構建思維模型解決化學實驗中的典型問題

胡子賢

摘要：? 在化學實驗的教學中，通過構建思維模型的教學，解決了裝置氣密性檢查、除雜、混合溶液離子推斷、混合氣體的檢驗等問題。該教學方法既能引導學生的有序思維、增進深度理解，又能促進化學問題的解決，發展學生的建模能力。

關鍵詞： 思維模型； 建模能力； 問題解決； 化學實驗教學

文章編號： 10056629（2024）04009205

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 前言

化學思維模型是學生在化學知識學習和化學問題解決過程中表現出來的一種既反映化學思維方法，又體現學生思維特征的相對穩定的思維模式［1］。教學中構建化學思維模型，一方面有助于學生在學習化學概念、化學變化規律過程中增進對化學知識本質的深度理解和運用能力，提升化學思維的深刻性，另一方面能幫助學生在化學問題解決中，迅速捕捉到問題的本質特征，從而尋找到簡捷有效的解決問題的思維途徑，以提升化學思維的敏捷性和規律性。

化學思維模型的構建過程就是通過抽象、概括，把特定的化學研究對象或問題轉化為普通的本質規律，并建立能遷移的、解決化學問題的基本框架的過程。所謂抽象就是抽取事物本質屬性的思維過程，即尋找共性。所謂概括，就是在抽象的基礎上，把個別事物的本質屬性，推及到同類事物的思維過程，即遷移。通過抽象、概括，學生從認識具體事物的感知和表象上升到理性思維的階段［2］。化學教學中培養學生的思維模型建構能力，就是培養學生運用抽象、概括的思維方法，建立化學概念、獲得化學規律、解決化學問題的能力。

梳理國內關于“模型建構能力”的研究資料發現，化學領域中有關學生建模能力的研究較少。有研究者從內容的角度提出發展學生建模能力的策略；也有研究者關注學生建模能力的測評，以問卷或試題的方式來探查學生的建模能力，但未深入探討如何在教學中發展學生的建模能力［3］。基于此，本文以解決初中化學實驗中的四個實際問題為例，展示實驗教學中如何引導學生運用抽象、概括的思維，構建基于問題解決的化學思維模型，以發展學生的思維模型的構建能力。

2? “裝置氣密性檢查”思維模型的構建

化學實驗中，凡涉及氣體的制備和收集或有氣體參與反應的實驗，都要保證裝置的氣密性良好，否則可能極大地影響實驗效果或存在巨大的安全隱患，尤其是實驗中涉及有毒、易燃、易爆氣體的情況。裝置氣密性檢驗一般在儀器連接完之后，添加藥品之前進行。教學中，在具體介紹如表1所示的常見裝置氣密性檢查方法的基礎上，可以引導學生抽象、概括如圖1所示的方法本質，即加熱法、注水法、充氣（抽氣）法都是先構建一個封閉的體系，再通過改變體系內氣體的溫度、體積或質量的方式，來改變封閉體系內氣體壓強，使體系內外出現氣壓差，從而產生相應的實驗現象，用以判斷裝置的氣密性。

基于學科融合教學理念，突出“氣壓”作為跨學科應用的重要概念，圍繞如何進行實驗操作形成封閉體系內外的“氣壓差”為核心，還可以進一步梳理“氣密性檢查”的思維路徑，構建如圖2所示的思維模型，使學生對氣密性檢查方法有更高階、更深入的認識，并能根據思維模型遷移設計各類實驗裝置氣密性檢查的方法。以檢查圖3所示裝置的氣密性為例，“往錐形瓶中加水至如圖所示位置”是屬于構建封閉體系，“從B管向瓶內吹氣”是通過增加氣體質量的方式來使得封閉體系內外形成氣壓差，通過吹氣后導管A中是否出現并保持“穩定的水柱”的現象是氣密性是否良好的判斷依據。

3? “除雜”思維模型的構建

化學實驗中的除雜是通過一定方法有效除去原物質中所含雜質且不引進新雜質的過程。除雜一般要遵循不增（不能引入新的雜質）、不減（不應使所需物質減少）、易分（加入試劑后，使雜質轉化為沉淀、氣體和水等與所需物質易于分離）等原則，如果除去雜質的同時能增加被提純的所需物質的量則為更佳。除雜有兩類方法，包括物理方法（過濾、結晶、蒸餾等）和化學方法。化學方法又有轉化法（將固、液、氣體中的雜質轉化為被提純的所需物質）、沉淀法（將雜質轉變為沉淀而除去）、氣化法（將固、液體中的雜質轉變為氣體而除去）、加熱法（雜質受熱易分解，通過加熱將雜質除去）、溶解法（將固體中的雜質轉變為可溶物而除去）、置換法（選用合適的試劑將雜質置換出來而除去）等。

教學中，不能僅僅停留在除雜方法的一一羅列和舉例說明上，而應該引導學生抽象、概括出除雜的一般思維路徑，構建“除雜”類問題思維模型。如圖4所示，依據所需物和雜質的“（物理或化學）性質差異”和“不增、不減、易分”的原則，將除雜的方法分成物理分離（如用磁鐵吸引除去銅粉中混有少量的鐵粉、用蒸餾的方法得到蒸餾水、用凝固的方法分離水和酒精等）和化學轉化（如用灼熱的銅網除去N2中混有的少量O2、用適量石灰石除去氯化鈣溶液中混有的少量鹽酸等）兩條思維路徑，且在設計除雜方案時，一般優先考慮物理分離，再考慮化學轉化。通過該模型的構建，學生能將除雜方法進行系統化和結構化，并能根據模型遷移設計各種除雜方案，也能對已有的方案做出評價。如評價可用足量稀鹽酸除去銅粉中混有少量的氧化銅的原因是兩者具有“化學性質的差異”，

而評價不能用硫酸鉀（BaCl2+K2SO4BaSO4↓+2KCl）除去氯化鈉中的氯化鋇的原因是不符合除雜中的“不增”原則。

該思維模型還根據“操作對象”不同將化學轉化除雜分成“轉化雜質”和“轉化所需物”兩條截然不同的思路。如用適量的硫酸鎂除去氯化鎂粉末中混有的少量氯化鋇，這是“轉化雜質”，而且是將雜質直接轉化為所需物。而向混有的少量氯化鋇、氯化鈉和硫酸鉀的氯化鎂粉末中，先加足量水溶解、過濾后，再向濾液中加入過量氫氧化鈉，就是將濾液中鎂離子轉化成氫氧化鎂這一中間物質后，再往濾得的氫氧化鎂里加入適量的鹽酸溶液重新得到氯化鎂，這就是“轉化所需物”，即先將所需物轉化為中間物質，再將中間物質復原為所需物。

4? “混合溶液離子成分推斷”思維模型的構建

化學實驗會產生一定量的廢液，只有通過對廢液的成分進行鑒定后，才能設計方案進行無害化處理，因此廢液中離子成分的推斷是需要解決的真實問題。分析表2所列舉的幾個廢液產生情境可知：初中化學中的廢液一般是酸、堿、鹽、氧化物等相互反應后留下的，實驗結束后，多個（組）實驗的廢液往往會收集到一個廢液缸中得到混合溶液，廢液缸內也會相應出現一定的宏觀現象。根據廢液缸中呈現的現象，結合化學反應原理，分析確定混合溶液中離子成分（一定存在、可能存在的離子組成）是進一步處理廢液的基礎。

教學中如果僅僅引導學生從分析“物質相互反應所得產物”的角度對混合溶液的成分做出判斷，學生容易因溶液中涉及的物質種類和反應眾多而遇到思維的障礙。因此可以依據酸、

堿、鹽類物質的化學性質本質是離子的化學性質，而酸、堿、鹽、氧化物間相互發生化學（離子）反應的本質是構成這些物質的微粒（陰、陽離子）的相互重新組合，來構建“混合溶液離子成分推斷”的思維模型。如圖5所示，先根據各個（組）實驗反應

物用量和宏觀現象，對反應后的各廢液的離子組成情況進行分析和羅列，再根據廢液混合后的宏觀現象，對

溶液中的離子做出一定存在、一定不存在、可能存在的三種情況的判斷，最后對可能存在的離子設計相應的實驗進行實驗驗證。

依據宏觀現象揭示微觀本質，并用化學符號語言進行表述，推理論證過程中實現宏觀微觀符號認知水平的自由轉換是化學學科特有的思維方式。如圖6就是應用該思維模型，緊緊圍繞著“離子性質、離子重組、離子共存”的原理，從離子角度對表2中情境3的廢液進行離子推斷的思維過程。

5? “混合氣體檢驗”思維模型的構建

化學實驗中常有對H2、 CO2、 H2O（水蒸氣）、 CO、 HCl等氣體進行檢驗的問題，尤其是對由若干種氣體組成的混合氣體檢驗的問題，不僅包含氣體檢驗方法和試劑的選擇，還涉及各氣體檢驗順序的確定、裝置的選擇（或評價）與連接、干擾氣體的吸收、某些不能直接檢驗的氣體的轉化和尾氣的處理等問題，對學生邏輯思維要求較高。如果學生僅僅知道如表3所示的單獨檢驗和吸收某種氣體的具體方法，而沒有對混合氣體檢驗問題進行一定的抽象、概括形成一定的思維路徑，常常會束手無策。

混合氣體檢驗的關鍵是“干擾氣體”的界定，判斷標準是對后續待檢驗氣體的檢驗是否會產生干擾。因為混合氣體中可能存在的氣體往往可分為“可直接檢驗氣體”（如CO2、 H2O、 HCl等）和“轉化后才能檢驗氣體”（如H2、 CO等）二類，前一類氣體中就可能存在會對后續待檢驗氣體的檢驗存在干擾的氣體。教學中要通過抽象、概括各種混合氣體的檢驗步驟，構建解決“混合氣體檢驗”類問題的思維模型。如圖7所示，先對混合氣體進行分類，明確哪些氣體可以直接檢驗、哪些氣體需要轉化后才能檢驗、直接檢驗中的氣體中哪些氣體屬于“干擾氣體”，會對待檢驗的氣體產生怎樣的干擾等問題，再根據思維路徑合理安排檢驗、吸收、轉化氣體

等各實驗操作環節的順序，并根據該順序確定最終實驗裝置連接的順序。

以天然氣燃燒后所得氣體產物成分的檢驗為例，氣體產物中可能存在水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳，這些氣體中水蒸氣、二氧化碳是可以直接檢驗的氣體，一氧化碳是需要轉化后才能檢驗的氣體，而二氧化碳的存在對一氧化碳轉化后的氣體的檢驗存在干擾。明確混合氣體中可能存在的不同氣體的情況，應用模型就可以依次設計如圖8所示的實驗方案（固定裝置未畫出），就能對該混合氣體各成分進行逐一的檢驗。其中裝置A和B、裝置C和D、裝置E、裝置F、裝置G，依次歸屬于上述思維模型中的各個環節。

6? 結語

化學思維模型的構建過程，不僅是幫助學生找到解決問題思維路徑的過程，也是對解決問題的思維方法進一步抽象、概括形成程序性知識的過程。教師要重視構建化學思維模型的教學，不僅要幫助學生在學習活動中形成獨立的思維模式，讓化學知識和化學變化規律結構化，而且要指導學生通過構建思維模型分析問題和解決問題，讓解決問題的方法顯性化。當然，教師還應當充分考慮學生之間的個體差異，采取針對性的教學指導，幫助學生運用自己的方式對模型進行表達，接受并理解思維模型，從而進一步發展模型建構能力。

參考文獻：

［1］陳茂林. 淺議學生化學思維模型的建立［J］. 化學教學， 1994， （2）： 42～43.

［2］林崇德. 學習與發展［M］. 北京： 北京師范大學出版社， 2003： 171～173.

［3］梁舒敏. 培養高中生化學思維模型建構能力的實踐研究［D］. 南寧： 廣西師范大學碩士學位論文， 2020： 6～7.