数学建模思维融入高中化学概念教学的应用分析

郑志洪

摘 要：目前，在我国高中化学教学过程中，很多教师出于对升学率的考虑，对化学思维方式的有效培养并没有足够重视，导致化学教学效果始终无法达到令人满意的程度，因此，必须对现行的高中化学教学理念和方法进行全面改革。作为一种具有较高重要性的科学认知方法和研究方法，数学建模思想的有效应用能够将隐藏条件转化为已知条件，利用已知条件解决具体问题。笔者针对数学建模思想在高中化学概念教学中的有效应用途径展开详细分析，希望为高中生化学素养的进一步提高及高中化学教学水平的进一步提升奠定基础。

关键词：高中化学;概念教学;数学建模思想

对高中化学教学展开的大量实际调查表明，由于受到传统应试教育的长时间影响，化学教学质量难以提升，不仅对学生化学成绩的提高造成严重阻碍，对高中化学教学水平的提高也带来了严重影响。为了使学生灵活掌握获取化学知识的方法，必须加强数学思维方法在化学教学中的有效应用。数学思想作为思维方法中具有较高代表性的研究对象，将数学建模思想合理融入高中化学概念教学中，通过对学生传统学习方式和教师传统教学方式改革，使数学建模思想在高中化学概念教学中的作用和价值得到充分发挥。在此基础上了解应用过程中存在的问题，明确导致相关问题存在的原因，采取多元化的措施将其中存在的问题妥善解决，有利于实现提升高中化学教学效率的目标。

一、培养高中生在化学概念教学中建立数学模型思维的途径

化学概念学习中，概念建模是重要的一环。2017年版《普通高中化学课程标准》明确指出，应在高中化学课堂上培养学生“证据推理与模型认知”的核心素养，就是应用数学建模思想建立化学概念模型。概念建模的关键在于：引导学生从记住概念向发现本质、重新认识核心概念、掌握核心概念应用常见模式方向进行纵向发展，推动学生实现思维层面的成长。传统高中化学概念课堂上，教师多重视学生对概念的理解和应用，忽视核心概念的突出和概念知识体系的建立，忽视对学生思维能力的培养，忽视探究能力、发散思维的锻炼。新课程标准视域下，教师想要实现对学生化学概念的模型思维训练效果，必须从以下几点入手：

（一）提高学生的抽象思维能力

在学习苏教版高中化学教材《化学反应原理》时，化学平衡常数K是中学化学中重要的理论内容之一，它涵盖：化学平衡、电离平衡、水解平衡、沉淀—溶解平衡，这些都是学生最难掌握的复杂抽象内容。在讨论某可逆反应平衡状态及移动方向相关问题时，可以直观利用Qc与K的大小关系判断：

Qc是指任意时刻生成物浓度系数次方的乘积与反应物的浓度系数次方的乘积之比，K则是平衡时生成物浓度系数次方的乘积与反应物的浓度系数次方的乘积之比。

当Qc=K时，处于化學平衡状态，v（正）=v（逆）;

当Qcv（逆）;

当Qc>K时，此时向逆反应方向进行，v（正）

教师可改变传统概念四步教学顺序，选择联系旧概念、抛出与新旧概念皆有关的问题、新旧结合寻找关键点、挖掘出核心概念的新概念四步教学顺序，用新旧结合创造出的情境来调动学生的概念学习积极性，加深学生对概念的认识和理解，提升学生的探究意识和能力。以有机物部分为例，教师可先引导学生回顾初中接触过的有机物，动植物有机体中才能获得的化合物即脂肪、蛋白质、多糖等;要求学生写出葡萄糖等有机化合物的化学式，学生记不住的可查资料;鼓励学生观察并总结有机化合物化学式的相似之处，如葡萄糖C6H1206、乙醇CH3CH2OH、乙酸CH3COOH;构造出碳元素、氧元素、氢元素与有机化合物关系的核心概念模型。

例如，“有效碰撞理论的建立基于气体动力学理论，认为只有分子碰撞满足能量要求和空间取向要求时才是有效碰撞，化学反应才能发生。过渡态理论认为，反应物分子先形成活化能配合物，作为反应的中间状态。活化物能量很高，不稳定，重新分解为反应产物。”根据这一段表述，教师给出一张物质发生反应的过程图表，要求学生在图中标注出“正反应活化能”，并结合表述解释温度和催化剂对反应速率产生影响的方式。这是一道构建情境，然后要求学生在情境中应用已知模型解决问题的题目，对学生的建模思想有较高要求。

（二）科学构建模型，培养学生对化学知识点举一反三的能力

培养学生在化学概念教学中建立数学建模思维，归根结底是培养学生利用数学知识解决化学问题的能力。

比如，在学习苏教版高中化学教材“元素化合物”相关知识的过程中，为了保证学生对元素化合物相关知识点的掌握和让记忆更加深刻，在学习相关知识之前，要对质量守恒定律、氧化还原反应等辅助手段和工具进行全面了解，可以选择对应习题，加强学生对这一部分知识点的掌握及记忆。

例如，4.6g的铜镁合金完全溶入浓硝酸中，硝酸被还原，如果只产生四氧化二氮气体336ml、二氧化氮气体4480ml（标准状况下），那么将氢氧化钠溶液加入反应后的溶液中，沉淀物的生成质量最大为多少？

A.9.02g  B.8.51g  C.8.26g  D.7.04g

这道题主要是考查学生对合金问题的计算能力，由于生成的沉淀物为氢氧化铜与氢氧化镁，氢氧根离子与金属阳离子结合增加的质量就是沉淀增加的质量。与此同时，与金属阳离子结合的氢氧根离子的物质的量，就是反应过程中转移电子的物质的量。学生根据学过的电子得失守恒定律能够知道，金属失去的电子物质的量為：

4.48L÷22.4L/mol+0.336L÷22.4L/mol×2=0.23mol。

氢氧根离子与金属阳离子结合后，共消耗的氢氧根离子的总量为0.23mol，对应的质量为3.91g，那么通过计算得到最终的沉淀质量为8.51g，B为最终确定答案。通过对此例题的分析与解答，学生能够知道，先将铜和镁失去的电子数计算出来，得到与铜和镁离子相结合的氢氧根离子的量，得到题目最终要求的沉淀量。

此类题型在高中化学元素化合物这一部分中比较常见，运用得失电子守恒定律可以快速求出氢氧根离子的质量。此时教师可以对学生提出问题，在计算氢氧根质量的过程中，所用到的知识点具体是什么？经过对例题的分析，学生能够知道运用的知识点主要为得失电子守恒，在解决此类问题时，具有一套固定的数学思维模式。

如果将题目中的已知条件进行改变，变成过量的12mol/L硝酸100ml，然后在原问题——沉淀量达到最大值时，求加入1mol/L氢氧化钠的体积为多少？那么氢氧根离子不仅与铜离子、镁离子反应，还会与过量剩余的硝酸反应。由于存在物料守恒定律，当沉淀达到最大时，硝酸钠作为溶质，此时溶液中的氮元素与钠元素呈现质量守恒，可以达到解题目的。此时教师再次提问，你是否知道与例题类型相似的题目？根据对相关知识点的学习和对各种化学元素特点的了解，有的学生可能还会列举出在过量的盐酸中加入镁铝合金，然后将氢氧化钠溶液倒入剩余盐酸溶液中，当产生的沉淀量最大时，沉淀质量为多少的例子。学生列举的这道题与例题解题思路相似，都是向溶液中先后加了酸和碱。通过对这类例子解题思路的分析，数学思维模型的建立，能够使学生对化学知识的掌握更加牢固[4]。

结束语

根据围绕数学建模思想在高中化学概念教学中的有效应用途径展开的深入研究和详细分析，我们能够更加明确地了解，通过对数学建模思维平台的科学搭建，能够使学生单一的思维模式转变为多元化学习方式，以灵活应用思维全面替代传统僵化思维，创新思维彻底代替传统守旧思维。长此以往，不仅能够使学生数学思维得到全面提高，对化学知识也会产生积极的学习兴趣，将自身的注意力全部集中在教师设计的教学内容中，对化学知识进行积极主动的学习，使高中化学课堂具有的合作交流性和探究性进一步提高，还能积极响应并落实《普通高中化学课程标准》（2017年版）提出的“普通高中化学课程是与义务教育化学或科学课程相衔接的基础教育课程，是落实立德树人根本任务、发展素质教育、弘扬科学精神、提升学生核心素养的重要载体”。与此同时，通过教师的积极引导，学生能够养成对化学知识进行独立思考的意识，再通过不断的练习，还能使学生发现问题、分析问题、解决问题的能力得到进一步提高，使学生在数学建模思维的作用下，全面提高自身的化学核心素养。

参考文献

[1]胡玉华.壮族地区普通高中高一学生数学学习策略的调查研究：以广西来宾市第一中学为例[J].中小学管理，2019（8）：27-29.

[2]姜小圩，周勇.学习进阶及其在科学教育改革中的生命线作用[J].宁波大学学报（教育科学版），2020，37（2）：121-125.

[3]韩葵葵，胡卫平，王碧梅.国际科学教学心理的研究进展与趋势[J].华东师范大学学报（教育科学版），2020，32（4）：63-70.

[4]蔡志凌.电池原型族和PDEODE教学策略对高一学生原电池建模能力的影响研究[J].学术论坛，2019，38（7）：157-162.