高三化学复习中思维模型的建构策略

张建海

摘  要：化学学科核心素养引领下的化学教学，彰显着化学学科的育人价值，促进着学生必备品格和关键能力的提升。本文以近几年的浙江化学高考第29题说理题及其他试题为例，以“证据推理”和“平衡思想与变化观念”等素养为依托，通过“模型构建”的方式浅谈高三课堂的复习策略。

关键词：核心素养;模型构建;说理

《普通高中化学课程标准（2017年版）》提出的化学学科核心素养包括“证据推理与模型认知”。杨玉琴认为“模型认知”能力是指能够运用模型描述化学研究对象、解释化学现象和规律、预测可能的结果，并建构模型展示自己对化学事实的理解和解释能力。冯品钰、何彩霞提议把“模型认知”分为两大方面，一是利用模型认识事物及其变化，二是通过建构认知模型建立解决问题的思考框架。

上述研究者的观点为一线教师的教学实践指出了一个方向，也为教学评价提供了一种思路。

一、化学复习中的问题透视

高考年年考，失分不会少。2021年1月份的浙江化学高考第29题说理题着重考察了“平衡思想与变化观念”的核心素养，同时需要学生具备很好的“证据推理”素养，该类试题无论是对学生的学习而言还是教师的教学来说都存在的较大的困难，高投入低产出甚至零产出（零分）是常见现象。笔者经过多年教学实践，发现通过“建构模型”能较为方便、快捷且正确的解决相应问题。

二、化学复习中的思维建模

（一）模型建构

在课堂教学过程中，坚持引导学生对题型分类归纳，并构建合理的解题模型或者答题模板不失为一种有效的应试技巧，同时也是一种素养的养成，使学生在高三之后，大学之时，甚至工作生活之中面对更为繁杂的知识体系和千头万绪的事情时能有有效的处理能力。

基于平衡与变化在中学阶段的知识脉络，反应原理说理题总体上可使用下列思维模型来进行分析处理，如图1。

（二）模型释义

一个说理题，往往会涉及多种因数以及多种对象，基于不同的试题场景，该模型具体使用时大致可分为以下几种情况：1. 反应自发性的说理题，2. 单因素单反应速率问题;3. 单因素单反应平衡问题，4. 多因素单反应速率问题，5. 单因素多反应速率问题;6. 单因素多反应平衡问题等。基于具体的情况，模型需要做适当演变。仅举2例说明如下。

反应自发性的说理题：结合焓变与熵变以及温度对△G的影响，从一致性和矛盾性两方面考虑，进而结合数据以及反应耦合等角度来说明问题，演变模型如图2。

多因素单反应速率问题：如已知N2（g）+3H2（g）[=]2NH3（g），△H>0在不同温度下催化剂的催化效率与氨气的生成速率如图3所示。

分析氨气生成速率随温度升高而变化的原因。

该题可以分为3段来分析说明，同样可以从反应速率的影响因数角度分为一致性和矛盾性两方面，进而综合考虑，模型演变如图4。

（三）运用要点

该模型的使用与演变，关键之处在于找准对象和影响因数，笔者在实际的课堂教学中引导学生从2个方面进行分析。

1. 精准审题，找对证据

精准审题不仅是学生应试的必备技能，也是提取有效证据的必要手段，进而推理归化到变化与平衡的化学核心知识与素养上去，在具体课堂教学中，笔者引导学生从以下三个层级来审题。

2. 理清脉络，正确回归

平衡与变化主要阐述了量变和质变、内因与外因等关系。在课堂教学中，需要帮助学生理清知识脉络：从量变和质变、内因与外因等关系全方位分析化学变化;从不同层级与不同维度对反应自发性、速率、平衡的判断与影响进行讨论。笔者同样从三个层级来引导学生构建知识体系。

三、化学思维模型的运用

下面以浙江2021-1-29题节选及其他试题为例，说明该模型的具体运用。

例如工业上，常采用“加碳氯化”的方法以高钛渣（主要成分为TiO2）为原料生产TiCl4，相应的化学方程式为：

ⅠTiO2（s）+2Cl2（g）[=]TiCl4（g）+O2（g）

△HI=181kJ·mol-1，K1=3.4×10-29

Ⅱ2C（s）+O2（g）[=]2CO（g）

△HII=-221kJ·mol-1，K2=1.2×1048

结合数据说明氯化过程中加碳的理由_________。

首先，从三个层级对该题进行审题，寻找证据

一级：明确要求结合数据说明氯化过程中加碳的理由。

寻得证据：生成TiCl4。

二级：基于证据分析得出是“自发性”方向的说理题，然后结合反应Ⅰ产物中有TiCl4的生成，但是反应Ⅰ是一个熵减和吸热的反应，显然是非自发的。

三级：再结合要求，用数据说明，必然需要反应Ⅱ与反应I耦合，得到反应Ⅲ：

2C（s）+TiO2（s）+2Cl2（g）[=]TiCl4（g）+2CO（g）

该反应的△H3=-40kJ·mol-1且K3=K1×K2=4.1×1019。

再如（浙江2021-1选考题改编）在一定温度下，以I2为催化剂，氯苯和Cl2在CS2中发生平行反应，分别生成邻二氯苯和对二氯苯，两产物浓度之比与反应时间无关。反应物起始浓度均为0.5mol·L-1，反应30min测得氯苯15%转化为邻二氯苯，25%转化为对二氯苯。保持其他条件不变，若要提高产物中邻二氯苯的比例，可采用适当提高反应温度的方法。

请解释原因________________________________。

一级：要求提高产物中邻二氯苯，证据：两产物浓度之比与反应时间无关;采用适当提高温度的方法;分别生成邻二氯苯和对二氯苯。

二级：因为浓度之比与时间无关，必然是二个平行反应以一固定的速率比在进行，从而归化为速率问题。

三级：单因素（采用适当提高温度的方法）、双反应（分别生成邻二氯苯和对二氯苯）。

其次，基于证据，合理归化，回归知识，同样从三个层级展开。

一级：着重关注基本判据和因数对自发性、速率以及平衡的影响，同时也是有效证据的落脚点。如本题为“自发性”的问题，要归化到“自发性”的相关影响因数上去。

二级：着重关注相关因数的内在关联和更本质更内涵的影响原因。

①△H、△S、T的关联是△G=△H-T△S;

②从反应机理角度认识催化剂，浓度等因素对反应速率的影响，举例1进行分析;

③从碰撞理论和过渡态理论的角度去解释温度、浓度等因素为何可以影响速率;

④从浓度商Q与平衡常数K的比较来判断平衡移动;

⑤从快慢反应来分析动态平衡与整体反应。

三级：着重关注多因素影响后的一致性与竞争性以及实际生产过程中条件选择的多维度性。

①转化率（或产率）分为平衡前转化率（或平衡前产率）和平衡转化率（或平衡产率），工业生产中往往都是一定时间内的平衡前转化率。

②反应的选择性往往包含速率控制的选择性与平衡控制的选择性。

最后，套用和演变模型。

通过分析，该题可以套用图2自发性的模型来解答。

再如（浙江2020-7选考题节选）研究CO2氧化C2H6制C2H4对资源综合利用有重要意义。相关的主要化学反应有：

Ⅰ C2H6（g）+CO2（g）[=]C2H4（g）+H2O（g）+CO（g）

Ⅱ C2H6（g）+2CO2（g）[=]3H2（g）+4CO（g）

采用选择性膜技术（可选择性地让某气体通过而离开体系）可提高C2H4的选择性（生成C2H4的物质的量与消耗C2H6的物质的量之比）。在773K，乙烷平衡转化率为9.1%，保持温度和其他实验条件不变，采用选择性膜技术，乙烷转化率可提高到11.0%。结合具体反应说明乙烷转化率增大的原因是________________________。

一级：该题中“乙烷平衡转化率”指明为平衡问题，而影响化学平衡移动的基本因数无非就“T、C、P”这三种，所以“采用选择性膜技术（可选择性地让某气体通过而离开体系）可提高C2H4的选择性”可以归为浓度或者分压的因数。

二级：进一步通过浓度因数对化学平衡的影响角度来分析回答问题。

三级：通过进一步分析可判断出这是一个单因数单反应对象的问题。

最后，结合模型就很容易解决了。

四、化学建模的实践反思

在教育改革不断深化的今天，我们的教学必须符合国家课程标准的要求，同时也要深刻认识到现在的高考评价方式也在不断变化，越来越突出对素养的考察，而不仅仅是对知识的考察，所以高三教学，应该把传统的应试教学与素养提升统一起来，通过不断地改进教学方式，运用“证据推理”来强化“平衡观与变化观”，并不断总结提，最终通过“构建模型”帮助学生聚三归一，举一反三，从而让学生在血液中流淌有化学素养的基因。

（责任编辑：汪旦旦）

参考文献：

[1]杨玉琴. 化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究[J]. 化学教学，2017（07）：9-14.

[2]冯品钰，何彩霞. 发展学生模型认知的化学教学实践——以“离子晶体”为例[J]. 教育与装备研究，2018，34（04）：29-33.

[3]常聪，谭学才. 证据推理与模型认知核心素养的教学案例研究[J]. 中学化学，2017（09）：9-10.