利用模型建构，提升化学核心素养
2018-05-08陈柳芳许美莲
陈柳芳 许美莲
【摘要】化学模型是以理想化的思维方法，对化学事实进行近似、形象和整体的描述。通过化学模型的建构与应用，可以促进学生的科学思维以及心智模型的改进，有利于学生化学核心素养的提高。
【关键词】化学模型；建构；化学教学
【基金项目】注：本文是2017年湛江市中小学教育科学“十三五”规划重点课题“基于核心素养的高中化学‘教、学、评三维研究”研究成果，课题编号2017ZJZD017。
【中图分类号】G633.8 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2017）34-0101-02
一、问题的提出
化学是在原子、分子水平上研究物质性质及其变化的科学，原子、分子不可见，化学客观规律、物质性质及其变化的解释亦十分抽象，学生通常无法为宏观的实验现象与符号搭起联系的桥梁，或者只是记忆特定表征形式所建构的化学理论、实验的结果以及特定的化学反应，这种割裂的、片段式的学习无法统整与理解化学符号与宏观现象的关联”[1]。其结果是既带来学生化学基本观念的匮乏，也造成了化学教学科学素养教育价值的贫乏。解决这一矛盾的有效方式之一，就是在化学教学中利用模型建构，化抽象为具体、化复杂为简单、化深奥为浅显，促进学生自主学习。
二、化学模型的含义及意义
化学模型是在已获得大量感性认识的基础上，以理想化的思维方法，对化学事实进行近似、形象和整体的描述。这种描述可以是定性的（如对原子结构的描述），也可以是定量的（如PV=nRT）。有的借助于具体的实物来描述（如分子结构的球棍模型），有的则通过抽象的形式（如符号、文字、公式等）来描述[2]，或者借助虚拟的过程来描述。模型（model）与建模（modeling）是科学发展的重要元素，也是科学学习中不可或缺的认知与能力[3]。化学学习中的模型认知活动能促使学生全面深刻地理解化学模型的性质、作用、使用范围及其局限性等，并学会建构、检验模型，使用多种模型来表达、解释同一现象等[4]。美国《下一代科学教育标准》将“建构和应用模型”作为8个重要的科学与工程实践活动之一。我国目前进行的高中化学课程标准修订中亦将“模型认知”作为化学核心素养的重要组成部分[5]。通过化学模型的建构与应用，培养学生掌握认识事物的一般方法，促进学生的科学思维以及心智模型的改进，有利于学生化学核心素养的提高。
三、促进学生建构化学模型的教学策略
1.创设情境促进化学模型的建构
科学模型是科学性和假定性的辩证统一。它不仅要接受实践的检验，而且要在实践中不断扩充、改进和修正。因此，在对化学模型的认识、建构和应用过程中：教师既要将注意力放在仔细观察学生获得观念的发展上；也要关注学生的已有知识经验，考察已有的心智模型类型及特点，同时还要关注其化学模型的发展历程[6]。“化学平衡的移动”在平衡思想的建构中处于核心地位，其思想贯穿于整个高中化学知识体系，蕴藏丰富的发展学生核心素养的目标素材。该部分内容既有理论的支撑，更与生产生活中的实际应用密不可分，教师要充分利用素材，创设情境，让学生自主构建原理，发展学生创新意识和尊重实验事实的科学探究素养，锻炼学生的思维能力，动手能力、概括能力。
在进行化学平衡内容教学时，要引导学生从本质上认识平衡移动的方向是由浓度商（Q）与平衡常数（K）的关系决定的，建立运用平衡常数和浓度商定量判断平衡移动方向的模型。在一定条件下，可逆反应总是从不平衡走向平衡，当Q
学生通过实验，可观察到向水溶液中橙色的重铬酸根（Cr2O72-）与黄色的铬酸根（CrO42-）建立的平衡关系：Cr2O72-（橙色）+H2O2CrO42-（黄色）+2H+分别加入硫酸溶液和氢氧化钠溶液时，加入硫酸即增加生成物浓度，橙色加深，平衡向逆反应方向移动，加入氢氧化钠即减少生成物浓度，溶液从橙色变为黄色，平衡向正反应方向移动，理解平衡是动态可移动的。
对压强和温度的影响，均选用二氧化氮建立的平衡体系2NO2（g）N2O4（g）， △H<0为对象，当增大压强将注射器体积减小至原来一半时，学生可以看到气体颜色先变深后变浅，但比压缩前要深，再减小压强拉动活塞使体积增大为原来一倍时，可以看到气体颜色先变浅后变深，但比拉伸前浅。学生通过分析可以得出，增大压强平衡向气体分子数减少的方向移动，减小压强，平衡向气体分子数增大的方向移动，但最终移动的结果还是没有完全抵消掉条件改变造成的影响，加深学生对减弱而不是抵消的理解。条件具备，也可借助传感实验定量验证理论规律。对于温度的影响，采用双球实验，根据冷水和热水中，现象差异，得出升高温度，平衡向吸热方向移动。通过实验，学生可自主建构平衡移动原理：当改变影响平衡的条件之一（如参加反应的化学物质浓度、压强、温度），平衡将向着能够减弱这种改变的方向移动。再结合平衡移动的本质，利用Q与K的关系来分析平衡移动方向，通过各因素对正逆反应速率的影响，分析具体过程。通过创造情境，学生实现了由事实到理论的升华，体会到科学思维的发展历程，增强其对知识的理解和应用能力。
2.从思维的起点出发逐步建构化学模型
化学模型的大部分内容都是思维的产物，这就要求我们在化学模型的建构中要从最简单的问题开始，即从思维的起点开始，经历学习具体知识、掌握化学思想和方法、探寻答案等过程，循序渐进建构化学模型。如在建构电解池模型时，教材选用的是电解氯化铜溶液，通过明显的实验现象，学生能得出在多种离子共存的体系中，存在着离子间的竞争，但其思维跨度过大，学生不能从根本上理解放电顺序的由来，也不利于学生自主建构电解池模型，理解本质。因此，在教學中应遵循学生的思维过程，结合学生已有知识，并以此为生长点，循序渐进地建构模型。根据学生在初中，必修中的已有知识，知道电解水产生氢气和氧气，电解熔融氯化钠可用于工业制备金属钠。因此，教学中，首先给出电解装置和熔融氯化钠，根据氧化还原规律以及原电池模型，引导学生分析电路中电子的路径：阳极Cl-失去的电子，经电源正极到负极，再到阴极，被Na+得到。因此，阳极产物为氯气，阴极产物为金属钠。再对电解水分析，由水电离出的H+和OH-，定向移动，分别在阴极和阳极发生反应，生成氢气和氧气，此时破坏水的电离平衡，促进水不断电离。教师着重引导OH-放电时，电极方程式的书写。在此两种情况下，均只存在两种离子，降低学生思维难度。接下来，先让学生分析电解滴有酚酞的饱和食盐水，预测两极会产生的现象，包括产物，溶液酸碱性等。结合前面对电解熔融氯化钠和水的分析，学生预测阴极产物为氢氧化钠和氢气，溶液呈碱性。阳极产物为氯气或氧气，溶液呈酸性，也有学生认为阴极产生的氢氧根会移动到阳极，溶液可能呈中性，甚至碱性，再通过实验验证学生的猜测，学生能看到阴极附近出现红色，且有无色气泡产生，经检验为氢气，阳极也看到有气泡产生，该气体能使湿润的淀粉碘化钾试纸变蓝，为氯气，该处溶液呈酸性，应该是产生的氯气与水反应导致的，阴极产生的氢氧根并没有一产生就迁移到阳极。通过实验现象可知，（下转193页）（上接101页）在多离子体系中存在着离子间的竞争放电，水溶液中，H+强于Na+，Cl-强于OH-，这是由于它们的还原性和氧化性差异导致的，并完善其他常见离子的放电顺序。同时，引导学生总结，对于中性的水溶液，电解过程中，若只有H+放电，溶液呈碱性，反之，呈酸性。在电解过程中，离子放电的结果，优于离子定向移动的结果。建立解决电解池问题的具体模型：先判断两极，再分析溶液中离子成分，判断离子定向移动方向，比较离子放电顺序，并在对应电极上得失电子，得到产物。
最后，通过对电解原理的应用，完善学生对电解池模型的建构。让学生思考电解氯化铜溶液，会有什么现象？如果电解时间足够长，可能会出现不同的现象吗？为什么？若电解滴加有酚酞的硫酸钠溶液，两极有何现象？电解一段时间后，将U型管中溶液倒入烧杯中又会出现什么现象？问题链的设计，强化学生深入思考问题，达到建构模型、理解模型，应用模型的目的。
对此原理的学习，通过简单到复杂，推理与事实并进，以典型的电解实例为载体，按照“现象—模型—实验—理论”的程序，关注学生分析和解决问题的思维过程，使学生学會了对新事物的认识思考方法：基于实验资料和科学观察，培养学生的化学观念，建构完整的认知模型，有利于促进学生对核心内容的理解和把握，提高分析问题和解决问题的能力。
3.虚拟过程建构化学模型
化学平衡移动是初学者的难点，学生对单因素的影响掌握得较好，但由于化学过程通常受多条件因素综合影响，此时学生很难理出头绪，例如对有气体参与的反应，在进行相关参数如转化率、压强的比较时，学生通常分不清究竟是考虑浓度还是考虑压强，如果将问题分解并虚拟为几个变化的体系模型，就能简化问题。在分解过程中，先虚拟恒温恒压，找到对应关系，再虚拟通过压缩或拉伸体积，变化到恒温恒容，分析该过程中平衡是否移动或移动的具体方向，分解问题，帮助学生理解。
温度不变时，在体积相同的恒容容器A与B中，分别充入1mol N2、3mol H2和2mol N2、6mol H2。在相同条件下达到平衡时，两容器中N2的转化率A__B，压强2pA__pB （填>、<或=）。
解：该反应为气体分子数减小的反应，对容器B虚拟先恒温恒压，再恒温恒容
在上述过程中，利用外界条件不变，达到平衡时，结果与反应途径无关的特点，并结合等效平衡的观点转换路径，虚拟的平衡状态Ⅱ与平衡态Ⅰ是等效平衡，此时N2的转化率相等，2pA=pB，从平衡态Ⅱ到平衡态Ⅲ的过程中，相当于加压，平衡向正反应方向移动，N2的转化率增大，故A
4.从反应本质建构化学模型
元素化合物知识纷繁复杂，学生如果采用死记硬背，既学习效率低下，又不利于理解反应本质，在面对陌生情境时更是无从下手。因此，在教学中要引导学生概括各类反应的反应模型，从本质上掌握化学反应。
例如，中学阶段有很多与水相关的反应：
卤素互化物的水解：IBr+ H2OHBr+HIO
金属碳化物的水解：CaC2+2H2OCa（OH）2+C2H2↑
金属氢化物的水解：NaH+H2ONaOH+H2↑
金属氮化物的水解：Mg3N2+6H203Mg（OH）2↓+2NH3↑
非金属氯化物的水解：SiCl4+4H2OH4SiO4↓+4HCl
盐类的水解：NH4Cl+H2ONH3·H2O+HCl
卤代烃的水解：C2H5Cl+H2OC2H5OH+HCl
酯类的水解：CH3COOC2H5+H2OCH3COOH+C2H5OH
CH3COOC2H5 +NaOHCH3COONa+C2H5OH
对于这些水解反应，可用下图所示的反应模型概括。
图1 水解反应模型
从具体的水解反应中，可以寻找到水解的一般规律，即首先把水一解为二：氢原子和羟基，或者氢离子和氢氧根离子，水解主体也一解为二，并按照异电相吸原则，选择性结合氢原子（氢离子）或羟基（氢氧根离子）。通过对水解规律的总结，学生真正理解了知识的思想体系，提高了灵活运用知识的能力。
在化学教学中，模型的运用范围非常广泛，恰当的化学模型能够降低学生的学习难度，帮助学生更好地学习化学知识，促进学生科学思维和科学方法的培养。这需要教师不断加强自身对模型内涵的理解与研究，将模型和模型建构这一科学方法融入日常的教学中，引导学生思考与解决问题时，应当整合自己已有的学科知识、方法甚至是思维方式，建构科学的化学模型，提高化学核心素养。
参考文献
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[5]王云生.基础教育阶段学科核心素养及其确定[J].福建基础教育研究，2016，（2）.
[6]张发新.利用模型建构促进学生化学学习[J].化学教学，2017，（5）：24：28.
