借助建模思想實施化學解題教學

陳兆

【摘 要】本文論述借助建模思想開展化學解題教學的具體做法，將知識融入模型中并借助模型解決題目，巧妙運用模型思想以形成規(guī)范解題思路，構建化學式子模型以培養(yǎng)思維敏捷性，構建反應類型模型幫助理解各類反應實質，構建反應過程模型鍛煉邏輯思維，構建溶液混合模型把握化學問題本質。

【關鍵詞】高中化學 建模思想 解題教學

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2020）04B-0160-03

高中化學是一門以實驗為基礎的科目，與其他學科相比有自身的特點。尤其在解題教學中，對學生的抽象推理能力與邏輯判斷能力要求相對較高，而且題型樣式較多。在高中化學解題教學中，建模思想的應用相當重要，教師需指導學生借助建模思想分析和研究問題，拓展他們的解題思維，深化對知識點的理解與記憶，使其解題效率與化學成績得以提升。

一、將知識與模型相融合，借助模型解題

建模思想追求的是從化學知識的整體視角出發(fā)，全面梳理化學知識的結構，掌握各個知識要點之間的內在聯(lián)系，發(fā)現化學的奧妙與規(guī)律。因此，在高中化學解題教學中，教師需引領學生學會舉一反三，把知識融入具體的模型當中。將化學題目中冗長的信息變得更為直觀和具體，使其大腦和眼球受到雙重沖擊。在記憶庫中準確搜索要用到的知識，推動他們快速找到正確的解題方向。鍛煉解題思維與技巧，最終借助模型順利解決化學題目。

比如，在學習中和反應的過程中，通過對中和反應概念的講述和舉例，使學生聯(lián)想到現實生活中的許多中和反應現象。比如，用胃舒平治療胃酸過多癥，用熟石灰改良酸性土壤，用熟石灰處理酸性污水，用堿溶液吸收有害氣體，用稀氨水中和蜂毒等。教師可讓學生從中和反應視角分析清洗羽絨的原理，使其搜索記憶庫中固有的知識儲備，在大腦中構建中和反應過程的模型。之后，讓學生用準備好的白醋、小蘇打展開分組實驗。用少量白醋與小蘇打各配制成溶液，先使用小蘇打溶液刷洗需要清潔的地方，再使用白醋溶液刷洗，然后使用清水沖刷干凈。要求他們在整個實驗過程中認真觀察反應現象，使其最終得到中和反應的模型，順利解決問題。

在現實生活中很多現象都是化學知識的體現，學生可先在大腦中初步構建模型，自己再嘗試建模，由此將解題思路變得清晰、具體，從而找到正確答案。

二、巧妙運用模型思想，形成規(guī)范解題思路

解題教學屬于高中化學課程教學中的關鍵一環(huán)，主要目的是為學生提供大量運用知識的機會。這不僅可以檢測他們對知識的掌握情況，而且能夠深化理解和記憶。為了提高學生的化學解題水平，教師可借助建模思想進行解題教學。指導學生運用個人積累的知識巧妙建構模型，利用建模思想科學、規(guī)范地進行解題。也就是說，教師要幫助學生找到解題的切入點，找到正確的思路，建立解題模型，并規(guī)范答題，從而形成規(guī)范的解題習慣，逐步提高解題水平。

比如，在處理化學平衡類題目時，教師可指導學生采用“三步走”的方式建立模型，并從安全性、科學性等視角評價實驗設計方案。設置例題如下：

在化學實驗中，使用氯氣和金屬鐵發(fā)生化學反應制備無水三氯化鐵。該化合物呈棕紅色、易受潮分解，在 100℃ 時升華成三氯化二鐵。下面兩套實驗裝置中，前面部分的反應裝置相同，后面部分，也就是產品收集裝置部分不同，分別如Ⅰ和Ⅱ所示。試完成下列各題：

（1）B 中化學反應式是什么？

（2）D 中反應開始前，需排除裝置中的空氣，采取的方法是什么？

（3）D 中化學反應式是什么？

（4）裝置Ⅰ主要缺點除尾氣排入空氣污染環(huán)境外，還有什么？

（5）裝置Ⅱ主要缺點和改進措施是什么？

學生通過觀察與思考，在建模思想輔助下可直接規(guī)范解題：

（1）MnO2+4HCl（濃） MnCl2+Cl2↑+2H2O;

（2）當 B 中的反應進行一段時間后，看到有黃綠色氣體充滿裝置時再開始加熱 D;

（3）2Fe+3Cl2 ?2FeCl3;

（4）當裝置中的固體體積過大時容易堵塞導管;

（5）缺點是雖然設有尾氣處理裝置，但是以水溶液為主。當另外一個裝置中形成水蒸氣時，將會氧化氯化鐵，影響到結果的準確性。改進措施是在 E、F 瓶之間連接一個裝有干燥劑的裝置。

學生在建模思想指導下分析這一反應裝置中，會發(fā)現這兩個模型的科學性與安全性均存在缺陷，并在問題的引導下找到題目中的隱性問題，然后改進實驗裝置，以使問題得到解決，從而提高解題能力。

三、構建化學式子模型，培養(yǎng)學生思維敏捷性

建模思想其實是一種思考方法，建模就是構建系統(tǒng)模型的過程，將研究對象的一些非本質及次要因素舍棄，以理想化與簡化的形式再現原型中各種復雜聯(lián)系、功能與結構。等效化學式在高中化學解題教學中比較常見，比如計算混合物中某組分質量分數是一種常規(guī)題型，即在混合物中，已知某種特定元素的質量分數，求其他元素或某種物質的質量分數。這時學生可構建等效化學式模型，以減少運算步驟，使他們的思維變得更為敏捷。

例如，現有氯化鉀和氯化鈉的混合物，已知氯元素的質量分數占 a %，那么混合物中鉀與鈉的質量分數分別占多少？

從這個題目所給的信息，我們知道其實是求混合物中兩個陽離子所占的質量比。其陰離子均為 Cl—，通過對陽離子式量的觀察發(fā)現，鉀是 39，鈉是 23，氯化鉀的式量要比氯化鈉大 16，可以把鉀—39 用鈉—23 與氧—16 代替，構建出氯化鉀的等效化學式 NaClO，即次氯酸鈉，如圖所示：

這樣，學生就可在所建的模型中解答題目。取 100 g 的混合物進行研究，如果將氯化鈉當作一個整體來看待，那么在混合物中各個元素含量為 n（NaCl）=n（Cl），n（K）=n（O），求得鉀的含量比為 ，鈉的含量為 1 減去氯與鉀的含量比，即 Na%=1-a%-K%。

在混合物中已知某特定元素的質量分數，求其他物質或元素質量分數時，采用構建等效化學式的方法解題，能減少運算步驟和提高正確率，有助于學生敏捷性思維的培養(yǎng)。

四、構建反應類型模型，理解各類反應實質

在新課程標準中明確要求學生掌握各類常見化學反應的一般原理，能夠探索化學反應的應用及規(guī)律。在高中化學知識體系中，常見的化學反應有化合反應、分解反應、置換反應和復分解反應等。要想借助建模思想輔助高中化學解題教學，教師應當根據反應原理指導學生構建化學反應類型模型，將這類難把握又繁瑣、復雜的題目變?yōu)樾蜗蠡菇忸}過程變得具體化、模式化，從而更好地理解各類反應實質。有這樣一道題目：

請正確寫出以下水解反應的化學方程式：

（1）NH2Cl+H2O→

（2）Al4C3+H2O→

水解反應屬于高中化學知識體系中一類十分重要的化學反應類型，常見的水解反應包括酯的水解、鹵代烴的水解、鹵素互化物的水解、金屬氮化物的水解和鹽類水解等。學生首先要明確水解反應的概念：水與另一化合物反應，該化合物分解為兩部分，水中的 H+ 加到其中一部分，而羥基（-OH）加到另一部分，因而得到兩種或兩種以上新的化合物。然后讓學生通過類比、聯(lián)想找到反應規(guī)律，建立水解反應模型。如圖所示：

水解物質中通過“帶正電”微粒+OH- 和“帶負電”微粒+H+ 變成 H2O，隨后將模型套入題目中，就能寫出正確的水解方程式：

NH2Cl+H2O→ NH3+HCl;

Al4C3+12H2O→ 4Al（OH）3↓+3CH4↑。

化學反應原理類的問題比較復雜、不易把握，學生通過構建各種反應類型的模型可將復雜的問題變得可操作與有規(guī)律的問題，從而從更深層次理解各類反應的實質。

五、構建反應過程模型，鍛煉學生邏輯思維

在高中化學課程教學中，建模思想其實就是用正確的化學術語、圖形、模型、圖表、文字等準確表達化學問題的解決過程與結果。有的化學反應現象較為“隱秘”，僅僅依靠肉眼無法觀察得到。反應過程比較復雜，反應物之間的關系也較為復雜，它們相互之間的反應與反應順序難以把握。要解析這些反應過程和結果，需要比較多的知識點。因此要采用構建反應過程模型的方法幫助理解與解題，將解題過程變得具有操作性與規(guī)范化。在這一過程中，能較好地鍛煉學生的邏輯思維。比如下面的一道題目：

已有 10 mL 的鹽酸溶液，濃度是 0.001 mol/L，把濃度一樣的氨水倒入其中，直至溶液的濃度達到 pH=7，那么下列正確的關系式為（ ? ）。

A.c（Cl-）>c（OH-）>c（NH4+）>c（H+）

B.c（NH4+）=c（Cl-）>c（H+）=c（OH-）

C.V總<20 mL

D.V總>20 mL

根據題目信息可知 10 mL 的鹽酸溶液濃度是 0.001 mol/L，假如添加濃度同樣是 0.001 mol/L 的氨水 10 mL，兩者將會發(fā)生完全反應，最終生成 NH4Cl，溶液為酸性。要想讓 pH 值達到 7，需繼續(xù)添加氨水。這表明氨水體積要比鹽酸體積大，總體積就大于二倍鹽酸的體積，即大于 20 mL，那么 C 錯誤，D 正確。對 A 選項而言，溶液中陰離子總數不可能比陽離子多，故錯誤。再分析發(fā)現，溶液中一定有 c（Cl-）+c（OH-）=c（NH4+）+c（H+），如果要使溶液的 pH 值為中性，那么 c（OH-）=c（H+），c（Cl-）=c（NH4+）。因此最后生成的溶液明顯是 NH4Cl，所以 c（Cl-）與 c（NH4+）一定會大于 c（OH-）和 c（H+），因此 B 正確，最終正確答案是 B 和 D。

學生通過整個化學反應過程的模型，分析溶液中陰離子與陽離子的數量關系，將有序思維過程表示出來，從此簡化解題過程，培養(yǎng)邏輯思維。

六、構建溶液混合模型，把握化學問題本質

在高中化學教學過程中，溶液混合類題目也較為常見，包括等體積混合和等質量混合等類型，解決這類題目時要用到大量的化學概念。化學概念屬于化學知識體系的基礎，是一類抽象出來的理論知識，因此溶液混合類題目較為抽象，通常要用到一些非常規(guī)方法來解題。高中化學教師在具體的溶液混合類解題教學中，要引導學生將溶液混合過程構建成模型，將混合過程變得可視化，使抽象問題變得具體化，從而輔助他們把握好化學問題的本質。

例如，取兩種濃度不同的硫酸溶液，等質量混合時所得溶液中溶質的質量分數是 a %，等體積混合時是 b %;取兩種濃度不同的氨水，等質量混合時也是 a %，等體積混合時是 c %，判斷 a，b，c 之間的大小關系。

依據硫酸、氨水與水的性質得知，濃硫酸的密度要比稀硫酸的大，濃氨水的密度則比稀氨水的小。設 V濃硫酸=V稀硫酸 1，m濃硫酸=m稀硫酸 1+m稀硫酸 2;V稀氨水=V濃氨水 1，m稀氨水=m濃氨水 1+m濃氨水 2。溶液混合過程可通過以下模型展現：

通過觀察，往 b % 硫酸溶液中添加稀硫酸 2 稀釋得到濃度是 a % 的硫酸溶液，b %>a %;往 c % 氨水中添加濃氨水 2 濃縮可得到濃度是 a % 的氨水，得出 c %a>c。

計算混合溶液中溶質的質量分數時，運用常規(guī)方法難以找到切入點。在解題中建立溶液混合過程模型能較好地把握問題的本質，由抽象變具體，使學生的思維更加深刻。

在高中化學解題教學實踐中，熟練運用建模思想是提升解題準確度和速度的重要方法。教師需引領學生在大量習題練習中采用建模思想，使其思維變得更為廣闊、獨立、敏捷、靈活與深刻，推動他們取得更為理想的化學學習效果。

【參考文獻】

[1]林艷霞.新課程下高中化學滲透科學價值觀的研究[J].吉林教育，2019（44）.

[2]許義琴.高中化學教學中探究式教學的有效應用策略[J].化工管理，2019（34）.

（責編 盧建龍）