在高中化学教学中培养学生的建模思维

张建华

（福建省莆田第八中学，福建莆田 351144）

引 言

构建主义者认为，学习不是学习者简单接受知识的过程，而是由学习者自己建构知识的过程[1]。“建模”就是通过“建立模型”的思想学习知识、解决问题的方法。化学学习中有很多复杂而抽象的问题，如果能够很好地建立起相应的知识模型，问题就会变得简单化、条理化、可视化，从而被人们认识。建模的一般过程是：对研究的问题进行抽象化、建立相对应的模型，利用模型解决具体的问题。本文对化学教学中培养学生的建模思维进行初步探讨。

一、在物质的量教学中建立数学模型

高一学生对“物质的量”这个词比较陌生，难以理解，常与物质的质量混为一谈，不知道其本质就是一种衡量微观粒子数量的物理量，不知与微观粒子数目建立起联系。所以，笔者在教学中先通过学生熟悉的单位换算板书提出问题：①1打鸡蛋=12只，2 打鸡蛋=只，a打鸡蛋=只？②再并列板书提出1摩尔原子=6.02×1023个，2摩尔原子=个，a摩尔原子=个。学生通过换算能很快得出：①2 打鸡蛋= 24只，a 打鸡蛋=只。②2摩尔原子= 2×6.02×1023个，a摩尔原子个，从而抽象出物质的量（n）、阿伏伽德罗常数（NA）及微粒数（N）之间的数学表达式：N=n×NA、n=N/NA、NA=N/n。教学物质的量与质量的关系时，教师应先让学生举出熟悉的路程、速度和时间的数学表达式，然后给出摩尔质量的定义：1mol 铁的质量为56g，铁的摩尔质量为56g·mol-1，2mol 铁的质量是，a mol 铁的质量是，5.6g 铁的物质的量是，再次提出物质的质量（m）、物质的量（n）和摩尔质量之间存在关系。学生最终得出m=n·M、n=m/M、M=m/n的数学表达式模型。接下来，举出实例，运用模型解答问题。

例1 下列说法正确的是（ ）。

A.2 molN2的质量是28 g

B.N2的摩尔质量是28 g

C.1 molH2O的质量是18g

D.3.01×1023个NH3分子的质量是8.5g

解析：根据公式建模，可得：

2 mol N2的质量是28 g·mol-1×2 mol ＝ 56 g，A项不正确；

N2的摩尔质量是28 g·mol-1，B项不正确；

1 molH2O的质量是18 g·mol-1×1 mol ＝18 g，C项不正确；

3.01×1023个NH3分子是0.5mol，NH3质量是17g·mol-1× 0.5mol=8.5 g，所以D项正确。

教学心得：学生学习与物质的量有关的理论和概念时，除了要从概念本意来理解外，还要培养学生建立数学表达式模型的能力。如此学生就能熟练运用各种数学表达式在各物理量之间熟练换算，为其今后的化学计算打下坚实的基础。学生的认知正如建构主义者认为的：每个学习者以自己原有的知识经验为基础，对新信息进行重新认识和整合，建构自己的知识模型。学生正是在认识路程、速度、时间关系的基础上，通过新的问题情境，构建了物质的量、摩尔质量、质量三者的关系，并加以应用。

二、在化学概念教学中建立概念模型

建模思维不仅体现在计算中建立数学模型，在化学概念教学中也能引导学生建立概念模型。如教学氧化还原反应时，帮助学生建立概念模型，这对学生理解概念有很大的益处。氧化还原反应是高中化学中的一个重点内容，概念多，如氧化剂、氧化性、被还原、还原反应、还原产物、还原剂、还原性、被氧化、氧化反应、氧化产物等，刚开始学习时，很多学生对这些概念都会混淆。实际教学中，笔者如此设计以帮助学生建立知识模型：（1）让学生写出已学过的一氧化碳还原氧化铜反应的化学方程式，并从得氧失氧的角度来指出还原剂和氧化剂。（2）让学生写出锌与盐酸反应的化学方程式，介绍锌与盐酸反应也是氧化还原反应，找出其中的氧化剂与还原剂。（3）引导学生从元素化合价变化的角度判断出氧化剂与还原剂。学生能够从两个不同的化学方程式中找到CO 中的碳元素化合价由+2价变为+4价，碳元素化合价在升高。Zn 与HCl 反应中的化合价也由0价升高为+2价，所以Zn 为还原剂。第一个化学方程式中，氧化铜中的铜元素化合价由+2价降为0价，在盐酸与锌反应中，氢元素的化合价由+1价降低为0价，因此，盐酸为还原剂。（4）讲解通过化合价降低得到的产物为还原产物，这两个化学反应中的产物分别为Cu 和H2；通过化合价升高得到的产物为氧化产物，分别为CO2和ZnCl2。这样就会让学生建立起用化合价变化判断氧化剂和还原剂、氧化产物和还原产物的模型。（5）再提出在氧化还原反应中为什么有些元素的化合价会改变？学生通过阅读课本，观察化学方程式，相互讨论和思考得出结论。原来，氧化还原反应中，元素的化合价升降是由电子失得引起的，氧化还原反应的本质是电子的转移，特征为化合价的变化。这样就帮助学生建立起氧化还原反应相关概念的模型，如图1所示，从而开展有效的学习活动。

图1 氧化还原反应相关概念的模型

通过建立这个模型，学生能够更容易掌握氧化还原反应中各概念的关系，就抓住氧化还原反应的两条脉络关系：

氧化剂→氧化性→得电子→化合价降低→被还原→还原反应→还原产物。还原剂→还原性→失电子→化合价升高→被氧化→氧化反应→氧化产物。

这样对于学生来说就比较容易掌握、理解和记忆，之后再让学生用三个词来总结，如氧得降、降得还、还失升或升失氧等，进行快速记忆。

例2 氢化钠（NaH）是一种生氢剂，可发生以下反应：NaH＋H2O= NaOH＋H2↑。对这一反应的描述，正确的是（ ）。

A.NaH是氧化剂 B.还原产物和氧化产物的质量比是1:1

C.NaOH是还原产物 D.生成1 mol H2转移2mol电子

解析：标出反应情况（如图2）：

图2

由各反应物及生成物价态可知，NaH 中的氢由反应前的-1价升为反应后H2中的0价，化合价升高，被氧化，作为还原剂，相应生成物为氧化产物；H2O 中的一个氢由反应前的＋1价变为反应后H2中的0价，化合价降低，被还原，作为氧化剂，相应生成物为还原产物。很明显，生成1 分子H2中有一个氢原子是失去1个电子来的，另一个氢原子是得到1个电子来的。所以，还原产物和氧化产物的质量比是1:1，生成1 molH2应转移1 mol 电子。答案是B。

三、在物质性质学习中培养学生的建模思维

在高中化学中，无机元素及化合物性质是重点内容。随着课程改革的不断深入，铝、硅等物质的学习学时被再次缩减。这就更加要求学生在学习物质性质时，要建立学习物质性质知识的模型。在单质化合物性质教学中，教师要让学生建立起一定的学习模型思维，如此对未知物质的探究，才更加有章可循。本文以金属钠的性质和应用教学为例进行分析。

[教师活动]通过前面的学习，大家知道结构决定性质。钠原子的核电荷数是11，请学生画出钠的原子结构示意图。

[建立模型]掌握物质性质学习的一般规律：结构决定性质。

[实验1]用滤纸吸干钠表面的煤油，放在玻璃片上，再用小刀切去钠块一端的表皮，观察露出的金属钠的表面色泽；暴露在空气中，观察其表面颜色的变化。

[归纳]引导学生根据现象归纳出钠的物理性质及保存方法。

（1）钠的物理性质：银白色、金属光泽、质软的固体；有延展性、易导热、导电。（2）钠的保存：密封保存在煤油中。（3）在空气中的变化：银白色光泽很快变暗。钠在常温时与空气中的氧气反应生成氧化钠：4Na + O2==2Na2O（白色固体）

[观看视频]钠与氯气、硫的反应实验。

[实验2]将一小块金属钠放在石棉网上，用酒精灯加热石棉网，观察火焰颜色以及产物的颜色、状态。

[学生回答]看到钠燃烧起来，火焰呈黄色，产物为淡黄色粉末。

[建立模型]金属钠可与活泼非金属反应，且反应中表现强还原性，在不同条件下反应可能不同。

[实验3]将一小块金属钠投入滴有酚酞试剂的水中，观察现象，引导学生归纳：钠浮在水面上，熔成光亮的小球，到处窜动，发出嘶嘶的响声，最后消失，溶液变成红色。

[学生活动]思考并讨论，得出结论：钠的密度比水小，熔点低，反应快并放热，有气体和碱性物质生成：2Na + 2H2O === 2NaOH + H2↑。

[建立模型]活泼金属不仅能与酸发生反应，特别活泼的还可能与水发生反应置换出氢气，在反应中表现强还原性。

[实验4]向一只盛有CuSO4溶液的大烧杯中加入一小块金属钠，观察实验现象。

[学生交流讨论]与钠和水的反应现象相同，还能看到蓝色沉淀的产生，没有红色金属的生成：2Na + 2H2O === 2NaOH + H2↑； 2NaOH + CuSO4=== Cu(OH)2↓ + Na2SO4。

[教师活动]介绍工业制金属钛的方法：

[建立模型]将钠加入带盐的水溶液，首先和水反应，生成的氢氧化钠再可能与盐反应。所以钠不能从带盐的水溶液中置换出比它不活泼的金属。如果要用钠置换出其他金属，要在熔融状态下才可以。

通过学习钠的性质，引导学生通过实验、推理、讨论、分析的方法，归纳出物质能与金属单质、非金属单质、酸、碱、盐、氧化物等类物质发生化学反应，表现出氧化性或还原性，分析它的稳定性，从而建立无机元素化合物学习模型，这对以后研究其他物质的性质有一定的启发和借鉴意义。

结 语

高中化学教学中培养学生的建模思想，建立适当的模型用来表征问题、解决问题，使学生掌握学习规律，对培养学生的化学核心素养，起到不可忽视作用。当然，在教学中要培养学生的建模思维，教师应从实际出发，根据学生的实际水平，充分利用和开发现有资源，遵循思维发展的规律，以学生发展为本，将化学学科知识和思维方法有机整合，让“教”与“学”有机地结合起来，使课堂教学更高效、更和谐。