浅析模型法在高中化学教学中的应用

张爱平

[摘   要]模型法在化学教学中的应用十分广泛。通过对化学模型方法的特点、分类及其在教学素材中的存在形式进行分析，梳理了模型法在高中化学教学中的功能价值及基本教学策略。

[关键词]模型法;高中化学;功能价值;教学策略

一、化学模型的特点及基本类型

在化学科学研究和学习中，将实验及观察所得的科学事实（原型）进行系统的抽象和简化模拟而形成的物理的、符号的、图像的或思维的模式，就是化学模型。化学模型能简化并揭示原型的形态、特征和本质;通过化学模型能形象而直观地获得对原型组成要素及其逻辑关联的整体认识。因此，化学模型作为一种特殊媒介，为研究和学习化学提供了有效的认识工具、程序和方法。

在中学化学中出现的模型，按照其代表原型的方式，大致可分为物理模型、数学模型和思维模型。物理模型通常是指一个真实的装置或一个真实的过程，如分馏塔模型、溶液的配置方法等;数学模型是从化学现象中高度抽象出来，利用规范的图标、符号和公式等对其进行精确定量刻画的模型，如分子式、化学方程式等;思维模型是研究程序、方法和结果的系统映像，如有效碰撞模型、双线桥法配平氧化还原方程式等。另外，有些模型兼具多类模型的特点，而某些模型也会随着研究的深入被不断修正。

二、高中化學教学素材中的化学模型

高中是基础教育的最高阶段，教学内容较之于初中有了明显的加深和拓宽，化学问题在时空上与人的感官不再那么容易匹配，其内部结构也不再那么外显，因果关系也更加复杂化、理论化;同时，对化学现象的解释本身几乎都是以模型的形式呈现的，模型是化学知识特别是化学理论的主要表达方式，而学生对化学知识的认识，教师对化学知识的阐释都离不开模型方法。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中使用“模型”直接描述的地方有多处，主要涉及描述物质结构所用的物理模型，目标是认识模型法对化学研究的作用，要求学生理解并在化学学习中初步学会运用模型方法。在人教版高中化学实验教科书中有大量化学模型的素材和内容（见表1），主要以示意图、模型图、结构图或表的方式呈现，还包括数以百计的方程式。这些化学模型简要而精确地概括了化学的核心主干知识，成为教师教学的基础素材和重要手段。模型方法在化学学科核心素养中的相关表述为“模型认知”，要求学生能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种模型来描述和解释化学现象，并预测物质及其变化的可能结果;能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架。由此可见，模型认知属于“化学认识世界”的范畴，体现了化学学科核心素养从认识方法、方式和视角方面对化学学科能力提出的基本要求。

三、不同化学模型的功能价值及基本教学策略

1.物理模型突出学科的实践特点

工业生产模型可以通过对化学反应过程的拉伸或挤压，或对事物体积的放大和缩小来突破时间和空间的限制，使物质组成、化学反应和操作变得直观、定量和易感知。很多工业生产设备模型在制作时会依据原型按比例缩小，对所含部件也进行了删减，但用来模拟真实设备工作的关键部件却尽量齐全和逼真，以便揭示设备结构、工作原理和流程。该类模型体现了理论和实际的结合，直观性强，在教学中合理地使用能引起学生的兴趣，并使学生便于认识工业生产内部运行的流程和反应的过程。如将石油炼制的三次加工过程制作成光电显示的炼油塔剖面物理模型并配合互动触屏加以介绍（见图1），能让学生对石油炼制工艺的基本流程及其产品获得更直观和具体的认识。

玻璃仪器、实验装置和操作流程可使化学反应过程可视化、定量化和程序化，这对化学研究和学习具有划时代的意义。在教学中人为地创造条件模拟实际，使学生能够以较短的时间、方便的空间、较小的代价获得可靠的实验结果，进而形成化学概念，理解并巩固化学知识，提高观察、分析、解决问题的能力。

使用化学结构模型能帮助学生了解物质的内部结构、组成微粒的相对位置和相互作用方式等。如可利用橡皮泥、萝卜丁及牙签或有机球棍模型教具，让学生动手制作有机结构的实物模型，既可降低学习难度，又能调动学生创造的兴趣和学习化学的积极性。此外，使用多媒体手段制作物质的立体结构或三维动态模型，能够更形象而具体地展示复杂的物质结构，使学习过程变得更加有趣。

2.数学模型实现抽象化的精确描述

数学模型可用于对化学现象进行定性或定量的刻画，从而使人们对新事物发展的预期和控制成为可能。化学符号、方程式、图像及图表等都属于抽象数学模型，是一类“化学用语”，体现出化学语言的简洁和严谨之美。使用数学模型既可增强课本阅读的趣味性，也为学生学习化学模型方法提供了有效的平台和策略，可降低化学概念和理论知识学习的难度。这些采取特定符号、按照特定组合方式代替原型，用于揭示原型的组成、结构、性质和变化规律的研究方法，能帮助学生突破感官和时空的局限性，充分发挥抽象和推理能力，从感性认识跃进到理性认识，在学习化学概念和理论的过程中获得对化学现象的本质认识，并发展创造性思维和实践能力[1]。

化学学科已形成了一套简明、通用、严密、科学、形式多样的符号系统，能在质和量两个方面对物质的本质和变化规律进行科学表征和预测。化学符号是学习和应用化学必须掌握的基本工具。如平衡方程式“H2O+H2O？葑H3O++OH-”清晰地表征了水分子电离过程中原子的重新组合及微粒带电的信息。同时，化学符号模型也具有一定的复杂性。因此，在化学教学中要引导学生熟练掌握符号，以便能够根据情景选择合理的数学模型解决化学问题。

3.思维模型体现重要的方法性内容

思维模型是对已知事物的各种性质、在运行或变化中的表现及其所具有的功能进行科学分类与归纳，同时提炼出对问题的有效认知程序，实现精确而简洁的解决，并以规范的语言进行表达。它主要用于指导认识和预测新事物可能具有的内部结构、运行途径和变化趋势，尤其在化学知识的系统学习和同类问题的解决策略方面应用广泛。

可将相互联系的化学知识点，依据一定的认知方法连接成网，构建认知结构模型，形成解决相似问题的程序或途径，引导学生发现事物变化过程中各种因素间的逻辑关系，这是培养学生学科思维的重要途径。如可以二维坐标的形式建构铁及其化合物的认知结构模型（见图2），使学生能够从氧化还原的角度分析化合物间的转化关系，同时强化对物质类别通性的认识。又如，可按照原理维度、装置维度和任务维度建构认识原电池和电解池的电化学认知模型，使学生能够结合自身知识结构的特点，从装置构成、反应及现象（原理）维度系统地认识两类电化学装置。该模型也有利于教师根据不同学生的思维水平和能力发展需求，设置分析型和设计型任务，具有良好的实用价值[2]。

可在处理相似问题的过程中，总结出解决同类问题的策略和方法，构建思路方法模型。如对化学反应速率和化学平衡的“列三行”法，可通过列出反应前、反应中（消耗）和反应后（剩余）的浓度或物质的量参数，方便地获得反应速率、转化率和平衡常数等（见图3）。经典思路方法的应用可以让解决问题的程序变得逻辑严密且清晰、过程精确而简洁，并能以规范的语言获得最终表达。

总之，化学模型渗透于高中化学的方方面面，对于促进学生掌握知识、发展能力、提高科学素养、养成科学态度等都具有重要作用。因此，结合化学教学的具体内容，有计划、循序渐进地引导学生开展模型认知方法的学习和训练十分必要，也是落实学科核心素养的重要途径。

参考文献

[1]雷范军.新课程教学中强化训练化学模型方法初探[J].化学教育，2006（4）：16-18.

[2]王维臻，王磊，支瑶，等.电化学认识模型及其在高三原电池复习教学中的应用[J].化学教育，2014（1）：128-134.