吳海霞

摘要：從中學(xué)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的角度簡述了模型方法的含義，結(jié)合蘇教版高中化學(xué)教材，通過實例介紹了模型建構(gòu)的基本步驟，以及模型結(jié)論的課堂拓展、運用。

關(guān)鍵詞：模型方法;模型建構(gòu);數(shù)學(xué)建模

文章編號：1008-0546（2019）05-0006-03

中圖分類號：G632.41 文獻標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.05.002

自2016年以來，“核心素養(yǎng)”作為“三維目標(biāo)”的升級版，進入了人們的視野。高中化學(xué)學(xué)科順應(yīng)時代的發(fā)展和需求，將核心素養(yǎng)與學(xué)科特征緊密結(jié)合，出臺了五條共計45個字的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。證據(jù)推理和模型認知，是化學(xué)核心素養(yǎng)中體現(xiàn)化學(xué)方法和手段的重要內(nèi)容，本文是筆者結(jié)合個人的教學(xué)實踐從模型方法方面作一些探討。

一、中學(xué)化學(xué)的模型方法

中學(xué)化學(xué)的模型方法，是指教師在教學(xué)中為了讓學(xué)生認識、理解和建立自然界的宏觀的物體與微觀的原子分子的聯(lián)系，而運用具體實物、語言文字、圖表以及數(shù)學(xué)公式等對認識對象進行模擬或簡化描述的一種方法。中學(xué)化學(xué)課中的模型建構(gòu)活動，有兩層含義：一是為了讓學(xué)生通過分析、推理等方法，認識研究對象的本質(zhì)特征;另一方面，也是為了讓學(xué)生通過自主實驗或搭建分子模型等學(xué)科探究活動，更好地去理解和把握復(fù)雜和抽象的化學(xué)基本理論、核心概念。教師在教學(xué)時應(yīng)挖掘出教材中的模型建構(gòu)活動，并以此為載體，滲透模型方法的基本思想，將非常有益于學(xué)生把握相關(guān)核心概念，提高學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、模型方法在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.中學(xué)化學(xué)教材中常見的兩種模型

（1）數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型，在中學(xué)化學(xué)中常用來表示物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)量的關(guān)系或物質(zhì)性質(zhì)遞變的規(guī)律。蘇教版高中化學(xué)教材中常見的數(shù)學(xué)模型有坐標(biāo)曲線圖、柱形圖、數(shù)學(xué)方程式等。如蘇教版必修1第18頁中溫度對KCl和KN03溶解度影響的曲線，第8、9、11、12、23、25等頁中表示化學(xué)反應(yīng)量關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式，第64頁中一些金屬元素在地殼中的含量的柱形圖;必修2第3、4頁中1～18號元素最外層電子數(shù)與原子半徑隨著核電荷數(shù)的遞增變化的曲線，第31頁中為研究碳酸鈣與稀鹽酸反應(yīng)的反應(yīng)速率通過實驗測定反應(yīng)中生成的C02氣體體積隨反應(yīng)時間變化的曲線，第32頁在一定條件下合成氨反應(yīng)中正、逆反應(yīng)速率隨時間變化的曲線;選修《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》第4頁中的化學(xué)合成和分離得到的新物質(zhì)種數(shù)的柱形圖等均為數(shù)學(xué)模型。

由于高中化學(xué)學(xué)科以描述陛的語言為主，并輔助以大量的實驗，不少教師和學(xué)生往往以為學(xué)好化學(xué)與數(shù)學(xué)沒有多大關(guān)系。實際上，數(shù)學(xué)是自然科學(xué)中的基礎(chǔ)學(xué)科，其思想滲透到物理、化學(xué)、生物等各類學(xué)科之中，在教學(xué)時運用數(shù)學(xué)中的排列與組合知識來分析金屬晶體堆積方法和各種原子在晶胞中所占份額，運用幾何知識認識金屬晶體的六方堆積、面心立方堆積和體心立方堆積的形成過程等均以理科思維為基礎(chǔ)，教師在日常的化學(xué)課堂教學(xué)實踐中如能從理科思維角度出發(fā)加以提煉、總結(jié)、升華，往往能達到事半功倍的效果，這也為學(xué)生的終生發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

（2）結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)模型在中學(xué)化學(xué)中具有更廣泛的應(yīng)用。如蘇教版必修1第28頁原子模型結(jié)構(gòu)，采用的是物化了的模型：道爾頓原子模型類比實心球，湯姆生原子模型類比葡萄干面包式，盧瑟福原子模型類比太陽系……蘇教版必修2第14頁講解共價化合物分子中各原子間有一定的連接方式，舉出了一些常見分子的球棍式和比例式模型;蘇教版教材還有很多地方如晶體結(jié)構(gòu)、有機分子結(jié)構(gòu)等處使用了結(jié)構(gòu)模型。

把模型方法應(yīng)用于化學(xué)，能極大地豐富課堂內(nèi)涵，通過學(xué)科整合，深化學(xué)科知識，并使之與生產(chǎn)、生活相結(jié)合，不僅有利于學(xué)生掌握知識，更能培養(yǎng)學(xué)生透過現(xiàn)象揭示本質(zhì)的洞察能力以及簡約、嚴(yán)密的思維品質(zhì)，從而提升學(xué)科能力。

2.構(gòu)建模型方法的基本步驟

由于結(jié)構(gòu)模型是化學(xué)教學(xué)中使用得最普遍也是大家討論得很多的一種模型方法，筆者在這里重點以數(shù)學(xué)模型為例，介紹數(shù)學(xué)模型方法構(gòu)建（簡稱數(shù)學(xué)建模）的基本步驟。

所謂數(shù)學(xué)建模（Mathematical Modelling），就是把現(xiàn)實世界中的實際問題加以提煉，抽象為數(shù)學(xué)模型，求出模型的解，驗證模型的合理性，并用該數(shù)學(xué)模型所提供的解答來解釋現(xiàn)實問題。以蘇教版化學(xué)選修《化學(xué)反應(yīng)原理》專題2第一單元“化學(xué)反應(yīng)速率”中第34頁的活動與探究實驗“大理石與鹽酸反應(yīng)速率的測定實驗”作為具體的例子，說明構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的基本步驟。課程標(biāo)準(zhǔn)對于本節(jié)不僅有定性了解的要求，還有定量表示化學(xué)反應(yīng)速率的具體方法，并提出了相應(yīng)的活動與探究建議“實驗探究：濃度、溫度對化學(xué)反應(yīng)速率的影響”等。該條內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)對“大理石與鹽酸反應(yīng)速率的測定實驗”有兩層涵義：其一，通過實驗和具體指導(dǎo)，學(xué)生能觀察到一定時間內(nèi)產(chǎn)生CO2氣體的體積，從而計算出一定時間間隔內(nèi)的反應(yīng)速率;其二，把握數(shù)學(xué)模型（抽象：化學(xué)反應(yīng)速率）與二氧化碳氣體體積（具體）之間的內(nèi)在邏輯聯(lián)系。該模型構(gòu)建的基本步驟如下：

3.數(shù)學(xué)模型方法的課堂教學(xué)實踐

模型教學(xué)應(yīng)做到模型構(gòu)建過程與模型結(jié)論運用兼顧，不能顧此失彼，有所偏廢。在教學(xué)過程中，學(xué)生親歷了模型的建構(gòu)過程后，教師應(yīng)及時地對整個建模過程以及已建立的模型適當(dāng)加以展開，以豐富其內(nèi)涵，循著現(xiàn)象一本質(zhì)一現(xiàn)象的思路，帶領(lǐng)學(xué)生體驗由具體到抽象的思維轉(zhuǎn)化過程。這一環(huán)節(jié)是讓學(xué)生認識到數(shù)學(xué)模型所蘊涵的化學(xué)意義。如上述一定時間內(nèi)大理石與鹽酸反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率隨時間變化而變化這一數(shù)學(xué)模型（如圖1）建立起來之后，教師應(yīng)緊接著對模型展開討論：①曲線圖表明反應(yīng)速率從t1時某一高度上升到t2后下降，這個事實與鹽酸的濃度隨反應(yīng)進行隨時間推移t1-t2-t3逐漸減小導(dǎo)致速率也應(yīng)逐漸減小相矛盾，原因是什么？教師可引導(dǎo)學(xué)生在觀測記錄注射器中氣體體積的同時，用溫度計量出相應(yīng)時間點溶液的溫度，記錄溫度的變化。②從反應(yīng)本質(zhì)和反應(yīng)外界條件來看，影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素有哪些？教師可引導(dǎo)學(xué)生分析，整個反應(yīng)過程中壓強、催化劑（沒加入催化劑）的影響均可排除，溫度的影響是重點對象和關(guān)鍵。教師可以總結(jié)：若從溫度的影響來看，t1→t2反應(yīng)速率加快，肯定是升高了反應(yīng)體系的溫度，且溫度升高的影響大于濃度減小的影響。③做該實驗時大家并沒有加熱，溶液的溫度為什么升高了？教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生從反應(yīng)的熱效應(yīng)分析該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，只能是反應(yīng)本身所產(chǎn)生的熱量所致。至于t2→t3反應(yīng)速率下降主要是濃度減小占主要影響因素。

三、模型方法構(gòu)建的教學(xué)反思

1.努力將核心素養(yǎng)的培育放在首位

新一輪的課程改革，要求不僅培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和實驗探究的學(xué)習(xí)方式，而且要發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，因此教師要充分發(fā)掘課本教學(xué)資源，努力為學(xué)生提供這樣的機會和氛圍，在探究過程中，要盡可能讓學(xué)生獲得親身參與研究探索的體驗，模型方法中數(shù)學(xué)建模的教學(xué)就是踐行這一教學(xué)理念的良好藍本，教師精心設(shè)計的教學(xué)流程，帶領(lǐng)學(xué)生有序地開展實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)型轉(zhuǎn)換、討論分析、交流等活動，能切實地保證知識、技能和情感等方面的課堂教學(xué)目標(biāo)的質(zhì)量。

2.努力發(fā)揮學(xué)生的主體作用

在化學(xué)課堂模型構(gòu)建的教學(xué)中，教師要發(fā)揮好主導(dǎo)作用，注意適當(dāng)?shù)匾龑?dǎo)和提供開放的環(huán)境，充分彰顯和激發(fā)學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生勇于提出問題、積極分析問題，尋找化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，從中領(lǐng)悟和把握運用模型建構(gòu)方法解決實際問題的路徑，建立解決未知情境中的復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架，培養(yǎng)用化學(xué)知識解決社會難題造福人類的偉大志向和精神。