建模思想在初中化學教學中的嘗試

張楓

摘要：文章以建模思想在初中化學教學過程中的課堂案例為切入點，以工業煉鐵的知識教學為背景，簡單闡述了建模思想在教學實踐中的嘗試。以工業流程的建模與含雜質物質的化學方程式計算建模為例，講述建模思想在實踐中的滲透，介紹教學中建模的背景、過程與方法，并進行了一些改善與反思，使得建模思想在教學中起到重要的作用。

關鍵詞：建模思想;化學教學;工業煉鐵

文章編號：1008-0546（ 2019）08-0023-03

中圖分類號：G632.41

文獻標識碼：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2019.08.007

建模是一種科學的思維方法，是一種認知工具。應用建模思想解決課堂教學中的一些問題是一種很有效的教學方法。初中化學是學生接觸化學學習的起始階段，學生對于常見的化學知識有了初步的了解和認識，但還不能很好地從理解角度去分析問題、解決問題，對于建模思想更是比較懵懂。建模思想對于初中學生的學習能力而言雖然有一定的高度，但是為了學生學習能力的可持續發展和思維素養的螺旋式提升，必須在某些適當的知識內容上進行嘗試和滲透。

建模思想可以把常見的化學知識和問題濃縮化，使之以直觀、形象的形式呈現，提高學生的學習效率。建模思想的優點之一在于把研究對象的一些次要細節和非本質聯系提取或舍去，把主要因素、本質聯系、主要特征抽象出來再整合在一起，從而形成一種認知的思想方法。筆者以人教社義務教育教科書九年級化學下冊第八單元課題3“金屬資源的利用和保護”中有關工業煉鐵的內容為案例背景，簡單闡述建模思想在課堂教學中的嘗試。

一、建模思想在工業煉鐵原理與工業流程教學中的嘗試

鐵是人類從自然界中提取量最大的金屬，是一種最主要的金屬材料，煉鐵工業是國家工業生產的重要支柱產業。初中化學對于工業煉鐵主要需要學生了解煉鐵的主要原理、設備等。通常情況下教師在教學中偏向于把教材中示意圖（如圖1所示）講解清晰，讓學生對加入各種原料的作用以及高爐內發生的化學反應弄清楚就基本達成了教學目標。然而工業上鐵礦石煉鐵是一個復雜的過程，一張示意圖只是簡單地表示出主要反應原理。仔細觀察圖，就可以看到高爐底部有出渣口與出鐵口，而高爐頂部有高爐氣體的排出。這就可以引發學生思考，高爐氣體就這樣如圖所示排放到空氣中了嗎？在此基礎上還可以繼續深入思考，工業煉鐵在這一個高爐設備中就全部完成了嗎？

既然是工業煉鐵，就會涉及工業生產的流程問題。在學生學有余力的情況下，進行適當的拓展，可以開拓學生的視野，同時也可以激發學生的學習興趣和動力，體現化學知識的學習與工業生產的關聯，讓學生對于化學學習的感受不再是枯燥的，而是與生活息息相關的。初中學習以化學理論知識學習與基礎實驗學習為主，對于工業生產的實際情況也不是特別了解，直接學習起來可能不能完全理解，需要在講解工業流程之前做好鋪墊，所以筆者就在這里的教學設計中利用建模思想進行了一次嘗試。

模型建立：以教材中的高爐煉鐵的示意圖為出發點，引導學生對于工業生產有所認知，繼而建立工業生產的大致流程模型，如圖2所示。

學生在依照圖2對工業生產流程建立初步的模型之后，思維打開，并對于流程的一些具體細節很感興趣，所以激發了學生的探究欲望。筆者根據學生的學習情況以及對工業煉鐵的相關原理的認知度，布置學生課后查閱各種資料，把課堂上建立的模型以工業煉鐵的流程具體化，然后以小組為單位進行展示、交流、學生互評等環節，形成了一個相對清晰直觀的工業流程示意圖，讓學生真正的學以致用，感受化學學習的樂趣。圖3展示了完成度比較好的工業煉鐵流程圖。

通過課本知識的學習，煉鐵原理的掌握，工業流程的建模，相關資料的搜索，流程圖形的制作，學生不是簡簡單單地掌握了一些知識，而是通過各種學習活動提升了自身的綜合能力與素質，凸顯了化學學習與工業生產實際的聯系。

二、建模思想在含雜質物質的化學方程式計算教學中的嘗試

在實際生產時，所用的原料或產物一般都含有雜質，在計算用料和產量時，應考慮到雜質問題。本課題的學習中學生了解了煉鐵所用的鐵礦石都是含有雜質的，煉出的生鐵中也含有雜質，那么在利用這些物質質量進行化學方程式計算時就不是那么簡單地通過比例關系進行解答。學生之前的學習中并沒有接觸過這種類型的計算，為了讓學生弄懂這類計算的關鍵原理，筆者不再簡單地以例題講解的方式教授給學生，讓學生被動地接受解題方法，而是通過先建立模型再解決問題的方式進行學習。

模型建立：以工業煉鐵中赤鐵礦石冶煉成生鐵為例介紹混合物與純凈物之間的轉化關系，并以化學反應建立物質之間的質量關系，從而建立模型關系，如圖4所示。

模型建立好之后，學生可以在建模的過程中大致得出解決此類計算題時應該注意的地方，如化學方程式表示的是純凈物之間的質量關系，若物質中含有雜質，要把雜質的質量去除，代入純凈物的質量進行計算。此外還能夠通過建模掌握混合物與純凈物之間的質量轉化關系式：純凈物的質量=含雜質物質的質量×該物質的純度。

在這樣的基礎條件下，學生腦中已經對這類計算有了比較清晰的模型框架，結合之前學習過的有關化學方程式的計算步驟及書寫格式，就可以比較輕松順利地完成有關題目。筆者在學生進行課堂練習后展示習題的標準答案與評分細則，讓學生參照標準互相評分進行學習成果的評價，提升學生的學習興趣，體現課堂教學的評價。此外，標準答案的展示其實也是給學生建立了正確解答這類題目的模型，讓學生可以根據答題模型進行類似題型的解答。

例：用500t含氧化鐵80%的赤鐵礦石，理論上可以煉出含鐵96%的生鐵質量是多少？（計算結果保留一位小數）

x=280t

含鐵96%的生鐵的質量為：280t÷96%≈291.7t

1分

答：理論上可以煉出生鐵291.7t。

0.5分

模型的建立不是固化學生的思維，要根據實際情況靈活應用。例如在例題展示過程中，有學生的解題方法有些差異，提出自己的觀點和想法。如設的是生鐵的質量為x，代入到化學方程式計算的鐵的質量為96%·x，通過比例式關系一次性求解出生鐵的質量。課堂中，筆者表揚提出這種解法的學生，并補充建模方法只是在大體框架上進行建模的，比如通過建模，知道混合物質量與純凈物質量的轉化關系，可以在面對具體的問題時學會靈活應用，適當變形與改進，獲得最佳的解決問題的方式與途徑。

本節課后，在做類似題目的反饋練習時，又有一些學生沒有根據化學方程式進行計算，而是通過鐵礦石中鐵元素質量與生鐵中鐵元素的質量相等進行了解答。筆者發現這樣的情況后，覺得是一個很好的思維拓展的機會，又在課堂上進行了延伸教學，依舊是通過建模的方法進行。這種化學思維方法主要就是化學反應中反應物某元素的質量一定等于生成物中此元素的質量，通過學生的作業反饋展示，讓學生建立一種化學反應前后元素質量守恒的模型，并能根據此模型進行相關的計算。同時，在建立這種元素守恒模型后，不能照搬套用，還要再次強調面對具體問題時要靈活使用，如某元素不是只存在一種物質中時，在進行計算時要注意依據化學反應前后此元素的質量之和進行等式計算。

運用建模思想是一種可以解決多種化學問題的有效方法。通過各類建模在課堂教學中嘗試，可以幫助學生提高課堂學習效率，發揮想象能力和推理能力，拓寬思維空間，提升化學學科核心素養。筆者通過本節課在課堂教學中對建模思想的簡單嘗試，發現建模思想其實可以應用在很多課堂教學情境中，并且可以在實踐中循序漸進地不斷累積、改進、完善，從而使得建模思想真正在教學中起到重要作用。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.全日制義務教育化學課程標準（2011版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012

[2]人民教育出版社課程教材研究所.義務教育教科書化學九年級下冊（2012版）[M].北京：人民教育出版社，2012

[3]王敬義.建模思想在化學學習中的幾種應用[J].中學化學教學參考，2007（3）：20-21