化學教學中模型的應用

摘要：模型是幫助學生理解和掌握一些抽象概念和理論的重要方法。模型方法的應用也可以促進學生思維能力的發展。文章論述了化學模型的定義和分類，并探討將模型運用于化學教學中。

關鍵詞：模型；化學模型；化學教學

文章編號：1008-0546（2016）05-0040-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.05.016

素質教育認為通過學習學生不僅要掌握知識，更要掌握科學方法。模型方法源自科學研究，是人類認識事物的重要方法，因此也是學習的重要工具，它可以幫助我們認識一些抽象的現象，也有助于我們理解一些概念和理論。化學是研究物質組成、性質和結構的一門學科，因此在研究和學習過程中普遍運用了模型方法

一、化學模型的定義及分類

化學模型是在已獲得大量感性認識的基礎上，以理想化的思維方法，對化學事實進行近似、形象和整體的描述，進而揭示其本質和規律。[1]化學中最重要的思想模型是分子模型（反映分子的組成、結構和性質的靜態模型）和反應系統模型（反映分子轉化過程即化學反應的動態模型）。化學中的其他思想模型，如官能團模型、化學鍵模型、反應速度理論模型、溶液模型等，都與這兩類基本的化學模型有密切的聯系。

按照模型代表和反映原型的方式是較為普遍使用的一種分類標準，可分為物質模型和思想模型。見表1。

二、化學教學中模型的應用

化學模型方法廣泛應用于中學化學不同內容的教學中，如化學基本概念教學、基礎理論教學、化學反應教學、化學體系教學，本文將從這幾個方面以及數學模型在教學中應用加以討論。

1.模型運用于化學概念教學中

化學概念是人類在認識過程中，把所感知的客觀事物的本質特點抽象出來，加以概括。因此，概念具有抽象性、高度概括性。在概念的學習中可以運用模型方法，將概念和熟悉的事物聯系起來，從而幫助學生理解相關概念（見表2）。

解析：在氣體摩爾體積這一個概念的教學中，將微觀世界宏觀化，運用一系列分子模型圖片展示1mol 物質的體積大小，讓學生有感性的認識。利用學生熟悉的實物模擬物質的組成，采取類比方法，來解釋說明影響氣體、液體和固體體積的因素，使學生更易理解和掌握氣體摩爾體積這一概念。

化學上還有很多抽象的概念，比如物質的量、質量守恒定律、氧化還原反應等等，學生在學習過程中存在學習困難。教師在教學中應提取概念的本質特征，建立適當的類比模型來幫助學生理解，使學生便于理解和掌握。

2. 模型運用于化學理論教學中

化學基礎理論是人們從實踐中概括出來的關于化學知識的系統性的規律和結論。[2]理論是化學知識體系的核心，貫穿于中學化學教材中，但并不具系統性，所以在教學中應重視理論框架的構建，幫助學生形成理論模型。理論模型的建立有助于學生掌握化學知識，形成化學思維方式，提升化學知識的應用能力（見表3）。

解析：此案例就是將電解質的電離理論建構為一圖表模型，圖表模型就是通過圖表揭示、反映原型的結構、性質和機制。圖表模型屬于形象模型的一類，當然，這里的“形象”并不是指原型和模型外表上的相像，而是指原型和模型本質內部的相像。上圖將電離理論知識系統化，更易于學生理清理論中不同知識點之間的聯系，也便于學生記憶和運用。

有些模型可以通過圖像、圖表和曲線的形式來體現，這類模型稱為形象模型。反映原型結構的形象模型不僅從整體上看與原型有一定的相似關系，而且構成模型這一觀念系統的元素與構成原型這一物質系統的相應的元素也有某種相似關系。例如，物理學中的氣體模型（把氣體分子想象成彈性球體）、原子的行星式結構模型、各種化學鍵模型等等。反映原型的性質和機制的形象模型也常常可通過一定的圖像間接地加以反映，如用幾何圖形或解析幾何中的坐標系和曲線、曲面來表示。這些圖像也可稱為圖像模型，實際上也是幾何形式表示的數學模型。可見，模型間的分類并不是絕對的，不同的模型分類間有一定的交叉。

圖像模型、圖表模型或曲線模型可將不同的、有相互關系的因素簡明扼要地表現出來。在教學中，尤其是比較復雜的化學理論，教師可以抽取其中的本質屬性，并用此類模型來表現，使學生的知識更具條理化。此類模型在化學教學中最常見的應用是“物質的溶解度曲線圖”。

3. 模型運用于化學反應教學中

化學反應是元素化合物知識的重要組成部分，要求學生熟識化學反應的實質并加以應用。雖然物質的種類繁多，但化學反應具有一定的規律性。教學過程中，教師要引導學生概括出化學反應的模式（即化學反應模型）（見表4）。

解析：化學反應數量眾多，化學反應方程式是一類符號模型，利用化學反應通式來表示一類的化學反應，方便學生記憶和使用。

此外，氧化還原反應是高中化學的重難點，也有規律可循，可在教學中建立相關模型。有機化學中的取代反應、加成反應都可以運用符號模型有助于教學。

4. 模型運用于化學體系教學中

化學過程通常受多條件因素綜合影響，此時學生很難理出頭緒，如果將問題分解并假設為幾個變化的體系模型，就能簡化問題。[3]例如，在學習化學平衡移動相關內容時，壓強對平衡移動的影響是重點也是難點，學生很難在體積、壓強、濃度這一系列的外界變化中確定平衡移動的方向性。因此，在平衡移動教學中應多建立體系模型，分解問題，幫助學生理解（見表5和表6）。

解析：此題就是將問題分解為幾個簡單的體系模型，使問題簡化，思路清晰，從而作出解答。

解析：在此題的解題過程中，利用外界條件不變時，達到平衡時，結果與過程無關的特點，以及等效平衡的觀點轉換路徑，抽象出來的解題過程，將復雜的問題簡單化，而達到簡單解題的問題。

5. 數學模型運用于化學教學中

數學是一門基礎學科，是不可缺少的工具學科。在化學研究和學習中，有些內容從數學角度，利用數學模型可以更簡明清晰的呈現，學生也更易理解。[4]化學中很多問題可用數學模型來解決，例如溶液的相關計算、混合氣體的平均摩爾質量的計算（十字交叉法）、平衡移動等等（見表7）。

解析：此題的解答中運用數學中的杠桿原理，結合圖示，列出方程式最終求得答案。數學模型就是運用數學語言（如符號、公式、方程等）定量地揭示客觀事物的本質特征和運用規律。數學模型的抽取過程是將所要研究的復雜的問題轉化為數學問題來處理。

數學模型方法在化學中有極為廣泛的應用。數學方法目的在于認識事物的運動變化及其規律性，并從數量關系上加以把握。馬克思曾指出；一門科學只有達到能應用數學描述時，它才是算得上真正發展了和完善了。正如之前所提及，理想氣體的狀態方程就是數學模型在化學中運用最典型的例子之一。

科學模型在教學中的運用范圍廣泛，教學案例是無法窮盡的，在此僅列出一些典型的案例供教師參考。更重要的是，教師通過自身對模型內涵的理解，將模型和模型構建這一科學方法融入日常的教學中，幫助學生更好地學習化學知識，促進學生科學思維和科學方法的培養。

參考文獻

[1] 陳文婷，王祖浩.化學教師對模型的認識和應用研究[D].上海：華東師范大學，2008

[2] 王金福.思想模型在化學教學中的應用初探[J].化學教育，2000，（9）

[3] 張瓊，于祺明，劉文君.科學理論模型的建構[M].杭州：浙江科學技術出版社，1990：1-2

[4] 孫小禮，韓增祿，傅杰青等.科學方法（上冊）[M].北京：知識出版社，1985：342-388