基于模型认知的教学实践

2021-11-20严西平

化学教与学 2021年4期

关键词：模型认知

严西平

摘要：基于模型认知的教学理念，创设了数形结合的图像模型的教学方法，结合模型认知水平设计了初中化学溶液组成讨论与计算教学过程。

关键词：模型认知;图像模型;模型认知水平;溶液组成的讨论计算

文章编号：1008-0546（2021）04-0054-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.014

“化学计算的本质是对化学问题的数学处理过程，即对物质的组成、结构、性质和变化规律的量化过程”[1]。然而，从初中化学教学实践和中考阅卷情况来看，有关溶液组成讨论与计算题的失分相当严重，不少学生只会死记概念、硬套公式，碰到新情景束手无策。究其原因，是缺少对溶液组成形象化的认知（即缺少相应的模型意识和模型表达）、不能深刻理解概念、公式表征的意义，造成对溶液组成认识不透彻、定性分析和定量计算的能力严重不足。

“模型认知”是化学重要的核心素养之一[2]，模型包括实物模型和非实物的形式模型两大类，形式模型又包括数学模型、图像模型和语义模型等[3]。按照学习水平又可以划分为层次（如表1 ） [4]。

一、教学设计

依照对2017版高中课标中有关“模型认知”核心素养内容的理解，参照表1的认知水平划分，对照2017版高中课标中有关“教、学、评一体化”的要求，设计了如表2所示的教学进阶：

二、教学过程

1.定性认识溶液图像模型

【引入】常温下某饱和溶液（如蔗糖溶液）的示意图如图1所示，其中“○”代表蔗糖分子，“△”代表水分子。假设有一个隔板能将蔗糖和水完全分开，则图1可以改造为图2：虚拟隔板用虚线表示，称作“饱和线”，两边的面积（Sa和Sb）表征溶质与溶液质量的大小。升温后（不考虑水分的蒸发）蔗糖的溶解度增大，饱和线右移，但蔗糖和水的质量都没有变化，因此图2转形为图3（俗称“凹凸形”）：其中Sa'=Sa，Sb'=Sb。

【讨论】当降温时，图3怎样改变？

【结论】图2与图3表征的两种溶液状态就是常见的溶液图像模型，可以借助“饱和线”的移动来体验状态转变过程。

2.定量理解溶液图像模型

【活动】①根据氯化钠溶解度，在图4的烧杯1中画出20cC饱和食盐水的数形结合图像模型，并说出图中各部分的含义;②在图4的烧杯2中画出20℃ 0.9%的生理盐水的数形结合图像模型（溶液很稀，密度可视为1g/mL）

【展示】指导绘制出如下所示的烧杯1和烧杯2的溶液图像，并分别定量描述各烧杯中的溶液组成（略）

【思考】为方便与烧杯1比较，按照0.9：99.1的比例在烧杯2中增加0.01g的氯化钠和0.9g的水，得到相似的烧杯2'（图4），溶液组成仍为0.9%。这说明了什么？同样在烧杯1中同时加3.6g氯化钠和10g水，饱和线会移动吗？

【发现】对比烧杯1与烧杯2，可以发现“平整”和“凹凸”是饱和与不饱和溶液的图像特征，烧杯2的溶液组成可以用“去凸补凹”的途径转换成烧杯1的溶液组成。

【思考】通过数形对应的方式，如何把烧杯2的溶液组成变成跟烧杯1一样呢？哪种方式最简便？

【讨论】①“补凹”：向烧杯2（右面的）中添加36g-0.91g=35.lg的氯化钠;②“去凸”：蒸发掉100g-（100g/36g×0.91g）=97.5g。显然这样的操作既费力费时又难以准确把握蒸发掉的水量，实际上是不可取的！

【思考】如何将用烧杯1的溶液组成变成跟烧杯2一样呢？“补凹”的方法合适吗？

【讨论】①“挖掉氯化钠”实验中不可行;②“添加水”要添加很多，烧杯盛不下。所以应该另辟蹊径：取少量烧杯1的溶液（其中的溶质质量等于0.91g），然后稀釋就能配成烧杯2（右面的）的溶液了。

3.应用溶液图像模型分析溶液组成的变化

【例题1】将40℃的饱和澄清石灰水降温到20℃，溶液组成和状态会发生什么变化呢？如果改为向室温下的饱和澄清石灰水中加入少量氧化钙（不考虑温度变化）又会怎样呢？

【解析1】因为氢氧化钙的溶解度随温度的降低而增大，所以这个过程溶液从饱和变为不饱和，但溶质、溶剂都没有变化。具体分析过程见图5。

【解析1】如果向饱和氢氧化钙溶液中加入氧化钙，氧化钙会跟水反应，造成溶剂减少（用阴影部分表示），进而不能再溶解一部分氢氧化钙（包括反应生成的），析出等比例的溶质（也用阴影部分表示），具体分析见图6。

【例题2】若用10.0%的氢氧化钠溶液16.0g滴加到20.0g盐酸（含2滴酚酞试液）中，混合液刚好由无色变为粉红色时，可认为恰好完全反应。

②原盐酸中溶质的质量分数是多少？

②试列式计算说明将该反应后的溶液转化为20℃时饱和溶液的一种简单方法（计算结果精确到O.1g）。已知：20℃时氯化钠的溶解度为36.0g。

【解析】反应前稀盐酸和氢氧化钠溶液是不饱和溶液，反应后生成的氯化钠溶液也是不饱和的。根据反应方程式和溶液质量守恒的原理，算出此溶液的组成。据此绘制这三个烧杯的模型图像。前面已经讨论过了，将此不饱和的氯化钠溶液变为饱和的最简单的方法就是“补凹”。参照氯化钠饱和溶液的图像模型，可以很方便地设未知量列比例式进行计算，从而得出答案。具体分析见图7所示。

4.建构和精致溶液图像模型

【思考】一般情况下，对大多数的溶液而言，溶液的图像模型有几种？它们是如何进行转换的？请同学们结合本节课所学内容，分小组讨论并总结绘制。

【归纳】（学生板演）有两种：饱和溶液（“平整”形）和不饱和溶液（“凹凸”形）。当饱和溶液升温或不饱和溶液降温时它们可以相互转换，或者说升温时饱和线右移，“平整”变“凹凸”;反之则是“凹凸”变“平整”。

【追问】如果飽和溶液蒸发溶剂时或者向饱和溶液中等比例增加溶质溶剂呢？

【回答】（学生板演）第一种情况饱和溶液图像会被平齐地“切去”一块，但饱和线不移动;第二种情况饱和溶液图像会被平齐地“增加”一块，饱和线仍不移动。

【小结】（师带生）建构一般情况下的溶液模型可以用图8来表示。

【启发]图7是不是包括了所有变化的情形呢？饱和溶液降温时适用吗？

【讨论】（学生分组）不行，降温只会析出晶体，溶剂的量不变，模型必须调整或重构。

【创新】以40℃ 163.9g饱和硝酸钾溶液降温到20℃时的情况为例，绘制这一变化过程的溶液图像模型。

【引导】饱和线要左移，势必将溶质像“挤牙膏”似的挤出一部分（就是析出的硝酸钾晶体，用阴影部分表示），水量不变，虽然变化后的图像看上去与原来的相似，但是因为饱和线发生的位移，所以图像性质已经发生改变。反之，降温后再升温，图像又会变回原样。详见图9。

三、教学反思

数形结合的溶液图像模型的创设填补了长期以来的一个教学空白，也可以看作是多了一种教学模式或方法。该模型的最大优势就是把学生从繁重的纯数据计算中解脱出来，减少了学生对化学计算的恐惧感，激发了学生学习计算类型课的兴趣。同时还可以借助模型认知，发展学生的空间观念，培养学生初步的逻辑思维能力。