高三化學復習中思維模型的建構策略

張建海

摘? 要：化學學科核心素養引領下的化學教學，彰顯著化學學科的育人價值，促進著學生必備品格和關鍵能力的提升。本文以近幾年的浙江化學高考第29題說理題及其他試題為例，以“證據推理”和“平衡思想與變化觀念”等素養為依托，通過“模型構建”的方式淺談高三課堂的復習策略。

關鍵詞：核心素養;模型構建;說理

《普通高中化學課程標準（2017年版）》提出的化學學科核心素養包括“證據推理與模型認知”。楊玉琴認為“模型認知”能力是指能夠運用模型描述化學研究對象、解釋化學現象和規律、預測可能的結果，并建構模型展示自己對化學事實的理解和解釋能力。馮品鈺、何彩霞提議把“模型認知”分為兩大方面，一是利用模型認識事物及其變化，二是通過建構認知模型建立解決問題的思考框架。

上述研究者的觀點為一線教師的教學實踐指出了一個方向，也為教學評價提供了一種思路。

一、化學復習中的問題透視

高考年年考，失分不會少。2021年1月份的浙江化學高考第29題說理題著重考察了“平衡思想與變化觀念”的核心素養，同時需要學生具備很好的“證據推理”素養，該類試題無論是對學生的學習而言還是教師的教學來說都存在的較大的困難，高投入低產出甚至零產出（零分）是常見現象。筆者經過多年教學實踐，發現通過“建構模型”能較為方便、快捷且正確的解決相應問題。

二、化學復習中的思維建模

（一）模型建構

在課堂教學過程中，堅持引導學生對題型分類歸納，并構建合理的解題模型或者答題模板不失為一種有效的應試技巧，同時也是一種素養的養成，使學生在高三之后，大學之時，甚至工作生活之中面對更為繁雜的知識體系和千頭萬緒的事情時能有有效的處理能力。

基于平衡與變化在中學階段的知識脈絡，反應原理說理題總體上可使用下列思維模型來進行分析處理，如圖1。

（二）模型釋義

一個說理題，往往會涉及多種因數以及多種對象，基于不同的試題場景，該模型具體使用時大致可分為以下幾種情況：1. 反應自發性的說理題，2. 單因素單反應速率問題;3. 單因素單反應平衡問題，4. 多因素單反應速率問題，5. 單因素多反應速率問題;6. 單因素多反應平衡問題等。基于具體的情況，模型需要做適當演變。僅舉2例說明如下。

反應自發性的說理題：結合焓變與熵變以及溫度對△G的影響，從一致性和矛盾性兩方面考慮，進而結合數據以及反應耦合等角度來說明問題，演變模型如圖2。

多因素單反應速率問題：如已知N2（g）+3H2（g）[=]2NH3（g），△H>0在不同溫度下催化劑的催化效率與氨氣的生成速率如圖3所示。

分析氨氣生成速率隨溫度升高而變化的原因。

該題可以分為3段來分析說明，同樣可以從反應速率的影響因數角度分為一致性和矛盾性兩方面，進而綜合考慮，模型演變如圖4。

（三）運用要點

該模型的使用與演變，關鍵之處在于找準對象和影響因數，筆者在實際的課堂教學中引導學生從2個方面進行分析。

1. 精準審題，找對證據

精準審題不僅是學生應試的必備技能，也是提取有效證據的必要手段，進而推理歸化到變化與平衡的化學核心知識與素養上去，在具體課堂教學中，筆者引導學生從以下三個層級來審題。

2. 理清脈絡，正確回歸

平衡與變化主要闡述了量變和質變、內因與外因等關系。在課堂教學中，需要幫助學生理清知識脈絡：從量變和質變、內因與外因等關系全方位分析化學變化;從不同層級與不同維度對反應自發性、速率、平衡的判斷與影響進行討論。筆者同樣從三個層級來引導學生構建知識體系。

三、化學思維模型的運用

下面以浙江2021-1-29題節選及其他試題為例，說明該模型的具體運用。

例如工業上，常采用“加碳氯化”的方法以高鈦渣（主要成分為TiO2）為原料生產TiCl4，相應的化學方程式為：

ⅠTiO2（s）+2Cl2（g）[=]TiCl4（g）+O2（g）

△HI=181kJ·mol-1，K1=3.4×10-29

Ⅱ2C（s）+O2（g）[=]2CO（g）

△HII=-221kJ·mol-1，K2=1.2×1048

結合數據說明氯化過程中加碳的理由_________。

首先，從三個層級對該題進行審題，尋找證據

一級：明確要求結合數據說明氯化過程中加碳的理由。

尋得證據：生成TiCl4。

二級：基于證據分析得出是“自發性”方向的說理題，然后結合反應Ⅰ產物中有TiCl4的生成，但是反應Ⅰ是一個熵減和吸熱的反應，顯然是非自發的。

三級：再結合要求，用數據說明，必然需要反應Ⅱ與反應I耦合，得到反應Ⅲ：

2C（s）+TiO2（s）+2Cl2（g）[=]TiCl4（g）+2CO（g）

該反應的△H3=-40kJ·mol-1且K3=K1×K2=4.1×1019。

再如（浙江2021-1選考題改編）在一定溫度下，以I2為催化劑，氯苯和Cl2在CS2中發生平行反應，分別生成鄰二氯苯和對二氯苯，兩產物濃度之比與反應時間無關。反應物起始濃度均為0.5mol·L-1，反應30min測得氯苯15%轉化為鄰二氯苯，25%轉化為對二氯苯。保持其他條件不變，若要提高產物中鄰二氯苯的比例，可采用適當提高反應溫度的方法。

請解釋原因________________________________。

一級：要求提高產物中鄰二氯苯，證據：兩產物濃度之比與反應時間無關;采用適當提高溫度的方法;分別生成鄰二氯苯和對二氯苯。

二級：因為濃度之比與時間無關，必然是二個平行反應以一固定的速率比在進行，從而歸化為速率問題。

三級：單因素（采用適當提高溫度的方法）、雙反應（分別生成鄰二氯苯和對二氯苯）。

其次，基于證據，合理歸化，回歸知識，同樣從三個層級展開。

一級：著重關注基本判據和因數對自發性、速率以及平衡的影響，同時也是有效證據的落腳點。如本題為“自發性”的問題，要歸化到“自發性”的相關影響因數上去。

二級：著重關注相關因數的內在關聯和更本質更內涵的影響原因。

①△H、△S、T的關聯是△G=△H-T△S;

②從反應機理角度認識催化劑，濃度等因素對反應速率的影響，舉例1進行分析;

③從碰撞理論和過渡態理論的角度去解釋溫度、濃度等因素為何可以影響速率;

④從濃度商Q與平衡常數K的比較來判斷平衡移動;

⑤從快慢反應來分析動態平衡與整體反應。

三級：著重關注多因素影響后的一致性與競爭性以及實際生產過程中條件選擇的多維度性。

①轉化率（或產率）分為平衡前轉化率（或平衡前產率）和平衡轉化率（或平衡產率），工業生產中往往都是一定時間內的平衡前轉化率。

②反應的選擇性往往包含速率控制的選擇性與平衡控制的選擇性。

最后，套用和演變模型。

通過分析，該題可以套用圖2自發性的模型來解答。

再如（浙江2020-7選考題節選）研究CO2氧化C2H6制C2H4對資源綜合利用有重要意義。相關的主要化學反應有：

Ⅰ C2H6（g）+CO2（g）[=]C2H4（g）+H2O（g）+CO（g）

Ⅱ C2H6（g）+2CO2（g）[=]3H2（g）+4CO（g）

采用選擇性膜技術（可選擇性地讓某氣體通過而離開體系）可提高C2H4的選擇性（生成C2H4的物質的量與消耗C2H6的物質的量之比）。在773K，乙烷平衡轉化率為9.1%，保持溫度和其他實驗條件不變，采用選擇性膜技術，乙烷轉化率可提高到11.0%。結合具體反應說明乙烷轉化率增大的原因是________________________。

一級：該題中“乙烷平衡轉化率”指明為平衡問題，而影響化學平衡移動的基本因數無非就“T、C、P”這三種，所以“采用選擇性膜技術（可選擇性地讓某氣體通過而離開體系）可提高C2H4的選擇性”可以歸為濃度或者分壓的因數。

二級：進一步通過濃度因數對化學平衡的影響角度來分析回答問題。

三級：通過進一步分析可判斷出這是一個單因數單反應對象的問題。

最后，結合模型就很容易解決了。

四、化學建模的實踐反思

在教育改革不斷深化的今天，我們的教學必須符合國家課程標準的要求，同時也要深刻認識到現在的高考評價方式也在不斷變化，越來越突出對素養的考察，而不僅僅是對知識的考察，所以高三教學，應該把傳統的應試教學與素養提升統一起來，通過不斷地改進教學方式，運用“證據推理”來強化“平衡觀與變化觀”，并不斷總結提，最終通過“構建模型”幫助學生聚三歸一，舉一反三，從而讓學生在血液中流淌有化學素養的基因。

（責任編輯：汪旦旦）

參考文獻：

[1]楊玉琴. 化學核心素養之“模型認知”能力的測評研究[J]. 化學教學，2017（07）：9-14.

[2]馮品鈺，何彩霞. 發展學生模型認知的化學教學實踐——以“離子晶體”為例[J]. 教育與裝備研究，2018，34（04）：29-33.

[3]常聰，譚學才. 證據推理與模型認知核心素養的教學案例研究[J]. 中學化學，2017（09）：9-10.