借助建模思想实施化学解题教学

陈兆

【摘 要】本文论述借助建模思想开展化学解题教学的具体做法，将知识融入模型中并借助模型解决题目，巧妙运用模型思想以形成规范解题思路，构建化学式子模型以培养思维敏捷性，构建反应类型模型帮助理解各类反应实质，构建反应过程模型锻炼逻辑思维，构建溶液混合模型把握化学问题本质。

【关键词】高中化学 建模思想 解题教学

【中图分类号】G  【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2020）04B-0160-03

高中化学是一门以实验为基础的科目，与其他学科相比有自身的特点。尤其在解题教学中，对学生的抽象推理能力与逻辑判断能力要求相对较高，而且题型样式较多。在高中化学解题教学中，建模思想的应用相当重要，教师需指导学生借助建模思想分析和研究问题，拓展他们的解题思维，深化对知识点的理解与记忆，使其解题效率与化学成绩得以提升。

一、将知识与模型相融合，借助模型解题

建模思想追求的是从化学知识的整体视角出发，全面梳理化学知识的结构，掌握各個知识要点之间的内在联系，发现化学的奥妙与规律。因此，在高中化学解题教学中，教师需引领学生学会举一反三，把知识融入具体的模型当中。将化学题目中冗长的信息变得更为直观和具体，使其大脑和眼球受到双重冲击。在记忆库中准确搜索要用到的知识，推动他们快速找到正确的解题方向。锻炼解题思维与技巧，最终借助模型顺利解决化学题目。

比如，在学习中和反应的过程中，通过对中和反应概念的讲述和举例，使学生联想到现实生活中的许多中和反应现象。比如，用胃舒平治疗胃酸过多症，用熟石灰改良酸性土壤，用熟石灰处理酸性污水，用碱溶液吸收有害气体，用稀氨水中和蜂毒等。教师可让学生从中和反应视角分析清洗羽绒的原理，使其搜索记忆库中固有的知识储备，在大脑中构建中和反应过程的模型。之后，让学生用准备好的白醋、小苏打展开分组实验。用少量白醋与小苏打各配制成溶液，先使用小苏打溶液刷洗需要清洁的地方，再使用白醋溶液刷洗，然后使用清水冲刷干净。要求他们在整个实验过程中认真观察反应现象，使其最终得到中和反应的模型，顺利解决问题。

在现实生活中很多现象都是化学知识的体现，学生可先在大脑中初步构建模型，自己再尝试建模，由此将解题思路变得清晰、具体，从而找到正确答案。

二、巧妙运用模型思想，形成规范解题思路

解题教学属于高中化学课程教学中的关键一环，主要目的是为学生提供大量运用知识的机会。这不仅可以检测他们对知识的掌握情况，而且能够深化理解和记忆。为了提高学生的化学解题水平，教师可借助建模思想进行解题教学。指导学生运用个人积累的知识巧妙建构模型，利用建模思想科学、规范地进行解题。也就是说，教师要帮助学生找到解题的切入点，找到正确的思路，建立解题模型，并规范答题，从而形成规范的解题习惯，逐步提高解题水平。

比如，在处理化学平衡类题目时，教师可指导学生采用“三步走”的方式建立模型，并从安全性、科学性等视角评价实验设计方案。设置例题如下：

在化学实验中，使用氯气和金属铁发生化学反应制备无水三氯化铁。该化合物呈棕红色、易受潮分解，在 100℃ 时升华成三氯化二铁。下面两套实验装置中，前面部分的反应装置相同，后面部分，也就是产品收集装置部分不同，分别如Ⅰ和Ⅱ所示。试完成下列各题：

（1）B 中化学反应式是什么？

（2）D 中反应开始前，需排除装置中的空气，采取的方法是什么？

（3）D 中化学反应式是什么？

（4）装置Ⅰ主要缺点除尾气排入空气污染环境外，还有什么？

（5）装置Ⅱ主要缺点和改进措施是什么？

学生通过观察与思考，在建模思想辅助下可直接规范解题：

（1）MnO2+4HCl（浓） MnCl2+Cl2↑+2H2O;

（2）当 B 中的反应进行一段时间后，看到有黄绿色气体充满装置时再开始加热 D;

（3）2Fe+3Cl2  2FeCl3;

（4）当装置中的固体体积过大时容易堵塞导管;

（5）缺点是虽然设有尾气处理装置，但是以水溶液为主。当另外一个装置中形成水蒸气时，将会氧化氯化铁，影响到结果的准确性。改进措施是在 E、F 瓶之间连接一个装有干燥剂的装置。

学生在建模思想指导下分析这一反应装置中，会发现这两个模型的科学性与安全性均存在缺陷，并在问题的引导下找到题目中的隐性问题，然后改进实验装置，以使问题得到解决，从而提高解题能力。

三、构建化学式子模型，培养学生思维敏捷性

建模思想其实是一种思考方法，建模就是构建系统模型的过程，将研究对象的一些非本质及次要因素舍弃，以理想化与简化的形式再现原型中各种复杂联系、功能与结构。等效化学式在高中化学解题教学中比较常见，比如计算混合物中某组分质量分数是一种常规题型，即在混合物中，已知某种特定元素的质量分数，求其他元素或某种物质的质量分数。这时学生可构建等效化学式模型，以减少运算步骤，使他们的思维变得更为敏捷。

例如，现有氯化钾和氯化钠的混合物，已知氯元素的质量分数占 a %，那么混合物中钾与钠的质量分数分别占多少？

从这个题目所给的信息，我们知道其实是求混合物中两个阳离子所占的质量比。其阴离子均为 Cl—，通过对阳离子式量的观察发现，钾是 39，钠是 23，氯化钾的式量要比氯化钠大 16，可以把钾—39 用钠—23 与氧—16 代替，构建出氯化钾的等效化学式 NaClO，即次氯酸钠，如图所示：

这样，学生就可在所建的模型中解答题目。取 100 g 的混合物进行研究，如果将氯化钠当作一个整体来看待，那么在混合物中各个元素含量为 n（NaCl）=n（Cl），n（K）=n（O），求得钾的含量比为 ，钠的含量为 1 减去氯与钾的含量比，即 Na%=1-a%-K%。

在混合物中已知某特定元素的质量分数，求其他物质或元素质量分数时，采用构建等效化学式的方法解题，能减少运算步骤和提高正确率，有助于学生敏捷性思维的培养。

四、构建反应类型模型，理解各类反应实质

在新课程标准中明确要求学生掌握各类常见化学反应的一般原理，能够探索化学反应的应用及规律。在高中化学知识体系中，常见的化学反应有化合反应、分解反应、置换反应和复分解反应等。要想借助建模思想辅助高中化学解题教学，教师应当根据反应原理指导学生构建化学反应类型模型，将这类难把握又繁琐、复杂的题目变为形象化，使解题过程变得具体化、模式化，从而更好地理解各类反应实质。有这样一道题目：

请正确写出以下水解反应的化学方程式：

（1）NH2Cl+H2O→

（2）Al4C3+H2O→

水解反应属于高中化学知识体系中一类十分重要的化学反应类型，常见的水解反应包括酯的水解、卤代烃的水解、卤素互化物的水解、金属氮化物的水解和盐类水解等。学生首先要明确水解反应的概念：水与另一化合物反应，该化合物分解为两部分，水中的 H+ 加到其中一部分，而羟基（-OH）加到另一部分，因而得到两种或两种以上新的化合物。然后让学生通过类比、联想找到反应规律，建立水解反应模型。如图所示：

水解物质中通过“带正电”微粒+OH- 和“带负电”微粒+H+ 变成 H2O，随后将模型套入题目中，就能写出正确的水解方程式：

NH2Cl+H2O→ NH3+HCl;

Al4C3+12H2O→ 4Al（OH）3↓+3CH4↑。

化学反应原理类的问题比较复杂、不易把握，学生通过构建各种反应类型的模型可将复杂的问题变得可操作与有规律的问题，从而从更深层次理解各类反应的实质。

五、构建反应过程模型，锻炼学生逻辑思维

在高中化学课程教学中，建模思想其实就是用正确的化学术语、图形、模型、图表、文字等准确表达化学问题的解决过程与结果。有的化学反应现象较为“隐秘”，仅仅依靠肉眼无法观察得到。反应过程比較复杂，反应物之间的关系也较为复杂，它们相互之间的反应与反应顺序难以把握。要解析这些反应过程和结果，需要比较多的知识点。因此要采用构建反应过程模型的方法帮助理解与解题，将解题过程变得具有操作性与规范化。在这一过程中，能较好地锻炼学生的逻辑思维。比如下面的一道题目：

已有 10 mL 的盐酸溶液，浓度是 0.001 mol/L，把浓度一样的氨水倒入其中，直至溶液的浓度达到 pH=7，那么下列正确的关系式为（   ）。

A.c（Cl-）>c（OH-）>c（NH4+）>c（H+）

B.c（NH4+）=c（Cl-）>c（H+）=c（OH-）

C.V总<20 mL

D.V总>20 mL

根据题目信息可知 10 mL 的盐酸溶液浓度是 0.001 mol/L，假如添加浓度同样是 0.001 mol/L 的氨水 10 mL，两者将会发生完全反应，最终生成 NH4Cl，溶液为酸性。要想让 pH 值达到 7，需继续添加氨水。这表明氨水体积要比盐酸体积大，总体积就大于二倍盐酸的体积，即大于 20 mL，那么 C 错误，D 正确。对 A 选项而言，溶液中阴离子总数不可能比阳离子多，故错误。再分析发现，溶液中一定有 c（Cl-）+c（OH-）=c（NH4+）+c（H+），如果要使溶液的 pH 值为中性，那么 c（OH-）=c（H+），c（Cl-）=c（NH4+）。因此最后生成的溶液明显是 NH4Cl，所以 c（Cl-）与 c（NH4+）一定会大于 c（OH-）和 c（H+），因此 B 正确，最终正确答案是 B 和 D。

学生通过整个化学反应过程的模型，分析溶液中阴离子与阳离子的数量关系，将有序思维过程表示出来，从此简化解题过程，培养逻辑思维。

六、构建溶液混合模型，把握化学问题本质

在高中化学教学过程中，溶液混合类题目也较为常见，包括等体积混合和等质量混合等类型，解决这类题目时要用到大量的化学概念。化学概念属于化学知识体系的基础，是一类抽象出来的理论知识，因此溶液混合类题目较为抽象，通常要用到一些非常规方法来解题。高中化学教师在具体的溶液混合类解题教学中，要引导学生将溶液混合过程构建成模型，将混合过程变得可视化，使抽象问题变得具体化，从而辅助他们把握好化学问题的本质。

例如，取两种浓度不同的硫酸溶液，等质量混合时所得溶液中溶质的质量分数是 a %，等体积混合时是 b %;取两种浓度不同的氨水，等质量混合时也是 a %，等体积混合时是 c %，判断 a，b，c 之间的大小关系。

依据硫酸、氨水与水的性质得知，浓硫酸的密度要比稀硫酸的大，浓氨水的密度则比稀氨水的小。设 V浓硫酸=V稀硫酸 1，m浓硫酸=m稀硫酸 1+m稀硫酸 2;V稀氨水=V浓氨水 1，m稀氨水=m浓氨水 1+m浓氨水 2。溶液混合过程可通过以下模型展现：

通过观察，往 b % 硫酸溶液中添加稀硫酸 2 稀释得到浓度是 a % 的硫酸溶液，b %>a %;往 c % 氨水中添加浓氨水 2 浓缩可得到浓度是 a % 的氨水，得出 c %a>c。

计算混合溶液中溶质的质量分数时，运用常规方法难以找到切入点。在解题中建立溶液混合过程模型能较好地把握问题的本质，由抽象变具体，使学生的思维更加深刻。

在高中化学解题教学实践中，熟练运用建模思想是提升解题准确度和速度的重要方法。教师需引领学生在大量习题练习中采用建模思想，使其思维变得更为广阔、独立、敏捷、灵活与深刻，推动他们取得更为理想的化学学习效果。

【参考文献】

[1]林艳霞.新课程下高中化学渗透科学价值观的研究[J].吉林教育，2019（44）.

[2]许义琴.高中化学教学中探究式教学的有效应用策略[J].化工管理，2019（34）.

（责编 卢建龙）