反应热概念

化学反应能量变化概念容易混淆，如焓变与反应条件、焓变与物质的键能、焓变与物质的焓之间的关系等。若用平面直角坐标系模型能清晰揭示三个概念的本质区别，可设计如下坐标模型（见图4）。

图4 反应过程与物质的焓关系图

坐标模型反映了物质的焓、焓变、键能三者之间的关系；反映了焓变与反应前后物质的焓有关，而与反应条件无关；反映了焓变两种不同计算方法；反映了化学反应的能量守恒和质量守恒，模型的学习能较好地提高学习效率。

3.构建思维模型，培养电化学思维

高中化学电化学的教学过程中，因为电化学知识涉及概念多、综合性强，许多学生感到束手无策，其主要原因是死记硬背电子流向、离子流向、电极反应等知识，没有理解产生这些变化背后的原因。从教学实践看，问题在于教师受到应试教育的影响，常注重知识教学而忽略了方法的指导。从人的认知角度看，零碎的知识无法纳入知识结构，无法形成整体的认知，而模型能整合零碎信息，把信息有序整理，使信息以结构或形象的形式在人脑中有序编码。因此，帮助学生构建思维模型是解决认知的关键。在教学实践中，可以将具体的实验装置图，经分析、推理、综合和简化，构建出图5和图6思维模型图。

图5 原电池思维模型

图6 电解池思维模型

从图5原电池思维模型分析：电子从负极流向正极，阴离子从正极流向负极，电子流向与阴离子流向一致构成闭合回路。从图6电解池思维模型分析：电子从负极流向阴极，阴离子从阴极流向阳极，电子从阳极流出经导线流回正极。比较图5和图6，发现共同点是电子与阴离子流向一致构成闭合回路，电子总是从负极出发最终流回正极。图5和图6思维模型图去除次要信息或一般信息，突出电子流向形成电子守恒思想，所学知识容易纳入已有的知识结构。

三、例谈运用模型解决实际问题

不同的教学内容运用不同的模型构建。如元素化合物性质的教学可采用以下模型：物质通性→物质氧化还原性→物质特性；阿伏加德罗定律教学模型：理论→模型→应用；化学平衡移动教学模型：实验→模型→应用；问题解决的模型：问题→模型→求解。下面以2017年全国高考新课标Ⅲ卷理科综合第26题为例，说明认知模型的构建和应用。

［26题（节选）］绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁，某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。回答下列问题：

（2）为测定绿矾中结晶水含量，将石英玻璃管（带端开关K1和K2）（设为装置A）称重，记为m1g。将样品装入石英玻璃管中，再次将装置A称重，记为m2g。按下图连接好装置进行实验。

②将下列实验操作步骤正确排序_________（填标号）；重复上述操作步骤，直至A恒重，记为m3g。

a.点燃酒精灯，加热 b.熄灭酒精灯

c.关闭K1和K2d.打开K1和K2，缓缓通入N2

e.称量A f.冷却至室温

③根据实验记录，计算绿矾化学式中结晶水数目x=_____（列式表示）。

数据获取模型：定量实验基本模型为：实验目的→原理→方法→获取数据→数据处理→数据分析。根据基本模型，绿矾结晶水含量的测定步骤为：实验目的→实验原理→实验方法（量差法）→第一次称量（装置A）→第二次称量（装置A和绿矾晶体质量）→第三次（装置A和硫酸亚铁质量），实验所需数据采取三次称量的方法获取。通过模型教学指导学生学会根据实验目的、原理、方法，获取实验数据的一般程序和方法。

实验操作模型：定量实验关键是如何准确获取所需数据，实验数据准确与否决定实验成败。由于硫酸亚铁易氧化，实验围绕避免硫酸亚铁会被空气氧化影响数据准确性来设计，一般模型是：排除实验前干扰→主要反应→排除实验后干扰→获取数据。依据模型，本题实验操作方法是：排气（防氧化）→点灯→熄灯→冷却→关闭K1K2→称量，其②答案是dabfce。同类实验还有H2还原CuO实验，其操作方法是：先通入H2气→点灯→熄灯→继续通入H2。

数据处理模型：本实验数据处理既可用化学式（FeSO4·xH2O）模型求解；也可用化学方程式模型求解，如：FeSO4·xH2O=FeSO4+xH2O。模型是一个很好的直观工具，方便思维切入。通过模型的构建既获取了知识又学会方法、提高了能力。