在高中化學教學中培養學生的建模思維

張建華

（福建省莆田第八中學，福建莆田 351144）

引 言

構建主義者認為，學習不是學習者簡單接受知識的過程，而是由學習者自己建構知識的過程[1]。“建模”就是通過“建立模型”的思想學習知識、解決問題的方法。化學學習中有很多復雜而抽象的問題，如果能夠很好地建立起相應的知識模型，問題就會變得簡單化、條理化、可視化，從而被人們認識。建模的一般過程是：對研究的問題進行抽象化、建立相對應的模型，利用模型解決具體的問題。本文對化學教學中培養學生的建模思維進行初步探討。

一、在物質的量教學中建立數學模型

高一學生對“物質的量”這個詞比較陌生，難以理解，常與物質的質量混為一談，不知道其本質就是一種衡量微觀粒子數量的物理量，不知與微觀粒子數目建立起聯系。所以，筆者在教學中先通過學生熟悉的單位換算板書提出問題：①1打雞蛋=12只，2 打雞蛋=只，a打雞蛋=只？②再并列板書提出1摩爾原子=6.02×1023個，2摩爾原子=個，a摩爾原子=個。學生通過換算能很快得出：①2 打雞蛋= 24只，a 打雞蛋=只。②2摩爾原子= 2×6.02×1023個，a摩爾原子個，從而抽象出物質的量（n）、阿伏伽德羅常數（NA）及微粒數（N）之間的數學表達式：N=n×NA、n=N/NA、NA=N/n。教學物質的量與質量的關系時，教師應先讓學生舉出熟悉的路程、速度和時間的數學表達式，然后給出摩爾質量的定義：1mol 鐵的質量為56g，鐵的摩爾質量為56g·mol-1，2mol 鐵的質量是，a mol 鐵的質量是，5.6g 鐵的物質的量是，再次提出物質的質量（m）、物質的量（n）和摩爾質量之間存在關系。學生最終得出m=n·M、n=m/M、M=m/n的數學表達式模型。接下來，舉出實例，運用模型解答問題。

例1 下列說法正確的是（ ）。

A.2 molN2的質量是28 g

B.N2的摩爾質量是28 g

C.1 molH2O的質量是18g

D.3.01×1023個NH3分子的質量是8.5g

解析：根據公式建模，可得：

2 mol N2的質量是28 g·mol-1×2 mol ＝ 56 g，A項不正確；

N2的摩爾質量是28 g·mol-1，B項不正確；

1 molH2O的質量是18 g·mol-1×1 mol ＝18 g，C項不正確；

3.01×1023個NH3分子是0.5mol，NH3質量是17g·mol-1× 0.5mol=8.5 g，所以D項正確。

教學心得：學生學習與物質的量有關的理論和概念時，除了要從概念本意來理解外，還要培養學生建立數學表達式模型的能力。如此學生就能熟練運用各種數學表達式在各物理量之間熟練換算，為其今后的化學計算打下堅實的基礎。學生的認知正如建構主義者認為的：每個學習者以自己原有的知識經驗為基礎，對新信息進行重新認識和整合，建構自己的知識模型。學生正是在認識路程、速度、時間關系的基礎上，通過新的問題情境，構建了物質的量、摩爾質量、質量三者的關系，并加以應用。

二、在化學概念教學中建立概念模型

建模思維不僅體現在計算中建立數學模型，在化學概念教學中也能引導學生建立概念模型。如教學氧化還原反應時，幫助學生建立概念模型，這對學生理解概念有很大的益處。氧化還原反應是高中化學中的一個重點內容，概念多，如氧化劑、氧化性、被還原、還原反應、還原產物、還原劑、還原性、被氧化、氧化反應、氧化產物等，剛開始學習時，很多學生對這些概念都會混淆。實際教學中，筆者如此設計以幫助學生建立知識模型：（1）讓學生寫出已學過的一氧化碳還原氧化銅反應的化學方程式，并從得氧失氧的角度來指出還原劑和氧化劑。（2）讓學生寫出鋅與鹽酸反應的化學方程式，介紹鋅與鹽酸反應也是氧化還原反應，找出其中的氧化劑與還原劑。（3）引導學生從元素化合價變化的角度判斷出氧化劑與還原劑。學生能夠從兩個不同的化學方程式中找到CO 中的碳元素化合價由+2價變為+4價，碳元素化合價在升高。Zn 與HCl 反應中的化合價也由0價升高為+2價，所以Zn 為還原劑。第一個化學方程式中，氧化銅中的銅元素化合價由+2價降為0價，在鹽酸與鋅反應中，氫元素的化合價由+1價降低為0價，因此，鹽酸為還原劑。（4）講解通過化合價降低得到的產物為還原產物，這兩個化學反應中的產物分別為Cu 和H2；通過化合價升高得到的產物為氧化產物，分別為CO2和ZnCl2。這樣就會讓學生建立起用化合價變化判斷氧化劑和還原劑、氧化產物和還原產物的模型。（5）再提出在氧化還原反應中為什么有些元素的化合價會改變？學生通過閱讀課本，觀察化學方程式，相互討論和思考得出結論。原來，氧化還原反應中，元素的化合價升降是由電子失得引起的，氧化還原反應的本質是電子的轉移，特征為化合價的變化。這樣就幫助學生建立起氧化還原反應相關概念的模型，如圖1所示，從而開展有效的學習活動。

圖1 氧化還原反應相關概念的模型

通過建立這個模型，學生能夠更容易掌握氧化還原反應中各概念的關系，就抓住氧化還原反應的兩條脈絡關系：

氧化劑→氧化性→得電子→化合價降低→被還原→還原反應→還原產物。還原劑→還原性→失電子→化合價升高→被氧化→氧化反應→氧化產物。

這樣對于學生來說就比較容易掌握、理解和記憶，之后再讓學生用三個詞來總結，如氧得降、降得還、還失升或升失氧等，進行快速記憶。

例2 氫化鈉（NaH）是一種生氫劑，可發生以下反應：NaH＋H2O= NaOH＋H2↑。對這一反應的描述，正確的是（ ）。

A.NaH是氧化劑 B.還原產物和氧化產物的質量比是1:1

C.NaOH是還原產物 D.生成1 mol H2轉移2mol電子

解析：標出反應情況（如圖2）：

圖2

由各反應物及生成物價態可知，NaH 中的氫由反應前的-1價升為反應后H2中的0價，化合價升高，被氧化，作為還原劑，相應生成物為氧化產物；H2O 中的一個氫由反應前的＋1價變為反應后H2中的0價，化合價降低，被還原，作為氧化劑，相應生成物為還原產物。很明顯，生成1 分子H2中有一個氫原子是失去1個電子來的，另一個氫原子是得到1個電子來的。所以，還原產物和氧化產物的質量比是1:1，生成1 molH2應轉移1 mol 電子。答案是B。

三、在物質性質學習中培養學生的建模思維

在高中化學中，無機元素及化合物性質是重點內容。隨著課程改革的不斷深入，鋁、硅等物質的學習學時被再次縮減。這就更加要求學生在學習物質性質時，要建立學習物質性質知識的模型。在單質化合物性質教學中，教師要讓學生建立起一定的學習模型思維，如此對未知物質的探究，才更加有章可循。本文以金屬鈉的性質和應用教學為例進行分析。

[教師活動]通過前面的學習，大家知道結構決定性質。鈉原子的核電荷數是11，請學生畫出鈉的原子結構示意圖。

[建立模型]掌握物質性質學習的一般規律：結構決定性質。

[實驗1]用濾紙吸干鈉表面的煤油，放在玻璃片上，再用小刀切去鈉塊一端的表皮，觀察露出的金屬鈉的表面色澤；暴露在空氣中，觀察其表面顏色的變化。

[歸納]引導學生根據現象歸納出鈉的物理性質及保存方法。

（1）鈉的物理性質：銀白色、金屬光澤、質軟的固體；有延展性、易導熱、導電。（2）鈉的保存：密封保存在煤油中。（3）在空氣中的變化：銀白色光澤很快變暗。鈉在常溫時與空氣中的氧氣反應生成氧化鈉：4Na + O2==2Na2O（白色固體）

[觀看視頻]鈉與氯氣、硫的反應實驗。

[實驗2]將一小塊金屬鈉放在石棉網上，用酒精燈加熱石棉網，觀察火焰顏色以及產物的顏色、狀態。

[學生回答]看到鈉燃燒起來，火焰呈黃色，產物為淡黃色粉末。

[建立模型]金屬鈉可與活潑非金屬反應，且反應中表現強還原性，在不同條件下反應可能不同。

[實驗3]將一小塊金屬鈉投入滴有酚酞試劑的水中，觀察現象，引導學生歸納：鈉浮在水面上，熔成光亮的小球，到處竄動，發出嘶嘶的響聲，最后消失，溶液變成紅色。

[學生活動]思考并討論，得出結論：鈉的密度比水小，熔點低，反應快并放熱，有氣體和堿性物質生成：2Na + 2H2O === 2NaOH + H2↑。

[建立模型]活潑金屬不僅能與酸發生反應，特別活潑的還可能與水發生反應置換出氫氣，在反應中表現強還原性。

[實驗4]向一只盛有CuSO4溶液的大燒杯中加入一小塊金屬鈉，觀察實驗現象。

[學生交流討論]與鈉和水的反應現象相同，還能看到藍色沉淀的產生，沒有紅色金屬的生成：2Na + 2H2O === 2NaOH + H2↑； 2NaOH + CuSO4=== Cu(OH)2↓ + Na2SO4。

[教師活動]介紹工業制金屬鈦的方法：

[建立模型]將鈉加入帶鹽的水溶液，首先和水反應，生成的氫氧化鈉再可能與鹽反應。所以鈉不能從帶鹽的水溶液中置換出比它不活潑的金屬。如果要用鈉置換出其他金屬，要在熔融狀態下才可以。

通過學習鈉的性質，引導學生通過實驗、推理、討論、分析的方法，歸納出物質能與金屬單質、非金屬單質、酸、堿、鹽、氧化物等類物質發生化學反應，表現出氧化性或還原性，分析它的穩定性，從而建立無機元素化合物學習模型，這對以后研究其他物質的性質有一定的啟發和借鑒意義。

結 語

高中化學教學中培養學生的建模思想，建立適當的模型用來表征問題、解決問題，使學生掌握學習規律，對培養學生的化學核心素養，起到不可忽視作用。當然，在教學中要培養學生的建模思維，教師應從實際出發，根據學生的實際水平，充分利用和開發現有資源，遵循思維發展的規律，以學生發展為本，將化學學科知識和思維方法有機整合，讓“教”與“學”有機地結合起來，使課堂教學更高效、更和諧。