數學建模思維融入高中化學概念教學的應用分析

鄭志洪

摘 要：目前，在我國高中化學教學過程中，很多教師出于對升學率的考慮，對化學思維方式的有效培養并沒有足夠重視，導致化學教學效果始終無法達到令人滿意的程度，因此，必須對現行的高中化學教學理念和方法進行全面改革。作為一種具有較高重要性的科學認知方法和研究方法，數學建模思想的有效應用能夠將隱藏條件轉化為已知條件，利用已知條件解決具體問題。筆者針對數學建模思想在高中化學概念教學中的有效應用途徑展開詳細分析，希望為高中生化學素養的進一步提高及高中化學教學水平的進一步提升奠定基礎。

關鍵詞：高中化學;概念教學;數學建模思想

對高中化學教學展開的大量實際調查表明，由于受到傳統應試教育的長時間影響，化學教學質量難以提升，不僅對學生化學成績的提高造成嚴重阻礙，對高中化學教學水平的提高也帶來了嚴重影響。為了使學生靈活掌握獲取化學知識的方法，必須加強數學思維方法在化學教學中的有效應用。數學思想作為思維方法中具有較高代表性的研究對象，將數學建模思想合理融入高中化學概念教學中，通過對學生傳統學習方式和教師傳統教學方式改革，使數學建模思想在高中化學概念教學中的作用和價值得到充分發揮。在此基礎上了解應用過程中存在的問題，明確導致相關問題存在的原因，采取多元化的措施將其中存在的問題妥善解決，有利于實現提升高中化學教學效率的目標。

一、培養高中生在化學概念教學中建立數學模型思維的途徑

化學概念學習中，概念建模是重要的一環。2017年版《普通高中化學課程標準》明確指出，應在高中化學課堂上培養學生“證據推理與模型認知”的核心素養，就是應用數學建模思想建立化學概念模型。概念建模的關鍵在于：引導學生從記住概念向發現本質、重新認識核心概念、掌握核心概念應用常見模式方向進行縱向發展，推動學生實現思維層面的成長。傳統高中化學概念課堂上，教師多重視學生對概念的理解和應用，忽視核心概念的突出和概念知識體系的建立，忽視對學生思維能力的培養，忽視探究能力、發散思維的鍛煉。新課程標準視域下，教師想要實現對學生化學概念的模型思維訓練效果，必須從以下幾點入手：

（一）提高學生的抽象思維能力

在學習蘇教版高中化學教材《化學反應原理》時，化學平衡常數K是中學化學中重要的理論內容之一，它涵蓋：化學平衡、電離平衡、水解平衡、沉淀—溶解平衡，這些都是學生最難掌握的復雜抽象內容。在討論某可逆反應平衡狀態及移動方向相關問題時，可以直觀利用Qc與K的大小關系判斷：

Qc是指任意時刻生成物濃度系數次方的乘積與反應物的濃度系數次方的乘積之比，K則是平衡時生成物濃度系數次方的乘積與反應物的濃度系數次方的乘積之比。

當Qc=K時，處于化學平衡狀態，v（正）=v（逆）;

當Qcv（逆）;

當Qc>K時，此時向逆反應方向進行，v（正）

教師可改變傳統概念四步教學順序，選擇聯系舊概念、拋出與新舊概念皆有關的問題、新舊結合尋找關鍵點、挖掘出核心概念的新概念四步教學順序，用新舊結合創造出的情境來調動學生的概念學習積極性，加深學生對概念的認識和理解，提升學生的探究意識和能力。以有機物部分為例，教師可先引導學生回顧初中接觸過的有機物，動植物有機體中才能獲得的化合物即脂肪、蛋白質、多糖等;要求學生寫出葡萄糖等有機化合物的化學式，學生記不住的可查資料;鼓勵學生觀察并總結有機化合物化學式的相似之處，如葡萄糖C6H1206、乙醇CH3CH2OH、乙酸CH3COOH;構造出碳元素、氧元素、氫元素與有機化合物關系的核心概念模型。

例如，“有效碰撞理論的建立基于氣體動力學理論，認為只有分子碰撞滿足能量要求和空間取向要求時才是有效碰撞，化學反應才能發生。過渡態理論認為，反應物分子先形成活化能配合物，作為反應的中間狀態。活化物能量很高，不穩定，重新分解為反應產物。”根據這一段表述，教師給出一張物質發生反應的過程圖表，要求學生在圖中標注出“正反應活化能”，并結合表述解釋溫度和催化劑對反應速率產生影響的方式。這是一道構建情境，然后要求學生在情境中應用已知模型解決問題的題目，對學生的建模思想有較高要求。

（二）科學構建模型，培養學生對化學知識點舉一反三的能力

培養學生在化學概念教學中建立數學建模思維，歸根結底是培養學生利用數學知識解決化學問題的能力。

比如，在學習蘇教版高中化學教材“元素化合物”相關知識的過程中，為了保證學生對元素化合物相關知識點的掌握和讓記憶更加深刻，在學習相關知識之前，要對質量守恒定律、氧化還原反應等輔助手段和工具進行全面了解，可以選擇對應習題，加強學生對這一部分知識點的掌握及記憶。

例如，4.6g的銅鎂合金完全溶入濃硝酸中，硝酸被還原，如果只產生四氧化二氮氣體336ml、二氧化氮氣體4480ml（標準狀況下），那么將氫氧化鈉溶液加入反應后的溶液中，沉淀物的生成質量最大為多少？

A.9.02g? B.8.51g? C.8.26g? D.7.04g

這道題主要是考查學生對合金問題的計算能力，由于生成的沉淀物為氫氧化銅與氫氧化鎂，氫氧根離子與金屬陽離子結合增加的質量就是沉淀增加的質量。與此同時，與金屬陽離子結合的氫氧根離子的物質的量，就是反應過程中轉移電子的物質的量。學生根據學過的電子得失守恒定律能夠知道，金屬失去的電子物質的量為：

4.48L÷22.4L/mol+0.336L÷22.4L/mol×2=0.23mol。

氫氧根離子與金屬陽離子結合后，共消耗的氫氧根離子的總量為0.23mol，對應的質量為3.91g，那么通過計算得到最終的沉淀質量為8.51g，B為最終確定答案。通過對此例題的分析與解答，學生能夠知道，先將銅和鎂失去的電子數計算出來，得到與銅和鎂離子相結合的氫氧根離子的量，得到題目最終要求的沉淀量。

此類題型在高中化學元素化合物這一部分中比較常見，運用得失電子守恒定律可以快速求出氫氧根離子的質量。此時教師可以對學生提出問題，在計算氫氧根質量的過程中，所用到的知識點具體是什么？經過對例題的分析，學生能夠知道運用的知識點主要為得失電子守恒，在解決此類問題時，具有一套固定的數學思維模式。

如果將題目中的已知條件進行改變，變成過量的12mol/L硝酸100ml，然后在原問題——沉淀量達到最大值時，求加入1mol/L氫氧化鈉的體積為多少？那么氫氧根離子不僅與銅離子、鎂離子反應，還會與過量剩余的硝酸反應。由于存在物料守恒定律，當沉淀達到最大時，硝酸鈉作為溶質，此時溶液中的氮元素與鈉元素呈現質量守恒，可以達到解題目的。此時教師再次提問，你是否知道與例題類型相似的題目？根據對相關知識點的學習和對各種化學元素特點的了解，有的學生可能還會列舉出在過量的鹽酸中加入鎂鋁合金，然后將氫氧化鈉溶液倒入剩余鹽酸溶液中，當產生的沉淀量最大時，沉淀質量為多少的例子。學生列舉的這道題與例題解題思路相似，都是向溶液中先后加了酸和堿。通過對這類例子解題思路的分析，數學思維模型的建立，能夠使學生對化學知識的掌握更加牢固[4]。

結束語

根據圍繞數學建模思想在高中化學概念教學中的有效應用途徑展開的深入研究和詳細分析，我們能夠更加明確地了解，通過對數學建模思維平臺的科學搭建，能夠使學生單一的思維模式轉變為多元化學習方式，以靈活應用思維全面替代傳統僵化思維，創新思維徹底代替傳統守舊思維。長此以往，不僅能夠使學生數學思維得到全面提高，對化學知識也會產生積極的學習興趣，將自身的注意力全部集中在教師設計的教學內容中，對化學知識進行積極主動的學習，使高中化學課堂具有的合作交流性和探究性進一步提高，還能積極響應并落實《普通高中化學課程標準》（2017年版）提出的“普通高中化學課程是與義務教育化學或科學課程相銜接的基礎教育課程，是落實立德樹人根本任務、發展素質教育、弘揚科學精神、提升學生核心素養的重要載體”。與此同時，通過教師的積極引導，學生能夠養成對化學知識進行獨立思考的意識，再通過不斷的練習，還能使學生發現問題、分析問題、解決問題的能力得到進一步提高，使學生在數學建模思維的作用下，全面提高自身的化學核心素養。

參考文獻

[1]胡玉華.壯族地區普通高中高一學生數學學習策略的調查研究：以廣西來賓市第一中學為例[J].中小學管理，2019（8）：27-29.

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[3]韓葵葵，胡衛平，王碧梅.國際科學教學心理的研究進展與趨勢[J].華東師范大學學報（教育科學版），2020，32（4）：63-70.

[4]蔡志凌.電池原型族和PDEODE教學策略對高一學生原電池建模能力的影響研究[J].學術論壇，2019，38（7）：157-162.