嚴(yán)西平

摘要：基于模型認(rèn)知的教學(xué)理念，創(chuàng)設(shè)了數(shù)形結(jié)合的圖像模型的教學(xué)方法，結(jié)合模型認(rèn)知水平設(shè)計(jì)了初中化學(xué)溶液組成討論與計(jì)算教學(xué)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：模型認(rèn)知;圖像模型;模型認(rèn)知水平;溶液組成的討論計(jì)算

文章編號(hào)：1008-0546（2021）04-0054-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.04.014

“化學(xué)計(jì)算的本質(zhì)是對(duì)化學(xué)問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理過(guò)程，即對(duì)物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化規(guī)律的量化過(guò)程”[1]。然而，從初中化學(xué)教學(xué)實(shí)踐和中考閱卷情況來(lái)看，有關(guān)溶液組成討論與計(jì)算題的失分相當(dāng)嚴(yán)重，不少學(xué)生只會(huì)死記概念、硬套公式，碰到新情景束手無(wú)策。究其原因，是缺少對(duì)溶液組成形象化的認(rèn)知（即缺少相應(yīng)的模型意識(shí)和模型表達(dá)）、不能深刻理解概念、公式表征的意義，造成對(duì)溶液組成認(rèn)識(shí)不透徹、定性分析和定量計(jì)算的能力嚴(yán)重不足。

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

一、教學(xué)設(shè)計(jì)

依照對(duì)2017版高中課標(biāo)中有關(guān)“模型認(rèn)知”核心素養(yǎng)內(nèi)容的理解，參照表1的認(rèn)知水平劃分，對(duì)照2017版高中課標(biāo)中有關(guān)“教、學(xué)、評(píng)一體化”的要求，設(shè)計(jì)了如表2所示的教學(xué)進(jìn)階：

二、教學(xué)過(guò)程

1.定性認(rèn)識(shí)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(shè)有一個(gè)隔板能將蔗糖和水完全分開(kāi)，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(zhì)與溶液質(zhì)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(zhì)量都沒(méi)有變化，因此圖2轉(zhuǎn)形為圖3（俗稱“凹凸形”）：其中Sa'=Sa，Sb'=Sb。

【討論】當(dāng)降溫時(shí)，圖3怎樣改變？

【結(jié)論】圖2與圖3表征的兩種溶液狀態(tài)就是常見(jiàn)的溶液圖像模型，可以借助“飽和線”的移動(dòng)來(lái)體驗(yàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程。

2.定量理解溶液圖像模型

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

【展示】指導(dǎo)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(shuō)明了什么？同樣在燒杯1中同時(shí)加3.6g氯化鈉和10g水，飽和線會(huì)移動(dòng)嗎？

【發(fā)現(xiàn)】對(duì)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(bǔ)凹”的途徑轉(zhuǎn)換成燒杯1的溶液組成。

【思考】通過(guò)數(shù)形對(duì)應(yīng)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(jiǎn)便？

【討論】①“補(bǔ)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(fèi)力費(fèi)時(shí)又難以準(zhǔn)確把握蒸發(fā)掉的水量，實(shí)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(bǔ)凹”的方法合適嗎？

【討論】①“挖掉氯化鈉”實(shí)驗(yàn)中不可行;②“添加水”要添加很多，燒杯盛不下。所以應(yīng)該另辟蹊徑：取少量燒杯1的溶液（其中的溶質(zhì)質(zhì)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(yīng)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(huì)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(huì)怎樣呢？

【解析1】因?yàn)闅溲趸}的溶解度隨溫度的降低而增大，所以這個(gè)過(guò)程溶液從飽和變?yōu)椴伙柡?，但溶質(zhì)、溶劑都沒(méi)有變化。具體分析過(guò)程見(jiàn)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(huì)跟水反應(yīng)，造成溶劑減少（用陰影部分表示），進(jìn)而不能再溶解一部分氫氧化鈣（包括反應(yīng)生成的），析出等比例的溶質(zhì)（也用陰影部分表示），具體分析見(jiàn)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(wú)色變?yōu)榉奂t色時(shí)，可認(rèn)為恰好完全反應(yīng)。

②原鹽酸中溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是多少？

②試列式計(jì)算說(shuō)明將該反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)化為20℃時(shí)飽和溶液的一種簡(jiǎn)單方法（計(jì)算結(jié)果精確到O.1g）。已知：20℃時(shí)氯化鈉的溶解度為36.0g。

【解析】反應(yīng)前稀鹽酸和氫氧化鈉溶液是不飽和溶液，反應(yīng)后生成的氯化鈉溶液也是不飽和的。根據(jù)反應(yīng)方程式和溶液質(zhì)量守恒的原理，算出此溶液的組成。據(jù)此繪制這三個(gè)燒杯的模型圖像。前面已經(jīng)討論過(guò)了，將此不飽和的氯化鈉溶液變?yōu)轱柡偷淖詈?jiǎn)單的方法就是“補(bǔ)凹”。參照氯化鈉飽和溶液的圖像模型，可以很方便地設(shè)未知量列比例式進(jìn)行計(jì)算，從而得出答案。具體分析見(jiàn)圖7所示。

4.建構(gòu)和精致溶液圖像模型

【思考】一般情況下，對(duì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換的？請(qǐng)同學(xué)們結(jié)合本節(jié)課所學(xué)內(nèi)容，分小組討論并總結(jié)繪制。

【歸納】（學(xué)生板演）有兩種：飽和溶液（“平整”形）和不飽和溶液（“凹凸”形）。當(dāng)飽和溶液升溫或不飽和溶液降溫時(shí)它們可以相互轉(zhuǎn)換，或者說(shuō)升溫時(shí)飽和線右移，“平整”變“凹凸”;反之則是“凹凸”變“平整”。

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

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

【小結(jié)】（師帶生）建構(gòu)一般情況下的溶液模型可以用圖8來(lái)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(shí)適用嗎？

【討論】（學(xué)生分組）不行，降溫只會(huì)析出晶體，溶劑的量不變，模型必須調(diào)整或重構(gòu)。

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

【引導(dǎo)】飽和線要左移，勢(shì)必將溶質(zhì)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(lái)的相似，但是因?yàn)轱柡途€發(fā)生的位移，所以圖像性質(zhì)已經(jīng)發(fā)生改變。反之，降溫后再升溫，圖像又會(huì)變回原樣。詳見(jiàn)圖9。

三、教學(xué)反思

數(shù)形結(jié)合的溶液圖像模型的創(chuàng)設(shè)填補(bǔ)了長(zhǎng)期以來(lái)的一個(gè)教學(xué)空白，也可以看作是多了一種教學(xué)模式或方法。該模型的最大優(yōu)勢(shì)就是把學(xué)生從繁重的純數(shù)據(jù)計(jì)算中解脫出來(lái)，減少了學(xué)生對(duì)化學(xué)計(jì)算的恐懼感，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算類型課的興趣。同時(shí)還可以借助模型認(rèn)知，發(fā)展學(xué)生的空間觀念，培養(yǎng)學(xué)生初步的邏輯思維能力。

“模型認(rèn)知”雖然是高中課標(biāo)中提出的，但是初中化學(xué)教師應(yīng)該認(rèn)真學(xué)習(xí)、積極實(shí)踐，這既能有效地提升教師素養(yǎng)，又能身體力行地推動(dòng)學(xué)科核心素養(yǎng)早日在初中化學(xué)教學(xué)中落地生根、開(kāi)花結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1]楊玉琴.化學(xué)計(jì)算的學(xué)科本質(zhì)及教學(xué)[J].北學(xué)教學(xué)，2013（10）：6-9

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

[2]陸軍.化學(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知的思考與探索[J].化學(xué)教學(xué)，2017（9）：19-23

[4]左頔.“高中化學(xué)教學(xué)基本要求”中“模型認(rèn)知”的分析與啟示[D].上海：上海師范大學(xué)，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(xué)智慧課堂教學(xué)模式研究”（課題編號(hào)2011011）研究成果。.