嚴西平

摘要：基于模型認知的教學理念，創(chuàng)設了數(shù)形結合的圖像模型的教學方法，結合模型認知水平設計了初中化學溶液組成討論與計算教學過程。

關鍵詞：模型認知;圖像模型;模型認知水平;溶液組成的討論計算

文章編號：1008-0546（2021）04-0054-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.014

“化學計算的本質是對化學問題的數(shù)學處理過程，即對物質的組成、結構、性質和變化規(guī)律的量化過程”[1]。然而，從初中化學教學實踐和中考閱卷情況來看，有關溶液組成討論與計算題的失分相當嚴重，不少學生只會死記概念、硬套公式，碰到新情景束手無策。究其原因，是缺少對溶液組成形象化的認知（即缺少相應的模型意識和模型表達）、不能深刻理解概念、公式表征的意義，造成對溶液組成認識不透徹、定性分析和定量計算的能力嚴重不足。

“模型認知”是化學重要的核心素養(yǎng)之一[2]，模型包括實物模型和非實物的形式模型兩大類，形式模型又包括數(shù)學模型、圖像模型和語義模型等[3]。按照學習水平又可以劃分為層次（如表1 ） [4]。

一、教學設計

依照對2017版高中課標中有關“模型認知”核心素養(yǎng)內容的理解，參照表1的認知水平劃分，對照2017版高中課標中有關“教、學、評一體化”的要求，設計了如表2所示的教學進階：

二、教學過程

1.定性認識溶液圖像模型

【引入】常溫下某飽和溶液（如蔗糖溶液）的示意圖如圖1所示，其中“○”代表蔗糖分子，“△”代表水分子。假設有一個隔板能將蔗糖和水完全分開，則圖1可以改造為圖2：虛擬隔板用虛線表示，稱作“飽和線”，兩邊的面積（Sa和Sb）表征溶質與溶液質量的大小。升溫后（不考慮水分的蒸發(fā)）蔗糖的溶解度增大，飽和線右移，但蔗糖和水的質量都沒有變化，因此圖2轉形為圖3（俗稱“凹凸形”）：其中Sa'=Sa，Sb'=Sb。

【討論】當降溫時，圖3怎樣改變？

【結論】圖2與圖3表征的兩種溶液狀態(tài)就是常見的溶液圖像模型，可以借助“飽和線”的移動來體驗狀態(tài)轉變過程。

2.定量理解溶液圖像模型

【活動】①根據(jù)氯化鈉溶解度，在圖4的燒杯1中畫出20cC飽和食鹽水的數(shù)形結合圖像模型，并說出圖中各部分的含義;②在圖4的燒杯2中畫出20℃ 0.9%的生理鹽水的數(shù)形結合圖像模型（溶液很稀，密度可視為1g/mL）

【展示】指導繪制出如下所示的燒杯1和燒杯2的溶液圖像，并分別定量描述各燒杯中的溶液組成（略）

【思考】為方便與燒杯1比較，按照0.9：99.1的比例在燒杯2中增加0.01g的氯化鈉和0.9g的水，得到相似的燒杯2'（圖4），溶液組成仍為0.9%。這說明了什么？同樣在燒杯1中同時加3.6g氯化鈉和10g水，飽和線會移動嗎？

【發(fā)現(xiàn)】對比燒杯1與燒杯2，可以發(fā)現(xiàn)“平整”和“凹凸”是飽和與不飽和溶液的圖像特征，燒杯2的溶液組成可以用“去凸補凹”的途徑轉換成燒杯1的溶液組成。

【思考】通過數(shù)形對應的方式，如何把燒杯2的溶液組成變成跟燒杯1一樣呢？哪種方式最簡便？

【討論】①“補凹”：向燒杯2（右面的）中添加36g-0.91g=35.lg的氯化鈉;②“去凸”：蒸發(fā)掉100g-（100g/36g×0.91g）=97.5g。顯然這樣的操作既費力費時又難以準確把握蒸發(fā)掉的水量，實際上是不可取的！

【思考】如何將用燒杯1的溶液組成變成跟燒杯2一樣呢？“補凹”的方法合適嗎？

【討論】①“挖掉氯化鈉”實驗中不可行;②“添加水”要添加很多，燒杯盛不下。所以應該另辟蹊徑：取少量燒杯1的溶液（其中的溶質質量等于0.91g），然后稀釋就能配成燒杯2（右面的）的溶液了。

3.應用溶液圖像模型分析溶液組成的變化

【例題1】將40℃的飽和澄清石灰水降溫到20℃，溶液組成和狀態(tài)會發(fā)生什么變化呢？如果改為向室溫下的飽和澄清石灰水中加入少量氧化鈣（不考慮溫度變化）又會怎樣呢？

【解析1】因為氫氧化鈣的溶解度隨溫度的降低而增大，所以這個過程溶液從飽和變?yōu)椴伙柡?，但溶質、溶劑都沒有變化。具體分析過程見圖5。

【解析1】如果向飽和氫氧化鈣溶液中加入氧化鈣，氧化鈣會跟水反應，造成溶劑減少（用陰影部分表示），進而不能再溶解一部分氫氧化鈣（包括反應生成的），析出等比例的溶質（也用陰影部分表示），具體分析見圖6。

【例題2】若用10.0%的氫氧化鈉溶液16.0g滴加到20.0g鹽酸（含2滴酚酞試液）中，混合液剛好由無色變?yōu)榉奂t色時，可認為恰好完全反應。

②原鹽酸中溶質的質量分數(shù)是多少？

②試列式計算說明將該反應后的溶液轉化為20℃時飽和溶液的一種簡單方法（計算結果精確到O.1g）。已知：20℃時氯化鈉的溶解度為36.0g。

【解析】反應前稀鹽酸和氫氧化鈉溶液是不飽和溶液，反應后生成的氯化鈉溶液也是不飽和的。根據(jù)反應方程式和溶液質量守恒的原理，算出此溶液的組成。據(jù)此繪制這三個燒杯的模型圖像。前面已經(jīng)討論過了，將此不飽和的氯化鈉溶液變?yōu)轱柡偷淖詈唵蔚姆椒ň褪恰把a凹”。參照氯化鈉飽和溶液的圖像模型，可以很方便地設未知量列比例式進行計算，從而得出答案。具體分析見圖7所示。

4.建構和精致溶液圖像模型

【思考】一般情況下，對大多數(shù)的溶液而言，溶液的圖像模型有幾種？它們是如何進行轉換的？請同學們結合本節(jié)課所學內容，分小組討論并總結繪制。

【歸納】（學生板演）有兩種：飽和溶液（“平整”形）和不飽和溶液（“凹凸”形）。當飽和溶液升溫或不飽和溶液降溫時它們可以相互轉換，或者說升溫時飽和線右移，“平整”變“凹凸”;反之則是“凹凸”變“平整”。

【追問】如果飽和溶液蒸發(fā)溶劑時或者向飽和溶液中等比例增加溶質溶劑呢？

【回答】（學生板演）第一種情況飽和溶液圖像會被平齊地“切去”一塊，但飽和線不移動;第二種情況飽和溶液圖像會被平齊地“增加”一塊，飽和線仍不移動。

【小結】（師帶生）建構一般情況下的溶液模型可以用圖8來表示。

【啟發(fā)]圖7是不是包括了所有變化的情形呢？飽和溶液降溫時適用嗎？

【討論】（學生分組）不行，降溫只會析出晶體，溶劑的量不變，模型必須調整或重構。

【創(chuàng)新】以40℃ 163.9g飽和硝酸鉀溶液降溫到20℃時的情況為例，繪制這一變化過程的溶液圖像模型。

【引導】飽和線要左移，勢必將溶質像“擠牙膏”似的擠出一部分（就是析出的硝酸鉀晶體，用陰影部分表示），水量不變，雖然變化后的圖像看上去與原來的相似，但是因為飽和線發(fā)生的位移，所以圖像性質已經(jīng)發(fā)生改變。反之，降溫后再升溫，圖像又會變回原樣。詳見圖9。

三、教學反思

數(shù)形結合的溶液圖像模型的創(chuàng)設填補了長期以來的一個教學空白，也可以看作是多了一種教學模式或方法。該模型的最大優(yōu)勢就是把學生從繁重的純數(shù)據(jù)計算中解脫出來，減少了學生對化學計算的恐懼感，激發(fā)了學生學習計算類型課的興趣。同時還可以借助模型認知，發(fā)展學生的空間觀念，培養(yǎng)學生初步的邏輯思維能力。

“模型認知”雖然是高中課標中提出的，但是初中化學教師應該認真學習、積極實踐，這既能有效地提升教師素養(yǎng)，又能身體力行地推動學科核心素養(yǎng)早日在初中化學教學中落地生根、開花結果。

參考文獻

[1]楊玉琴.化學計算的學科本質及教學[J].北學教學，2013（10）：6-9

[2]中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）[S].人民教育出版社，2018：4

[2]陸軍.化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J].化學教學，2017（9）：19-23

[4]左頔.“高中化學教學基本要求”中“模型認知”的分析與啟示[D].上海：上海師范大學，2018：18-19

*本文系2020年新疆維吾爾自治區(qū)小課題“基于核心素養(yǎng)的化學智慧課堂教學模式研究”（課題編號2011011）研究成果。.