中学化学教学中的“模型”

黄娟 吴军

[摘   要]以原子模型演变的历史为例，论述了建构模型是接近真理的有效方式;以元素周期表的发展史为例，论述了运用模型会推动化学学科不断发展;通过具体例子介绍了模型思想在中学化学教学中的运用。

[关键词]模型;功能;运用;中学化学

[中图分类号]    G633.8        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）26-0069-03

我国中学理科课程一直非常重视对“模型”的应用。例如，《普通高中化学课程标准（实验）》中有9处提到了“模型”一词;《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出高中化学课程要以发展学生的核心素养为主旨，“证据推理与模型认知”被列为化学学科核心素养的要素之一，并且在内容标准中的“模型”多达28处[1];在教学建议中提到，利用模型提高教学质量和效率。虽然教师已经开始注重在教学中培养学生的模型认知素养，但不少教师对模型认知素养的认识不足，缺乏行之有效的教学策略。本文试图以具体的例子说明模型的功能及其在教学中的运用。

一、模型的功能

1.建构模型是接近真理的有效方式

无论是近代科学探究还是现代科学探究，都表现为模型的建构，其目的是建立解决复杂问题的思维框架，或是架设起通向真理的桥梁。无数的历史事件的发展过程证明，基于证据与推理可以促进事物变革更快地发生，利用模型揭示复杂对象的本质和规律的过程中，理论假说在模型建构、运用、修正的过程中不断演进，让人类的认识逐渐逼近真理。

以原子模型的演变为例[2-4]，就可以说明建构模型是接近真理的有效方式。从均匀分布的葡萄干面包模型到核式结构的行星模型，再到电子云模型，每一个模型的修正都是对前一个模型的扬弃。科学家经过近一个世纪的研究，通过原子模型的建构、运用、评价、修正，人类才实现了对原子原型的认知。通过建构原子模型从而将复杂的物质现象和过程进行抽象的概括和简化，进而增进人们对其本质的理解和认识。原子结构模型的演变历史与无数的历史事件的发展过程都可证明：建构模型可以推动人类对自然界的认识不断向前发展;模型在实践运用中不断修正和重构、发展和完善，使理论假说不断演进，人类的认识逐渐逼近真理，如此人类才能在探索未知世界的道路上取得一个又一个伟大的成就。教师在教学过程中，根据学生的理解水平和教学内容建构化学模型，引导学生体验科学模型建构过程的同时帮助学生理解物质现象和化学过程。

2.运用模型是化学发展的推动力

模型是科学解释和科学预测的重要工具。建构模型是科学研究的重要方法，但科学研究的最终成果不是模型，而是运用模型建立一个具有解释、预言和发现功能的逻辑体系，科学认识还需要在模型的基础上进一步深化才能逼近真理。运用模型认知，化学家可以“看到”他们试图研究的原型和过程，据此进行实验设计和探究活动，进而支撑他们的逻辑推理和知识建构。

以元素周期表的应用为例，对于条件不成熟、不完备的19世纪来说是一项极其艰巨的任务。在不知道电子、不知道原子内部结构的漫长岁月里，整个19世纪对元素的研究只能猜这猜那，徘徊不前。1869年，门捷列夫建立第一个元素周期表。有了元素周期表这个模型之后，门捷列夫在研究元素时，利用周期表，科学、成功地猜测了11种未知元素，为它们在周期表中预留位置。如他认为在铝下方有一个与铝类似的元素“类铝”，并预测了它的性质。1875年，法国化学家发现了这种元素，将它命名为镓。镓的性质与门捷列夫猜测的一样。门捷列夫还预言了“隐锗”的存在和性质，多年后获得了证实[5]。此后，人们在元素周期表这个模型的指导下，对元素的性质进行了系统的研究，推动了化学学科的发展。不仅如此，元素周期律和周期表为新元素的發现及预测它们的原子结构和性质提供了线索。由于在周期表中位置靠近的元素性质相近，这样就启发了人们在周期表中一定的区域内寻找新的物质。周期表有助于人们对很多化学问题进行精准预言和成功解决，它与无数的历史事件的发展过程证明了模型认知可以促进认知发展更快地发生。

二、模型在中学化学教学中的运用

化学科学模型是认识物质、改造物质和应用物质过程中所体现出的具有化学学科特征的具体或抽象的表征。在中学化学教学中运用模型促进学生化学学习，能够有效促进学生的认识发展[6]，继而促进学生化学学科核心素养的提高。

1.运用模型深化概念的理解

模型的形象化表征可以为理解抽象的概念提供帮助。建构模型时，可以使用语言、图画、图表等工具进行表征，模型的形象化表征方式可以减少其所呈现的现象和过程的复杂性，让抽象理论更易于被解释和理解，而对化学概念的准确解读有利于化学知识的顺利传承，有效的化学教学首先应是基于化学概念的教学。要使抽象的概念在学生头脑中留下深刻的印象，就必须使其形象化、具体化，而运用模型深化概念的理解就是一种有效的途径。

如教学质子守恒概念时，一般会联立物料守恒式与电荷守恒式，消去与质子得失无关的离子得到质子守恒式[7-8]。上述方法中两式联立的处理过程较为烦琐，只不过是书写质子守恒式的一种技巧处理，与质子守恒概念联系不大。学生对这种教学处理方式有如下疑惑：什么是质子守恒？这种解法看不出它与质子守恒有什么关联，不利于学生理解质子守恒的概念。教学中教师没有很好地诠释质子守恒的概念，学生不易掌握，写质子守恒式时容易出错。

笔者基于学生的认知基础，列出水、酸的电离反应式和盐类的水解反应式，再根据“产物得质子总数=产物失质子总数”，建构如下质子守恒式的书写模型。

例如，写出a mol/L的Na2CO3和b mol/L的CH3COONa混合溶液的质子守恒式。列出水的电离反应式、CH3COO-离子的水解反应式、CO32-离子的水解反应式，具体如下：

该溶液的质子守恒式为：c（H+）+c（HCO[-3]）+2c（H2CO3）+c（CH3COOH）=c（OH-）

运用此模型需注意：列出水、酸的电离反应式和盐类的水解反应式时，得质子产物与失质子产物分别写在同一边。由于该模型很好地诠释了质子守恒的概念，应用上述等式关系及模型，可顺利书写质子守恒式。

2.运用模型形成解决问题的思维模式

堆砌知识不是能力，将知识组织成一个逻辑严密、判据清晰，达到最大范围统一和自洽的知识体系，才称得上能力。因此，需要及早地培养学生能够逻辑严密、判据清晰地组织知识体系的能力。中学化学教学中，将解决问题的关键环节或步骤以简明扼要的形式进行罗列，凸显其条理性与可操作性，帮助学生形成解答问题的思路模型，规范解题模式，使本来复杂而难以掌握的问题变得有规律可循。运用模型解决问题会更方便、更有效率，更为关键的是可为学生建立终身学习的“长效机制”。

如书写陌生氧化还原反应的离子方程式，在化工流程图题与实验探究题中频频出现，涉及的考点多且杂乱，常考易错。有效的做法是建构一个解决问题的思维模式。例如，Na2S2O3还原性较强，在溶液中易被Cl2氧化成SO42-，因此，Na2S2O3常用作脱氧剂。该离子方程式的书写程序为：

①利用信息写出氧化剂、还原剂、氧化产物与还原产物。

S2O32-+Cl2——SO42-+Cl-

②利用电子转移相等配平氧化剂、还原剂、氧化产物与还原产物。

S2O32-+4Cl2——2SO42-+8Cl-

③根据电荷守恒在方程式两边补充相应数目的H+或OH-。

S2O32-+4Cl2——2SO42-+8Cl-+10H+

④根据原子守恒配平方程式，如补充相应数目的H2O等。

S2O32-+4Cl2+5H2O=2SO42-+8Cl-+10H+

在练习中，如果书写陌生氧化还原反应离子方程式的时候不按程序进行，而是毫无章法地去书写将很困难，甚至不能完成。教师应引导学生将众多的陌生氧化还原反应离子方程式书写的分析思路与策略方法进行抽象概括，形成解决问题的程序与模型，真实体验建模学习的重要性。

3.运用模型搭建思维阶梯

中学化学学习中，有时并不是很深奥的知识也会让学生知“难”而退，主要原因不是知识有多深、多难，而是缺乏引导学生思考的阶梯。因此，教师设计教学时应结合学生的认知基础，把握学生的接受能力，给学生搭建适当高度的思维阶梯，促进学生把若干个小成功叠加成一个较大的成功，不断地体会到通过自己的努力收获成功的喜悦，从而提高学生的学习积极性，进而提高课堂教学的实效。

例题：一定温度条件下，在一体积不变的密闭容器中投入1 mol N2O4，发生反应：N2O4（g） =2NO2（g），平衡时N2O4的含量为M%。 若再投入1 mol N2O4，反应达平衡时N2O4的含量为N%，则M%与N%的大小关系如何？

这道题的判断结果不是大就是小，二选一，但学生经常无法求得正确答案。要得到本题答案并让学生信服，必须建构模型为学生搭建思维阶梯。

解析：直接比较题设的两个平衡状态 （平衡态Ⅰ、 Ⅱ） 确实难以下手。为此，可以建构一个参照模型即平衡态Ⅲ，它与平衡态Ⅰ等同或等效，增大压强使平衡态Ⅲ体积缩小转化为平衡态Ⅱ，分析过程如图1所示。平衡态Ⅲ就是一个假定的参照模型，就是在平衡态Ⅰ与平衡态Ⅱ之间搭建的思维阶梯。

运用模型是一种搭建思维阶梯的有效方法。用浅显、具体、生动的模型来代替抽象、难理解的原型，可使学生的学习处于一种熟悉的背景中，增加说服力，突出原型事物的特点，把原型事物刻画得入木三分。运用模型搭建思维阶梯的做法在教学中随处可见，如电子式、球棍模型、比例模型等都是思考原型的阶梯。只不过以前运用模型进行教学是无意识的行为;如今，化学学科核心素养中明确提到“模型认知”，需要我们有意识地去研究化学模型，掌握化学模型在教学中的运用方法，利用模型建构促进学生的化学学习和化学学科核心素养的发展。

[   参   考   文   献   ]

[1]  郭静， 薛亮，任程，等.化学课程标准中的模型要求分析[J].化学教学，2018（8）：9-14.

[2]  江玉安. 原子理论的发展：纪念道尔顿原子理论发表200周年[J]. 化学教学，2009（1）：55-57.

[3]  周正祥，楊玉琴.指向“证据推理与模型认知”的教学设计：以“原子结构模型的演变”为例[J]. 化学教育，2018（23）：25-30.

[4]  王祖浩.普通高中课程标准实验教科书·化学（必修1）[M]. 5版. 南京：江苏教育出版社，2009.

[5]  宋心琦.普通高中课程标准实验教科书·化学（必修2）[M]. 3版. 北京：人民教育出版社，2007.

[6]  张发新.利用模型建构促进学生化学学习[J].化学教学，2017（5）：24-28.

[7]  曹旭琴.缓冲溶液中的离子平衡[J].化学教学，2009（10）：63-75.

[8]  茆建军.溶液中离子浓度大小比较的解题策略[J].化学教学，2010（6）：71-75.

（责任编辑 罗 艳）