例談化學模型建構(gòu)的常見模式

方華

摘 要 建構(gòu)化學知識的思維模型能有效地解決化學知識繁多、內(nèi)容松散、無法形成有效知識體系的問題。《化學反應(yīng)原理》教學建構(gòu)了四種化學思維模型——原理模型、程序模型、方法模型和類型模型，對引導學生建立原理型知識的思維模型有一定的成效。

關(guān)鍵詞 高中化學 原理模型 程序模型 方法模型 類型模型

學生在學習《化學反應(yīng)原理》時，常見的問題是缺乏比較系統(tǒng)的知識體系、知識的自我建構(gòu)能力及分析問題的邏輯性、程序性。教師在教學中若能巧妙地運用模型建構(gòu)思想幫助學生建立典型模型，網(wǎng)絡(luò)化知識結(jié)構(gòu)，深化理解原理，復雜的問題就會變得簡單化。筆者以《化學反應(yīng)原理》教學為例談?wù)剺?gòu)建思維模型常見的四種模式——原理模型、程序模型、方法模型和類型模型。

一、模型建構(gòu)

模型建構(gòu)，又稱建模，就是建立系統(tǒng)模型的過程。錢學森認為，模型就是通過我們對問題現(xiàn)象的了解，利用我們考究得來的機理，吸收一切主要因素、略去一切不主要因素所制造出來的“一幅圖畫”[1]，一個思想上的結(jié)構(gòu)物。模型建構(gòu)就是舍去研究對象（原型）的一些次要細節(jié)及非本質(zhì)的聯(lián)系，把主要因素、本質(zhì)聯(lián)系、主要特征抽象出來再進行綜合，用適當?shù)奈淖帧⒕€條、圖形等方式呈現(xiàn)，以簡化和理想化的形式再現(xiàn)原型的各種復雜結(jié)構(gòu)、功能和聯(lián)系的一種科學思想[2]。化學建模就是在解決化學實際問題時，用化學語言、方法去近似地刻畫實際問題并進行提煉，將其抽象為模型，再用模型去解決實際問題的過程。

在新一輪高中課程標準的修訂中，高中化學學科的核心素養(yǎng)被界定為五項基本素養(yǎng)，其中有一項為證據(jù)推理與模型認知[3]。對于該項素養(yǎng)的界定，除了認識化學中常見的物質(zhì)模型和結(jié)構(gòu)模型、依據(jù)模型描述化學研究的對象、說明化學現(xiàn)象的本質(zhì)、預測物質(zhì)以及變化的可能結(jié)果之外，還要具備建構(gòu)模型以解析化學現(xiàn)象的能力[4]。

二、模型建構(gòu)的常見類型

（一）思維模型

思維模型指的是利用思維導圖的模式，將化學中常見的化學原理和化學模型分解為幾個知識要點，讓學生通過對知識要點的記憶和理解，能夠有效地理解和掌握化學原理的基本內(nèi)容和含義。筆者以銅鋅原電池工作原理思維模型的建構(gòu)為例，略談思維模型建構(gòu)的基本方法和模式。

1.分析總反應(yīng)。原電池的本質(zhì)在于通過特殊的裝置，將一個氧化還原反應(yīng)拆成氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)兩部分，兩個反應(yīng)分別在兩極發(fā)生。寫出總反應(yīng)并從氧化還原的角度分析總反應(yīng)是理解原電池工作原理的基礎(chǔ)。銅鋅原電池的總反應(yīng)為Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Cu（Zn + Cu2+ = Zn2++ Cu），其中Zn的化合價由0價變成+2價，發(fā)生了氧化反應(yīng);Cu的化合價由+2價變成0價，發(fā)生了還原反應(yīng)。

2.判斷正負極。判斷原電池的正負極是理解原電池的關(guān)鍵。判斷原電池兩極的方法很多，可以從電極材料的活潑性、兩極所發(fā)生的反應(yīng)、電流流向、電子流向、離子流向和反應(yīng)現(xiàn)象等角度分析。在銅鋅原電池中，可根據(jù)銅鋅的活潑性判斷出鋅作負極，銅作正極。

3.弄清三個“流向”。根據(jù)正負極可以判斷出電流流向，其中外電路由正極到負極，內(nèi)電路由負極到正極。由外電路導電原因（金屬利用自由電子導電）和電流方向可以判斷出電子由負極流向正極。由內(nèi)電路導電原因（電解質(zhì)溶液依靠陰陽離子的定向移動）和電流方向可以知道陽離子由負極流向正極，陰離子由正極流向負極。在銅鋅原電池中，電流方向為外電路由銅到鋅，內(nèi)電路由鋅到銅;電子流向為鋅到銅;溶液中陽離子流向為鋅到銅，陰離子流向為銅到鋅。

4.判斷兩極反應(yīng)。根據(jù)電子的流向，可以判斷出正極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng);負極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)。

5.書寫電極反應(yīng)式。電極反應(yīng)式的書寫是原電池原理的難點，也是常考的考點。教師可引導學生根據(jù)正負兩極所發(fā)生的反應(yīng)和總反應(yīng)書寫電極反應(yīng)式，在書寫電極反應(yīng)式時充分考慮質(zhì)量守恒、電荷守恒、得失電子守恒及產(chǎn)物在原電池中的狀態(tài)。在銅鋅原電池中，鋅作負極，發(fā)生氧化反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為Zn - 2e- = Zn2+;銅作正極，銅離子發(fā)生還原反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為Cu2+ + 2e- = Cu。

該思維模型將原電池的工作原理分解成五個要點。五個要點的擴展能有效地幫助學生掌握原電池工作原理，避免學生在該項內(nèi)容學習時可能存在的無序性。思維模型的建構(gòu)同樣可以被用在電解池工作原理、化學平衡移動原理、勒夏特列原理、鹽類水解原理等原理性知識的教學上。

（二）程序模型

程序模型指的是利用思維導圖的模式，將化學中典型問題的解決方法分解成幾個簡單的步驟，讓學生通過對關(guān)鍵步驟的記憶和理解就能有效地掌握化學問題的解決方法。筆者以書寫堿性氫氧燃料原電池電極反應(yīng)式程序模型的建構(gòu)為例，略談程序模型建構(gòu)的基本方法和模式。

1.寫出總反應(yīng)式并從氧化還原的角度分析總反應(yīng)。在堿性氫氧燃料電池中，總反應(yīng)式為2H2 + O2 = 2H2O。其中氫氣是還原劑，氫氣中氫元素化合價升高，共失去4個電子，發(fā)生氧化反應(yīng);氧氣是氧化劑，氧氣中的氧元素化合價降低，共得到4個電子，發(fā)生還原反應(yīng)。

2.根據(jù)氧化還原反應(yīng)的分析結(jié)果及原電池正負極反應(yīng)的特點，正確表示兩極的反應(yīng)物及其電子得失情況。在堿性氫氧燃料電池中，氫氣在負極發(fā)生氧化反應(yīng)，至此，負極的反應(yīng)可表示為2H2 - 4e- = ;氧氣在正極發(fā)生還原反應(yīng)，至此，正極的反應(yīng)可表示為O2 + 4e- = 。

3.根據(jù)電荷守恒和溶液中離子存在狀態(tài)配平電極反應(yīng)式。在堿性氫氧燃料電池中，溶液中主要存在的反應(yīng)離子為OH-，在配平電極反應(yīng)式的電荷時需用OH-配平。由2中的正極反應(yīng)式“O2 + 4e- =”可知，等號左邊帶4個單位負電荷，要保證電荷守恒，需在等號左邊加4個正電荷或在等號右邊加4個負電荷，由于溶液中主要為OH-，故在等號右邊加4個OH-，可表示為O2 + 4e- = 4OH-;由2中的負極反應(yīng)式“2H2 - 4e- =”可知，等號左邊帶4個正電荷，要保證電荷守恒，需在等號左邊加4個負電荷或在右邊加4個正電荷，由于溶液中主要為OH-，故在等號左邊加4個OH-，可表示為2H2 - 4e- + 4OH- = 。

4.根據(jù)質(zhì)量守恒進一步配平電極反應(yīng)式。在燃料電池中，要使正極反應(yīng)式（O2 + 4e- = 4OH-）質(zhì)量守恒，需在等號左邊加4個氫2個氧，即2個水，故正極反應(yīng)式應(yīng)為O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-;要使負極反應(yīng)式（2H2 - 4e- + 4OH- =）質(zhì)量守恒，需在等號右邊加8個氫4個氧，即4個水，故負極反應(yīng)式為2H2 - 4e- + 4OH- = 4H2O。

5.檢查。主要檢查內(nèi)容為得失電子是否守恒、質(zhì)量是否守恒、電荷是否守恒、化學式是否書寫錯誤等。具體做法：將正負極電極反應(yīng)式相加、整理，將整理后所得反應(yīng)式與總反應(yīng)式進行比對，一般情況下，比對結(jié)果相同即可判定電極反應(yīng)式書寫正確。

該程序模型將原電池電極反應(yīng)式的書寫問題分解成五個步驟。五個步驟的擴展可以幫助學生較好地掌握原電池電極反應(yīng)式書寫的基本方法，有效降低書寫難度。程序模型同樣可以被用在原電池設(shè)計、電解反應(yīng)式書寫、水解方程式書寫、平衡轉(zhuǎn)化率計算等典型問題上。

（三）方法模型

方法模型指的是利用思維導圖的模式，將化學中常見問題的解決方法以關(guān)鍵點的方式羅列出來，使學生通過對關(guān)鍵點的理解和掌握，能夠避免在選取解決問題方法時的隨意性和片面性。筆者以電解池陰陽極判斷的方法模型建構(gòu)為例，略談方法模型建構(gòu)的基本方法和模式。

1.通過外接電源判斷。與外接電源正極相連的為陽極，與外接電源負極相連的為陰極。在利用外接電源判斷電解池陰陽極時，要特別注意外接電源的隱蔽性，如當圖中外接電源未用符號表示，而是用原電池作為外接電源時，一般來說，在沒有明顯外接電源的情況下，多個“池”串連，則可判定有一個“池”是原電池，能自發(fā)進行氧化還原反應(yīng)的“池”一般為原電池。

2.通過三個流向判斷。有電流流進、電子流出并與陰離子較近的電極為陽極;有電流流出、電子流進并與陽離子較近的電極為陰極。

3.通過電極反應(yīng)判斷。所在電極有物質(zhì)失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)的電極為陽極;所在電極有物質(zhì)得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)的電極為陰極。

4.通過反應(yīng)現(xiàn)象判斷。可以通過電極本身質(zhì)量的變化情況直接進行判斷，一般來說，所在電極質(zhì)量減少的一極為陽極，所在電極質(zhì)量增加的一極為陰極;可以通過兩極酸堿性或pH的改變情況來判斷，酸性增強、pH減小的一極為陽極，堿性增強、pH增大的一極為陰極;也可以結(jié)合實際，從其他的反應(yīng)現(xiàn)象進行判斷。

該方法模型將電解池陰陽極的判斷方法歸納為四個關(guān)鍵點，通過四個關(guān)鍵點的分析，學生可掌握電解池陰陽極判斷的常見方法，提高判斷電解池陰陽極的有序性及準確性。方法模型同樣可以被用在判斷原電池正負極、化學平衡狀態(tài)的標志、化學反應(yīng)速率的計算等擴展性問題上。

（四）類型模型

類型模型指的是利用思維導圖的模式，將化學某一知識點的考查方式以要點的方式羅列出來，使學生熟悉知識點的常見考查方式和解決策略，培養(yǎng)學生知識的全面性與系統(tǒng)化。筆者以化學平衡常數(shù)應(yīng)用的類型模型建構(gòu)為例，略談類型模型建構(gòu)的基本方法和模式。

1.判斷化學平衡進行的程度。一般來說，化學平衡常數(shù)越大，化學反應(yīng)進行的程度越高，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高，化學反應(yīng)進行得越徹底。

2.判斷化學反應(yīng)的熱效應(yīng)。根據(jù)溫度變化情況、化學平衡常數(shù)變化情況和ΔH變化情況三者中的兩個就可以推導出另外一個變化情況。可根據(jù)K ∝ （ΔT·ΔH）進行判斷。如果溫度升高，K增加，根據(jù)ΔT > 0和K > 0，可以判斷出ΔH > 0;如果溫度升高，K減小，根據(jù)ΔT > 0和K < 0，可判斷出ΔH < 0。

3.判斷化學反應(yīng)是否達到平衡狀態(tài)或化學平衡移動的方向。可以通過判斷化學平衡常數(shù)K與濃度商Q的大小來進行具體的判斷，若K = Q，則化學反應(yīng)達到平衡狀態(tài);若K > Q，則平衡向正反應(yīng)方向移動;若K < Q，則平衡向逆反應(yīng)方向移動。

4.計算化學反應(yīng)中特定物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率。其主要的應(yīng)用方法為，建立起始階段濃度、轉(zhuǎn)化濃度和平衡狀態(tài)濃度，并根據(jù)三者之間的關(guān)系求解。

該類型模型將化學平衡常數(shù)的應(yīng)用歸納為四種類型。學生通過四種應(yīng)用類型的分析能夠更加全面、系統(tǒng)地理解化學平衡常數(shù)及其應(yīng)用。類型模型同樣可以被用在Ksp計算、離子方程式正誤判斷和與量有關(guān)的離子方程式的書寫等應(yīng)用性問題上。

三、模型建構(gòu)有助于化學原理型知識的學習

通過模型建構(gòu)，能有效分解化學原理型知識模塊，使學生能更為形象化、系統(tǒng)化、規(guī)律化、邏輯化地理解化學原理型知識。具體表現(xiàn)在：（1）通過建構(gòu)思維模型整理化學知識，使學生的化學原理型知識更加系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)律化;（2）通過建構(gòu)程序模型解決化學問題，使學生解答問題過程更加格式化、模式化，提高學生解題的規(guī)范性和準確性;（3）通過建構(gòu)方法模型解答化學問題，使學生應(yīng)用知識更具方法性、靈活性;（4）通過建構(gòu)類型模型理解化學知識，使學生理解知識的多樣性、全面性。

總之，模型應(yīng)用的核心在于思維深化、知識簡化。通過多種模型的建構(gòu)，能有效突破化學原理型知識的關(guān)鍵點，促進學生知識學習的系統(tǒng)性。

[參 考 文 獻]

[1]錢學森.論技術(shù)學[J].科學通報，1957（4）：100.

[2]張麗芹，胡建樹.化難為易 功在建模：“建模思想”在化學平衡中的應(yīng)用[J].高中數(shù)理化，2013（5）：59.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[4]陳廷俊.化學模型認知的內(nèi)涵和教學實踐[J].江蘇教育研究，2019（16）：68.

（責任編輯：趙曉梅）