例谈化学模型建构的常见模式

方华

摘 要 建构化学知识的思维模型能有效地解决化学知识繁多、内容松散、无法形成有效知识体系的问题。《化学反应原理》教学建构了四种化学思维模型——原理模型、程序模型、方法模型和类型模型，对引导学生建立原理型知识的思维模型有一定的成效。

关键词 高中化学 原理模型 程序模型 方法模型 类型模型

学生在学习《化学反应原理》时，常见的问题是缺乏比较系统的知识体系、知识的自我建构能力及分析问题的逻辑性、程序性。教师在教学中若能巧妙地运用模型建构思想帮助学生建立典型模型，网络化知识结构，深化理解原理，复杂的问题就会变得简单化。笔者以《化学反应原理》教学为例谈谈构建思维模型常见的四种模式——原理模型、程序模型、方法模型和类型模型。

一、模型建构

模型建构，又称建模，就是建立系统模型的过程。钱学森认为，模型就是通过我们对问题现象的了解，利用我们考究得来的机理，吸收一切主要因素、略去一切不主要因素所制造出来的“一幅图画”[1]，一个思想上的结构物。模型建构就是舍去研究对象（原型）的一些次要细节及非本质的联系，把主要因素、本质联系、主要特征抽象出来再进行综合，用适当的文字、线条、图形等方式呈现，以简化和理想化的形式再现原型的各种复杂结构、功能和联系的一种科学思想[2]。化学建模就是在解决化学实际问题时，用化学语言、方法去近似地刻画实际问题并进行提炼，将其抽象为模型，再用模型去解决实际问题的过程。

在新一轮高中课程标准的修订中，高中化学学科的核心素养被界定为五项基本素养，其中有一项为证据推理与模型认知[3]。对于该项素养的界定，除了认识化学中常见的物质模型和结构模型、依据模型描述化学研究的对象、说明化学现象的本质、预测物质以及变化的可能结果之外，还要具备建构模型以解析化学现象的能力[4]。

二、模型建构的常见类型

（一）思维模型

思维模型指的是利用思维导图的模式，将化学中常见的化学原理和化学模型分解为几个知识要点，让学生通过对知识要点的记忆和理解，能够有效地理解和掌握化学原理的基本内容和含义。笔者以铜锌原电池工作原理思維模型的建构为例，略谈思维模型建构的基本方法和模式。

1.分析总反应。原电池的本质在于通过特殊的装置，将一个氧化还原反应拆成氧化反应和还原反应两部分，两个反应分别在两极发生。写出总反应并从氧化还原的角度分析总反应是理解原电池工作原理的基础。铜锌原电池的总反应为Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu（Zn + Cu2+ = Zn2++ Cu），其中Zn的化合价由0价变成+2价，发生了氧化反应;Cu的化合价由+2价变成0价，发生了还原反应。

2.判断正负极。判断原电池的正负极是理解原电池的关键。判断原电池两极的方法很多，可以从电极材料的活泼性、两极所发生的反应、电流流向、电子流向、离子流向和反应现象等角度分析。在铜锌原电池中，可根据铜锌的活泼性判断出锌作负极，铜作正极。

3.弄清三个“流向”。根据正负极可以判断出电流流向，其中外电路由正极到负极，内电路由负极到正极。由外电路导电原因（金属利用自由电子导电）和电流方向可以判断出电子由负极流向正极。由内电路导电原因（电解质溶液依靠阴阳离子的定向移动）和电流方向可以知道阳离子由负极流向正极，阴离子由正极流向负极。在铜锌原电池中，电流方向为外电路由铜到锌，内电路由锌到铜;电子流向为锌到铜;溶液中阳离子流向为锌到铜，阴离子流向为铜到锌。

4.判断两极反应。根据电子的流向，可以判断出正极得到电子，发生还原反应;负极失去电子，发生氧化反应。

5.书写电极反应式。电极反应式的书写是原电池原理的难点，也是常考的考点。教师可引导学生根据正负两极所发生的反应和总反应书写电极反应式，在书写电极反应式时充分考虑质量守恒、电荷守恒、得失电子守恒及产物在原电池中的状态。在铜锌原电池中，锌作负极，发生氧化反应，其电极反应式为Zn - 2e- = Zn2+;铜作正极，铜离子发生还原反应，其电极反应式为Cu2+ + 2e- = Cu。

该思维模型将原电池的工作原理分解成五个要点。五个要点的扩展能有效地帮助学生掌握原电池工作原理，避免学生在该项内容学习时可能存在的无序性。思维模型的建构同样可以被用在电解池工作原理、化学平衡移动原理、勒夏特列原理、盐类水解原理等原理性知识的教学上。

（二）程序模型

程序模型指的是利用思维导图的模式，将化学中典型问题的解决方法分解成几个简单的步骤，让学生通过对关键步骤的记忆和理解就能有效地掌握化学问题的解决方法。笔者以书写碱性氢氧燃料原电池电极反应式程序模型的建构为例，略谈程序模型建构的基本方法和模式。

1.写出总反应式并从氧化还原的角度分析总反应。在碱性氢氧燃料电池中，总反应式为2H2 + O2 = 2H2O。其中氢气是还原剂，氢气中氢元素化合价升高，共失去4个电子，发生氧化反应;氧气是氧化剂，氧气中的氧元素化合价降低，共得到4个电子，发生还原反应。

2.根据氧化还原反应的分析结果及原电池正负极反应的特点，正确表示两极的反应物及其电子得失情况。在碱性氢氧燃料电池中，氢气在负极发生氧化反应，至此，负极的反应可表示为2H2 - 4e- = ;氧气在正极发生还原反应，至此，正极的反应可表示为O2 + 4e- = 。

3.根据电荷守恒和溶液中离子存在状态配平电极反应式。在碱性氢氧燃料电池中，溶液中主要存在的反应离子为OH-，在配平电极反应式的电荷时需用OH-配平。由2中的正极反应式“O2 + 4e- =”可知，等号左边带4个单位负电荷，要保证电荷守恒，需在等号左边加4个正电荷或在等号右边加4个负电荷，由于溶液中主要为OH-，故在等号右边加4个OH-，可表示为O2 + 4e- = 4OH-;由2中的负极反应式“2H2 - 4e- =”可知，等号左边带4个正电荷，要保证电荷守恒，需在等号左边加4个负电荷或在右边加4个正电荷，由于溶液中主要为OH-，故在等号左边加4个OH-，可表示为2H2 - 4e- + 4OH- = 。

4.根据质量守恒进一步配平电极反应式。在燃料电池中，要使正极反应式（O2 + 4e- = 4OH-）质量守恒，需在等号左边加4个氢2个氧，即2个水，故正极反应式应为O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-;要使负极反应式（2H2 - 4e- + 4OH- =）质量守恒，需在等号右边加8个氢4个氧，即4个水，故负极反应式为2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O。

5.检查。主要检查内容为得失电子是否守恒、质量是否守恒、电荷是否守恒、化学式是否书写错误等。具体做法：将正负极电极反应式相加、整理，将整理后所得反应式与总反应式进行比对，一般情况下，比对结果相同即可判定电极反应式书写正确。

该程序模型将原电池电极反应式的书写问题分解成五个步骤。五个步骤的扩展可以帮助学生较好地掌握原电池电极反应式书写的基本方法，有效降低书写难度。程序模型同样可以被用在原电池设计、电解反应式书写、水解方程式书写、平衡转化率计算等典型问题上。

（三）方法模型

方法模型指的是利用思維导图的模式，将化学中常见问题的解决方法以关键点的方式罗列出来，使学生通过对关键点的理解和掌握，能够避免在选取解决问题方法时的随意性和片面性。笔者以电解池阴阳极判断的方法模型建构为例，略谈方法模型建构的基本方法和模式。

1.通过外接电源判断。与外接电源正极相连的为阳极，与外接电源负极相连的为阴极。在利用外接电源判断电解池阴阳极时，要特别注意外接电源的隐蔽性，如当图中外接电源未用符号表示，而是用原电池作为外接电源时，一般来说，在没有明显外接电源的情况下，多个“池”串连，则可判定有一个“池”是原电池，能自发进行氧化还原反应的“池”一般为原电池。

2.通过三个流向判断。有电流流进、电子流出并与阴离子较近的电极为阳极;有电流流出、电子流进并与阳离子较近的电极为阴极。

3.通过电极反应判断。所在电极有物质失去电子，发生氧化反应的电极为阳极;所在电极有物质得到电子，发生还原反应的电极为阴极。

4.通过反应现象判断。可以通过电极本身质量的变化情况直接进行判断，一般来说，所在电极质量减少的一极为阳极，所在电极质量增加的一极为阴极;可以通过两极酸碱性或pH的改变情况来判断，酸性增强、pH减小的一极为阳极，碱性增强、pH增大的一极为阴极;也可以结合实际，从其他的反应现象进行判断。

该方法模型将电解池阴阳极的判断方法归纳为四个关键点，通过四个关键点的分析，学生可掌握电解池阴阳极判断的常见方法，提高判断电解池阴阳极的有序性及准确性。方法模型同样可以被用在判断原电池正负极、化学平衡状态的标志、化学反应速率的计算等扩展性问题上。

（四）类型模型

类型模型指的是利用思维导图的模式，将化学某一知识点的考查方式以要点的方式罗列出来，使学生熟悉知识点的常见考查方式和解决策略，培养学生知识的全面性与系统化。笔者以化学平衡常数应用的类型模型建构为例，略谈类型模型建构的基本方法和模式。

1.判断化学平衡进行的程度。一般来说，化学平衡常数越大，化学反应进行的程度越高，反应物的转化率越高，化学反应进行得越彻底。

2.判断化学反应的热效应。根据温度变化情况、化学平衡常数变化情况和ΔH变化情况三者中的两个就可以推导出另外一个变化情况。可根据K ∝ （ΔT·ΔH）进行判断。如果温度升高，K增加，根据ΔT > 0和K > 0，可以判断出ΔH > 0;如果温度升高，K减小，根据ΔT > 0和K < 0，可判断出ΔH < 0。

3.判断化学反应是否达到平衡状态或化学平衡移动的方向。可以通过判断化学平衡常数K与浓度商Q的大小来进行具体的判断，若K = Q，则化学反应达到平衡状态;若K > Q，则平衡向正反应方向移动;若K < Q，则平衡向逆反应方向移动。

4.计算化学反应中特定物质的转化率。其主要的应用方法为，建立起始阶段浓度、转化浓度和平衡状态浓度，并根据三者之间的关系求解。

该类型模型将化学平衡常数的应用归纳为四种类型。学生通过四种应用类型的分析能够更加全面、系统地理解化学平衡常数及其应用。类型模型同样可以被用在Ksp计算、离子方程式正误判断和与量有关的离子方程式的书写等应用性问题上。

三、模型建构有助于化学原理型知识的学习

通过模型建构，能有效分解化学原理型知识模块，使学生能更为形象化、系统化、规律化、逻辑化地理解化学原理型知识。具体表现在：（1）通过建构思维模型整理化学知识，使学生的化学原理型知识更加系统化、网络化、规律化;（2）通过建构程序模型解决化学问题，使学生解答问题过程更加格式化、模式化，提高学生解题的规范性和准确性;（3）通过建构方法模型解答化学问题，使学生应用知识更具方法性、灵活性;（4）通过建构类型模型理解化学知识，使学生理解知识的多样性、全面性。

总之，模型应用的核心在于思维深化、知识简化。通过多种模型的建构，能有效突破化学原理型知识的关键点，促进学生知识学习的系统性。

[参 考 文 献]

[1]钱学森.论技术学[J].科学通报，1957（4）：100.

[2]张丽芹，胡建树.化难为易 功在建模：“建模思想”在化学平衡中的应用[J].高中数理化，2013（5）：59.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[4]陈廷俊.化学模型认知的内涵和教学实践[J].江苏教育研究，2019（16）：68.

（责任编辑：赵晓梅）