模型方法与高中化学教学《化学教育》

模型方法与高中化学教学

张建国

内容提要: 在高中化学里，模型方法具有重要的价值和功能，但由于种种原因而受到忽视。本文从方法论的角度阐述了模型、模型方法的概念和特点，归纳了高中化学教学中的模型问题，并提出了教学中应注意的若干问题。

主题词：模型模型方法高中化学教学

模型是化学知识特别是化学理论的主要表达方式，模型方法是解决化学问题的重要手段，它能为面对问题的研究提供有效的程序，并具有一定综合性，对培养学生分析问题、解决问题的能力和进行研究性学习具有独特的价值。在中学化学里，模型俯拾皆是——物理的、数学的、概念的、符号的，不一而足。但教师对此却普遍缺乏敏感，对它的理解、运用缺乏研究，处于一种不自觉的状态，这不能不说是一种遗憾。本文拟就模型、模型方法及其在高中化学教学中的应用作一些探讨。

1 模型方法的意义

研究事物的前提是通过观察来感知这个事物，人们可以直接观察的事物或过程应该具有以下特点：

在时间和空间上与人的观察力相匹配。人对事物观察能持续的时间以及人的生命周期是有限的，不能观察历时过长或过短的过程；人的视野和感知力也是有限的，不能直接观察过大或过小或过远的事物。随着观察工具的不断发明，人的官能在不断延伸。天文望远镜、射电望远镜的发明使我们能看到离我们更远的东西；卫星摄影可以使我们看到更大的东西；显微镜、隧道扫描仪的发明使我们能够看到更小的东西；高速摄影技术的发明使我们能够看到转瞬即逝过程的细节。可以说，自从有了对自然的观察和研究以来，人们就没有停止过提高自身观察力的努力。然而这种官能的延伸已经对观察的直接性打了折扣。

事物的结构和演进过程足够外显。隐藏着的事物和过程难以直接观察和感知。玻璃仪器的引用使化学反应过程中变化一览无余，这对化学研究，特别是对化学学习来说具有划时代的意义。不难想象，如果我们仍然在使用着类似炼丹炉那样的器皿，我们今天的化学研究和化学教学将是一个怎样的情景。

事物的结构和过程的因果关系不太复杂。人的思维对事物进行直接处理的能力是有限的。一个现象往往是由具有一定独立性的多个部件和过程协同作用的结果。我们认识事物和进行教学惯用由浅入深、先简后繁、循序渐进原则与方法实在是明智之举。

高中是基础教育的最高层次，与高等教育相衔接，这一阶段的科学教育在内容上有着明显的加深和拓宽，而不是也不应该停留在过于浅显的水平上。要处理的问题在空间和时间上与人的官能不再那么匹配，结构和演进过程不再那么外显，因果关系不再那么简单，而是逐渐复杂化、理论化了。这就需要有更强的能力和更加综合化的方法。经过九年的义务教育，高中生已经积累了一定的知识和经验，掌握了一定的科学方法。他们学习了初步的观察、分析、综合、比较，为更高层次方法的学习奠定了基础。

在这样的背景下提出模型方法，其必要性和可能性是显而易见的。

2 模型方法及其特点

模型是对事物的简化模拟，模型的价值在于能够解释事物是如何运转的，一个模型既可以是一个装置、一个计划、一份草图、一个等式、一个计算机程序,甚至也可以仅仅是一种想象。模型方法是认识的工具，人们借助模型可以加深对事物的理解。

模型是怎样帮助人们来认识事物的呢？

物理模型通常是指一个真实的装置或一个真实的过程。这个装置或过程的特性与被模拟的现象十分相似,通过它来模拟我们希望了解的东西。“模型”这个词,最常见的意思是指物理模型。可以通过对过程延续性的拉伸或挤压，对事物体积的放大或缩小来突破时间和空间的限制。太阳系在空间上的巨大使人类难于观察，人们通过缩小的模型可以“观察”到它的全貌；太阳系中各天体的运动周期与人能够持续观察的时间不相匹配，甚至与人的生命周期不相匹配，人们可以通过模型，使它的运动“加速”，在几分钟的时间里“观察”到它在几十年，甚至成千上万年的运动过程。我们无法想象将一个真正的炼铁炉搬到教室里来研究它的构造，即使把课堂搬到了炼铁厂，你也无法观察它内部运行和反应的过程。这不可能，其实也没有必要，因为模型可以帮助你完成这样的任务。

数学模型是从客观实际事物中高度抽象出来的，是一种完全形式化和符号化了的模型。它可以是字母、数字和与之相关的数学符号建立起来的公式，也可以是图表、图像、框图等。通过数学模型对原型事物的定量刻画而使得该事物的某些方面在我们头脑中的反映更加精确、精致，使我们对事物发展的预期和控制成为可能。化学方程式应该算作化学中数学模型的典型代表，它所表达的不仅是关于“何种物质”的质的问题，还揭示了“多少物质”的量的问题，以及反应中各种物质的比例关系，为化工生产中确定最为经济的投料比例奠定了理论基础。

理论模型常以假说或学说的形式出现。在实践中这样的事情反复发生，即具有某种结构的事物，会具有某种特定的性质和功能；改变它的结构，它所具有的性质和功能也随之发生改变。这样，“结构和功能有着对应的关系”就成为了人们的经验，并且坚信，这些性质一定与它所具有的内部结构有关，这些功能一定与它的运行机制或途径有关！在对一个新的事物进行研究的时候，可以观察或体验该事物所表现出来的种种性质和它在运行或

变化中的种种行为以及它所具有的功能，通过跟已知事物的对比，猜测它可能具有的内部结构和运行途径，并以一定的语言对这种猜测进行表达，这就形成了理论模型的雏形。

此外，模型还具有很多其他类型。值得指出的是，模型的分类并不是总有那么清晰的边界，有些模型兼具多类模型的特点。分类也只是为了研究方便而已。

模型方法包含三个基本环节：建立和选择模型；对模型进行研究；将研究模型获得的知识转给原型。这就决定了模型和原型具有相似而不是相等的关系，这种相似可以是结构方面的，也可以是功能方面的。模型的价值往往不在于它与原型的“形似”，而在于对原型本质的揭示。那些次要的和表面化的因素对揭示事物的本质无关紧要，也许还会掩盖事物的核心和本质，理应加以弱化或剔除。电子带有一个单位的负电荷，如果从电中性的原子中去掉一个电子，那么剩下的部分就带有一个单位的正电荷。我们可以把原子想象成一个西瓜，西瓜籽是带负电荷的电子，瓜瓤带有正电荷，由于瓜籽镶嵌其中，使整体呈电中性。这就形成了原子的汤姆生模型。真实西瓜的颜色、生熟、味道已经不再重要，至于瓜瓤瓜子与电荷更不相关，它们在汤姆生模型中都未被提到。所以这个模型的建立源于西瓜，但它所描述的是原子，而非西瓜。

模型作为原型的代替物，它的呈现方式应该为研究者对它的研究提供可能和方便，从模型研究中所获得的知识也能够转移到原型上。随着研究的逐步深入和新工具的不断发明，人的认识越来越接近真理，原有的模型也会不断被修正，就像汤姆生原子模型最终发展成量子力学模型那样。

3 高中化学中的模型问题

化学的核心内容涉及微观世界，同时也跟工业生产息息相关。化学对化学现象的解释本身几乎都是以模型的形式呈现的，学生对化学知识的认识，教师对化学知识的阐释都离不开模型方法。同时化学和化学教学也为模型方法提供了丰富材料和坚实的基础。

炼铁炉、炼钢炉、氧化炉、沸腾炉、水泥回转窑、分馏塔、吸收塔、热交换器、电解槽等工业生产设备模型是典型的物理模型，它们在制作时依据原型的形状按比例缩小了尺寸，所含部件作了删减，但是用来模拟真实设备工作的关键部件却尽量齐全和逼真，以揭示设备结构和工作原理、流程。

在化学模型中最具学科特点的是化学结构模型，它是化学模型的主要的基本的形式。最为突出的代表是原子结构模型、分子结构模型、化学键模型和晶体结构模型。

离子键－共价键模型的建立颇具启发意义。在离子键模型建立之前，物理学对带电体之间相互作用的研究已经相当成熟，原子得失电子后成为带电粒子已成常识。1916年德国化学家W.Kossel在玻尔原子结构理论的启示下根据稀有气体原子具有稳定结构的事实，提出了离子键模型：在一定条件下，当电负性相差较大的活泼金属原子和活泼非金属原子相互接近时，发生电子的转移而形成具有稀有气体原子稳定结构的正离子和负离子；这两种

粒子相互靠近，当体系中各粒子间引力和斥力达到平衡时总能量降到最低，形成离子键。这是一个容易理解的模型，它成功地解释了为数众多化合物的性质。然而，当面对电负性差不是那么大，甚至是两个相同元素的原子相遇结合时，离子键模型却无能为力。对于诸如氢气、氧气等单质的分子，以及众多由电负性差不够大的原子构成的化合物分子的解释只能建立新的模型。1916年美国化学家G.N.Lewis提出，电负性差较小的原子之间可以通过共享电子对的方式来使每个原子本身达到稳定的稀有气体原子的结构。这就是所谓共价键模型。借助这样两个模型，原子间结合的问题似乎已经圆满解决。然而，进一步研究发现，很多像AlCl3那样物质的性质用这两个模型中的任何一个来解释都会出现一定的偏差，即使在元素周期系中电负性差最大的两种元素组成的CsF，仍然具有8％的共价性。然而有趣的是，这个矛盾不但没有击垮离子键和共建键模型，反而在此基础上形成了“由离子键向共价键过渡”的模型：典型的共价键和典型的离子键可以看作是一个系列的两个极端，其间存在着诸多“过渡”状态，既含有共价键的成分，也含有离子键的成分。成分的比例与成键原子的电负性差有关，也与离子的极化作用和变形性有关。“过渡模型”使离子键和共价键看似矛盾的模型在更高的层次上统一起来，使人的认识提高到了一个新的水平。

符号模型作为物质组成和结构的表达在化学中被大量应用，在专业内部被称为“化学用语”。化学教学中符号模型具有相当的复杂性：类似的符号所表达的对象可能有所不同，同一物质不同侧面的信息又可以用不同的符号模型来表达。 HCl和NaCl分别是氯化氢和氯化钠相对应的符号模型，它只能给出它们的元素组成及其比例关系，事实上这两种物质在原子间结合方式和物质宏观状态方面是迥然不同的，该模型没有表达这样的信息。用不同的符号模型来描述氨分子，所给出的信息也不尽相同（如下表所示）。

＊该模型还涉及到“杂化轨道理论模型”。

数学模型在高中化学里表现为化学方程式的计算、数据图表、图像等。诸如溶解度曲线、化学平衡及其平衡移动的各种变化曲线图均属此类。在教学中有意义的是引导学生学会根据化学情景建立数学模型去解决化学问题。下面是一个例子：二氧化硫和氯气共同作用于品红溶液会产生什么现象？对所得溶液进行加热又会产生什么现象？给出合理的解释。这里涉及的化学背景是：二氧化硫使品红溶液褪色，加热红色可以恢复；氯气也能使品红溶液褪色，但加热红色不能恢复；氯气跟二氧化硫在溶液中能发生反应:

SO 2+Cl 2+2H 2O==H 2SO 4

+2HCl

使氯气和二氧化硫均失去漂白性。因此二氧化硫和氯气物质的量之比就成了回答问题的关键。建立数学模型将使这个问题得到精确而简洁的解决：

当 时，品红溶液褪色，加热可使红色恢复；

当 时，品红溶液不褪色；

当 时，品红溶液褪色；加热不能使红色复原。 以章节为单位，将相互联系的知识点连接成网，这是化学教学中归纳和整理知识的常用方法，这种做法实际上也在构建关于知识结构的模型，我们姑且将其称为“知识结构模型”。篇幅所限，这里从略。下面是为回答“如何研究一种元素”所构建的知识结构模型：

高中化学中的模型问题很多，难以尽述。上述案例仅为择其要所做的说明。

1)()(22>Cl n SO n 1)()(22=Cl n SO n 1)

()(22

4 模型方法的教学策略与应注意的问题

(1) 模型与原型的关系

模型是认识事物的工具，二者不能混为一谈。笔者曾见过一个计算机模拟乙烯跟溴发生加成反应动态过程的软件，这是其中的画面：

（画外音：）……实际上第二个溴原子是这样加上去的（上图中“第二个”溴原子沿弯箭头所指的路线运动，形成画面二）。

这里至少有两个错误，第一，已烯加成反应中两个溴原子未必来源于同一个溴单质分子；第二，“实际上”的表述将模型当成了原型，这是模型方法应用时的大忌。

(2) 循序渐进

模型方法的应用与训练宜从简单者做起，因为学生对车模、航模可能有了感性认识，所以应该以化学中的物理模型为教学的起点，以后逐渐认识其他模型。对同一类模型，也应由简到繁，逐步提高。对于模型方法的教学，应该先就现成的模型对原型的解释入手，在尝试根据化学事件提供的信息去“建模”。

(3)注重实践与应用

模型只是一种方法或手段，应该服务于问题的解决，而不应该也没必要将其变成程序化的教条和诸多“知识点”的集合。这一方法的掌握完全可以在由不自觉到比较自觉的实践中完成。每一个具体的模型都有它的局限性甚至缺陷，教学中可以引导学生对模型作出科学的评价。

参考文献

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[2] 张嘉同.化学哲学.江西:江西教育出版社,1994

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[5] 无机化学编写组.无机化学.北京:人民教育出版社,1978