建模在化学教学中应用

摘 要 随着时间的推移，教师进行化学教学的过程中建立模型的这种思维方法已经不止是停留在原有的认知基础上，而是能够让学生开阔视野，当面对不同的化学问题时都能迎刃而解的一种有效方法。本文在经过整理调查问卷的结果后，可以显而易见的看到建立模型的思维方法在教师进行化学的过程中起到了无可替代的作用，学生能巧妙地运用这种方法解决化学问题，不但提高了学生学习化学的兴趣，还能提升学生的科学素养。

关键词：建立模型；

思维方法；

化学教学；

科学素养 Abstract With the passage of time, the way of thinking in which teachers build models in chemistry teaching is not only based on the original cognition，It allows students to broaden their horizons.It is smoothly done or easily solved when faced with different chemical problems.After sorting out the results of the questionnaire, obviously, we can see that the thinking method of building models plays an irreplaceable role in the teaching process of teachers. Students can skillfully use this method to solve chemical problems, not only improving students＇ interest in learning chemistry, but also improving their scientific literacy. Key words: establishing model; thinking method; chemistry teaching; scientific literacy. 目 录 摘 要 1 1 引 言 4 1.1课题的研究现状 4 1.1.1国外的研究现状 4 1.1.2 国内的研究现状 4 1.2 研究目的、内容、及方法 5 1.2.1 研究目的 5 1.2.2 研究内容 5 1.2.3研究的主要方法 5 1.3研究课题的意义 6 1.3.1能帮助学生解决化学学习中的问题 6 1.3.2建模思想能培养学生的科学素养 6 2.1 模型和建模的相关概述 6 2.2 化学模型与化学建模概念 7 2.2.1化学模型 7 3 中学化学实施建模教学的策略 8 3.1具体化模型的构建 8 3.2建模教学的实施策略 8 4 建模思想在化学教学中的应用 9 4.1建模思想在概念教学中的应用 9 4.1.1建模思想在化学性质中的应用 9 4.1.3建模思想在化学计算中的应用 11 5 结论与展望 12 5.1研究结论 12 5.2展望 12 致 谢 13 参 考 文 献 14 附录1 15 附录2 17 建模在化学教学中的应用 1 引 言 1.1课题的研究现状 1.1.1国外的研究现状 许多西方国家的化学教育研究者们对建立化学模型应用于化学教学中的认识要超前于我们国家，他们更加注重的是教师对化学模型的深刻剖析再将运用模型的思维方法融入到教学中便于学生进行理解，进而培养学生的发散性思维。

建立模型的这种思维方法被运用于化学教育中在很早之前就被David Hodson 和他的同事提倡，有效进行科学教学的目的是：科学的学习(Learning of Science)，关于科学的学习(Learning about Science)，学习去做科学（Learning to Do Science)[1]。

相对于国内而言，其他不同国家专研化学教育的研究者们将建模思想细化于化学教育中，并能进行灵活运用。因此不难看出西方的教育研究者们更加注重建立模型的这种思维方法在化学教育中的带来的巨大作用。其实，在我们的生活中我们也可以用有限的材料做出适用于化学学习的模型，因此利用思维建立模型解决化学问题已经是中学化学中较为实用又有效地学习方法[2]。

1.1.2 国内的研究现状 相对于国外而言，我们国家将化学模型应用于化学教育中的方法和实际案例偏少。研究者们对化学建模思想运用于化学教学中只关注到它的步骤，以及对教学带来的意义。袁野[3]在《高中生化学问题解决中建模能力的研究》一文中指出在培养高中生面对不同的化学问题解决时一般受到这几个方面的影响，对模型的认知能力，以及还要对化学模型进行验证的能力，最重要的就是将化学模型运用于学习中的能力。

陆余平[4] 在探究出《气体摩尔体积》整个科学教学的过程中把建立模型的思维方法展现的淋漓尽致，其目的是让中学生切实感受完成一个完整的科学探究需要经历的过程，其次就是运用这种独特的思维方法构建出阿伏加德罗定律的定义和气体摩尔体积的主要关键点，这样就能做到将知识细化于心的作用。

张君梅[5] 对于模型建构的理解是需要研究原型的非主要因素和非关键的内容将会被进行过滤，最后用一种直观而又简单的形式呈现出来，这样能把原型形的独特特征完美的展现出来，展现的形式则多是以形象的图形，还有具体的符号等。

1.2 研究目的、内容、及方法 1.2.1 研究目的 了解当前建模在化学教学中的应用并且运用化学模型教育现状并做出进一步的深化，增强学生科学地学习的能力。

1.2.2 研究内容 （1）通过大量阅读文献明确研究的相关概念以及化学模型的各种类型方法；

（2）设计题目对教师和学生们进行关于化学模型教和学习情况的问卷调查；

（3）从教学阅历较深的化学教师中咨询建模教学运用于化学教学的状况，并从中获取经验；

（4）把得到的研究结论不断的进行剖析再加以分析研究的结果进行总结，对未来化学模型建构应用于化学教学的无限憧憬。

1.2.3研究的主要方法 （1）文献资料分析法 作者在阅读了许多建模在化学教学中的应用的资料后，将不同的相关教学理论知识进行剖析和不断的总结，得到西方国家对于运用建立化学模型来解决化学教学情况的影响因素。

（2）问卷调查法 将设计好的问卷调查表发放于学生进行有计划有目的性的调查。最终将学生对思维建模运用与化学教学产生的问卷调查结果进行分析和整理，再得出结论。以及建模教学为学生带来益处的相关文献进行整理，对班级上不同学生对问题带来不同看法的数据惊醒有序的统计和仔细分析，最终得到有关的结果。

1.3研究课题的意义 1.3.1能帮助学生解决化学学习中的问题 近几年来，利用模型解决的题目越来越多，因此在中学化学学科中开展化学建模教学是很有必要的。可以依据不同的化学知识，研究出相关的化学教学方法，进行化学教育的目的是为了能让学生不论是在生活还是学习中都有一双能辨别问题的慧眼，在这基础上挖掘出有关问题的信息，在老师和家长的帮助下将挖掘到的信息进行剖析最后总结，能够得到完整的一套教学体系和知识理论[6]。

1.3.2建模思想能培养学生的科学素养 建模从字面上来说是一个建立模型的过程、它不仅是一种意识上的观念、还是一种用来解决化学问题的方法，建立模型的这种方法常常被教学研究者们认为是一种较为实用又行之有效的科学方法。

王敬义[7] 把建构模型的概念总结为将那些需要探究的要点中次要因素和非关键性的内容通过互相的理解和研读，提炼出重要的信息，再将其本身具有的重要特点进行融合，就可以达到一种在意识上形成的独特方法，最终达到培养学生科学素养的目的。

2 课题研究的相关理论探析 2.1 模型和建模的相关概述 模型的定义多种多样，贺建勋[8] 把模型的概念归纳为有多种不同的形式，在对“认知数学符号模型以及完整的教学系统模型”仔细研读后已归纳得出模型这个不同形式的概念其实是和相关的数量关系测定具有一定的联系，不仅如此，他其实是一个能够反映真实情况的完备系统。

随着科学技术的突飞猛进，建立模型运用与化学教学的思维方法已经显得尤为重要，并且在教学领域中采用科学的思维方法又是化学教育研究者们需要不断进行反复验证的具体过程。

2.2 化学模型与化学建模概念 2.2.1化学模型 不同的概念有不同的定义方法，在整合物理建构模型和数学符号模型后从而对化学模型的概念进行界定。叶其孝[9]在《大学生数学建模竞赛辅导教材(一)》中涉及到将数学符号特有的专业术语和独特方法来将问题迎刃而解的方法就叫做建立数学模型的过程。仲崇贵、张德启[10]在“试论物理建模及其对学生能力的培养”一文中提出：为了达到能使既复杂又抽象的物理问题转化为简单而又能实效解决问题的目的，研究者们把这种解决方法叫做物理建模的过程。

周星运[11]在“中学化学建模的初步实践”一文中认为在化学教学实践中可以将化学的思维建模过程分为分析、建模、解模这三个系统的过程。

苏香妹[12]“提出了形式表达模型”和“数学模型”从文章可以看出，作者认为“形式表达模型”和“数学模型”在化学中有重要的应用。

陆军[13]在“新课程高中化学必修教科书中的科学方法体系”一文中提到：在化学教学中所牵涉到的模型指的是形象且直观的化学模型，它能将复杂抽象的化学概念转化为通俗易懂的化学语言，便于学生进行理解，常见的化学模有燃料电池构造示意图原子结构示意图、分子（球棍和比例）模型等。

综上所述，我们可感知化学模型的强大作用，它能化无形为有形，将学生对化学世界的感知上升到到一个新的层次，用简单的方法概括出重要的化学知识，化学模型无疑是在抽象概念和形象转化之间的桥梁，因此在化学教学中运用化学模型，会使得教学过程达到事半功倍的效果。

3 中学化学实施建模教学的策略 3.1具体化模型的构建 一般来说，不论是物理模型还是化学模型以及生物模型它们都能从侧面反映出模型的结构，以及从不同的角度展现出模型的特点。例如过氧化氢的模型，许多学生在看到“H202”这个化学式以后，通常以常规的思维会把他认为是非极性分子，但是再用化学模型展示出过氧化氢的模型后，能够让学生清晰的意识到过氧化氢分子中的氢键并不是对称排列的，因此过氧化氢分子具有极性，是极性分子[14-15]。

制作物质模型的过程中需要注意的是，我们应该遵从化学模型的基本特征来进行制作，需要注意以下四点：
一、 模型需要更加的接近真实情况。

二、 模型要容易制作和便于理解。

二、 模型的最终效果要清晰、直观且容易操作。

四、 模型要坚固耐用。

其次，在教师讲解模型的过程中，可以示范模型的拆卸与组装，从而加深学生对制作模型的认知和理解，有条件的学校还可以购买模型的原材料，让学生动手，亲自进行实践，更能让学生对化学模型的印象变得深刻，帮助学生解决化学问题，还可以提高学生学习化学的兴趣，达到教学目标。

3.2建模教学的实施策略 通过对教学的理论依据的参考以及王滋曼[16] 在建模教学的过程中提出：面向全班的学生，我们应该应从“小”做起的想法，再加上对建模教学的实践之后，对于高中化学建模中的实施策略我们可以总结为以下几点：
（1）
通过探究实验来推进学生对于模型的理解和建构；

（2）
通过建立简单易理解的模型来帮助学生在学习的过程中便于理解以及能用合适的方法来运用模型达到解决问题的效果；

（3）
通过建立正确的阶梯模型指导学生进行分析问题、推理解题。

4 建模思想在化学教学中的应用 4.1建模思想在概念教学中的应用 著名吉尔伯特(Gilbert)[17]曾经说道：在进行科学的探究过程中就是不断实践进行思维建模的过程，但是进行科学的学习就需要不断地挖掘建模思想的精髓，由此可见，在化学教学中尽可能多地使用建模教学无形中为学生的化学学习打下坚实的基础，其次，我们还学要寻求更适合于学生的方法去疏导和帮助学生建立解决问题的正确模型，最终实现学生在学习到基础的科学知识之外，还可以领悟到其他不同学科解决问题的策略。

就化学而言，化学知识概念是学好化学的灵魂，而有坚实的基础理论是延伸化学学习的重要核心。不得不说化学概念理论相对来说就比较难以理解，那要采取什么样的有效措施才能让学生学习到最精髓的化学思想呢？可以分为三点：一、整理和建构出完备的化学概念模型；
二、转变学生原有认知方式；
三、发挥概念原理的认识功能。根据以上三点从而实现更加有力度地帮助学生在学校的过程中建立核心的化学观念以及基本的科学研究思想，从而提高学生的思维模式，最终解决问题。

4.1.1建模思想在化学性质中的应用 为全面提高学生的科学素养，良好的发展平台进一步构建研究物质性质的思维模型，增强学生在现代信息社会以及未来社会的适应能力，从而实现我们研究的最终目的。

例：通过实验探究讨论、分析、推理金属的化学性质 在九年级化学介绍金属物质的化学性质时，通过实验、讨论、分析、推理，归纳出金属物质的化学性质。如下图所示：
金属与氧气O2反应 与O2发生反应：3Fe ＋2O2 ===Fe3O4 在空气中发生反应：2Mg＋O2===2MgO Mg ＋2HCl===MgCI＋H2↑ 能与酸发生反应的金属：
金属的化学性质 Zn＋2HCl====ZnCI2＋H2↑ Fe＋2HCl====FeCI2＋H2↑ Cu与稀盐酸不发生反应 金属与酸发生反应（稀盐酸或硫酸）
不能与金属发生反应的金属：
Fe＋CuSO4==FeSO4＋Cu 金属与盐溶液发生反应：
Cu＋2AgNO3===Cu(NO3)2＋2Ag 通过对上述实验的分析，我们得了出金属的活动性顺序表，通过实验中的结果得知：活泼性较强的金属物质可以把活泼性较弱的金属物质从他的盐溶液中置换出来。而对于其它金属性质的探究来说，显得更加容易，例如对金属物质钠的化学性质的探究得到以下结果。

（1）通过实验，发现金属钠容易与O2发生反应。

在常温下生成氧化钠的是白色：4Na+ O2 === 2Na20 产生认知冲突：在加热条件下,又生成淡黄色的物质？ 解释原因：加热以后，生成过氧化钠（淡黄色）。

修正原模型：2Na + O2 ==== Na2O2 金属钠不仅能与酸发生反应生成H2,与H20反应生成H2。

2Na + 2HC1 === 2NaC1 + H2↑ 2Na + 2H20 ===2Na0H +H2↑ （2）拓展思维：钠还与含有-0H的物质发生反应生成H2。

2Na +2C2H5-0H === 2C2H5 -0Na + H2↑ 2Na +2CH3CH2C00H === 2CH3CH2C00Na +H2↑ 这里有让学生产生认知冲突的地方：钠在投入CuS04溶液中的时候，为什么仪器中红色的铜没有出现？ 这个需要说明一下原因：是由于金属物质钠的性质相对活泼，在投入盐溶液的时候，金属物质钠与水反应，再与溶质反应。所以在Na与CuS04溶液发生反应时，钠是不能置换出单质铜的。

然后我们修正模型：2Na +2H20 + CuS04 = Cu(0H)2 + Na2S04 + H2↑ 案例评析：通过上述实例，我们可以看出建模思想显得尤为重要，打破了对于原本物质的常规认识，最后加深了对所学的建模方法的灵活应用，也加强了建模思维模式的认识。

4.1.3建模思想在化学计算中的应用 化学科学的计量中为什么引入“物质的量”？阿伏伽德罗常数NA是如何推算出来的？利用物质的量的概念，如何换算物质的质量、体积和微粒数？ （1）建模 ：各量之间的关系 ÷摩尔质量（M）
物质的质量（m）
×摩尔质量(M) 物质的量（n）
×阿伏伽德罗常数NA ÷阿伏伽德罗常数NA 物质的微粒个数 （N）
（2）应用模型以下说法中正确的答案是（ ）
注：NA为阿伏伽德罗常数 A、标准状况的条件下，22.4LCH3Cl与CHCl3的混合物含有分子的数量为NA。

B、Mg、Al为电极，NaOH溶液是电解质溶液构成的原电池，导线上流过NA 电子，可以得出正极放出氢气的体积是11.2L。

C、在1mol甲基（-CH3）原子核外，存在9NA个电子 D、在1mol的Na2O2中，存在2NA个阴离子 问题解析：A.CHCl3是液体，无法计算故是错误的。

B.没有具体指明是否为标准状况，所以无法求出正极放出氢气的体积就是11.2L。

D.1mol的Na2O2有NA个阴离子。

正确答案:C 5 结论与展望 5.1研究结论 本次研究结合文献以及采用了调查问卷等多种调查方式进行研究。研究成果和研究的意义可总结为：本研究将建模教学应用于高中化学教学实践中，进行了为期三个月的教学实验，具体体现在：
建模思想使得“教与学”有效的结合、建模教学重视帮助学生构建抽象模型、建模教学改变了教师的教学观念。建立模型的思维方法就是对研究对象从模糊的现象中抽象出其本质特征，并用适当的文字、线条、图形等方式呈现出来，从而以简化和理想化的形式去再现原型的各种复杂结构、功能和联系的一种科学思想。相对于书本知识来说，建模可以更直观的去理解，同时还可以对原本的知识进行联想，开拓学生的思维能力等。相对于传统的教学模式，建模教学是未来教学模式的发展趋向。

5.2展望 本次研究的教学模式主要提倡的是：以培养学生学习化学的巧妙思维以及提升学生化学科学素养的情感发展为核心。建模教学并非是一种万能的教学模式，因此，教师在运用时应该以教学内容和学生的实际学习情况为基础，从而对教学模式做出适当的调整，以形成适应教师特性、同时又兼顾学生的个人情况的教学模式，最终达成最佳的学习效果的目的。

参 考 文 献 [1] Hodson, Derek. Learning Science, Learning about Science, Doing Science: Different goals demand different learning methods[J]. International Journal of Science Education, 36(15):2534-2553. [2] 朱立峰. 化学思维方法[M]. 广东：广东教育出版社, 2013: 277-278. [3] 袁野. 高中生化学问题解决中建模能力的研究[D]. 扬州:扬州大学, 2009. [4] 陆余平. 以化学建模方法设计《气体摩尔体积》教学过程[J]. 教学设计, 2007(7):43-44. [5] 张君梅. “建模思想”在化学解题中的应用[J]. 中学课程辅导(江苏教师), 2011(8):46. [6] 王后雄. 化学方法论[M]. 长沙:中南大学出版社, 2003. [7] 王敬义. 建模思想在化学学习中的几种应用[J]. 中学化学教学参考,2007(3):20-21. [8] 贺建勋. 建模与数学模型[M]. 福州：福建科学技术出版社, 1995. [9] 叶其孝. 中学数学建模[M]. 长沙: 湖南教育出版社, 1998. [10]仲崇贵,张德启. 试论物理建模及其对学生能力的培养[J]. 物理教师,2001(2):22. [11] 周星运. 中学化学建模的初步实践[J]. 湖南教育,2005 (14):56-61. [12] 苏香妹. 建模思想在高三化学复习中的应用[J]. 化学教育,2006(2):34-35. [13] 陆军. 新课程高中化学必修教科书中的科学方法体[J]. 中学化学教学参考,2007 (7):36-38. [14] 杨红梅. 《化学与生活》课程实施状况个案研究[D]. 长春:东北师范大学, 2010. [15] 曾汉泰. 自制化学模型对中学生创新能力培养的实践探索[J]. 化学教育,2004(12):45-47. [16] 王滋曼. 化学建模教学课程设计的初步探索[J]. 中学化学教学参考, 2006(7): 25-26. [17] Gilbert5 S.W. Model building and definition of science [J]. Journal of Research in science teaching, 1991(28) :73-79. 附录1 建模在化学教学中的应用调查问卷 尊敬的老师：
您好！感谢您在百忙之中抽空填写这份问卷，为了能充分了解建模思想在化学教学中应用的基本实施情况，进而为设计科学合理的建模方法提供一些建议及模型，特制定本调查问卷，希望能得到您真实有效的反馈数据。本问卷不需署名，结果仅用于学术研究，谢谢您的支持与帮助，祝您工作顺利、一切顺心！ 1、您所任教的学段是 A、初中 B、高中 2、您所在的学校是 A、市直属重点 B、区重点 C、县重点 D、一般学校 3、您认为在化学教学中采用建模思想重要吗？ A、不重要，大多时候几乎不使用 B、重要，几乎有涉及到的内容都会采用 C、无所谓，不使用 D、需要的时候使用 4、在化学教学中使用模型教学会降低教学效率，您对此的观点是：
A、非常赞同 B、比较赞同 C、不太赞同 D、非常不赞同 5、您在核心素养背景下的“模型认知”教学中，所面临的困难是：
A、对模型的本质认识不足 B、缺少可借鉴的模型或者示例 C、没有明确的设计思路 D、缺乏选取恰当教材的经验 6、您认为模型的本质是什么？ A、模型是对原型本质的认识 B、模型是原型的复制品 C、模型即成比例缩小的实物 D、不确定 7、您认为模型可以表示的对象是：
A、模型可以表示某个过程 B、模型可以表示某个事件 C、模型可以表示某个系统、体系 D、模型可以表示某个物体 8、采用模型认知进行教学设计，您认为要让中学生怎么做：
A、借助模型理解抽象的概念 B、亲自经历模型的建构过程 C、借助化学模型了解化学史实 D、体会模型认知、科学思维 9、您认为中学化学教学过程中教师建构化学模型的条件是：
A、以精确的实验和丰富的观测材料为依据 B、发挥想象力的创造作用 C、在明确的科学理论指导下，应用各种思维方法检验 10、您对模型建构问题在教学实施中的评价是：
A、教学很耗时，不容易考核，教学意义不大 B、能给学生体验科学研究的空间 C、对学生的思维、方法意识要求较高，教学中不易控制 D、技术上存在局限 11、您认为下列课中适合采用模型认知进行教学的是：
A、课前预习 B、新课教学 C、复习课 D、练习课 12、教材中的化学模型，对您的教学活动是否具有策略性的指导意义：
A、非常有 B、有一点 C、基本没有 D、根本没 13、您在应用模型认知教学的过程中，同时运用了下列哪种思想：
A、观察实验 B、联想类比 C、分析综合 D、数学方法 14、采用模型认知进行教学，您主要的教学目的是：
A、把一些原理解释得更加清晰 B、使一些抽象的概念具体化 C、作为一种教学策略，完成教学任务 D、培养学生的科学思维方法 15、您认为模型认知对学生最主要的作用是什么：
A、能够提高学生的学习兴趣，培养学生的动手能力 B、使学生觉得化学更有趣 C、帮助学生进行概念转变，有助于学生理解科学本质 D、便于学生理解抽抽象事物 附录2 建模在化学教学中的应用调查问卷 亲爱的同学：
你好。我们想知道你们对化学学习中应用“建模思维”的一些真实的想法。请你仔细阅读每一题，细心作答。本问卷仅供教学科研 需要，对你的学校及本人无任何影响。所以你不必顾虑，只需你的认真、客观、公正，将你的真实和想法如实作答。非常感谢你的合作和支持。

所在学校：
所在班级：
1、你喜欢上化学课吗？ A、非常喜欢 B、比较喜欢 C、一般 D、不喜欢 2、你有听说过或者了解过数学建模、物理建模、或者化学建模吗？ A、非常了解 B、比较了解 C、不太了解 D、不了解 3、在学习过程中，你会运用建模思想来帮助解题吗？ A、经常 B、有时 C、极少 D、从来都不用 4、你喜欢应用建模思维来解答相关的化学问题吗？ A、非常喜欢 B、比较喜欢 C、不太喜欢 D、很讨厌 5、你认为化学模型是什么？ A、化学模型就是化学思维体系 B、化学模型就是实物模型 C、化学模型不是很了解 D、化学模型的形式多种多样 6、在化学课堂教学中，老师会提供情景素材（如图片、实际问题等）吗？ A、经常 B、偶尔 C、极少 D、从不 7、将化学模型的呈现形式按照你的喜好程度进行排序：
A、实物模型（如比例模型、球棍模型、等）
B、语义模型（如金属活动性顺序、方程式书写步骤等）
C、数学模型（如化学中的数学公式、化学平衡常数、溶解度曲线等）
D、图像模型（如原电池结构示意图、原子结构图等）
8、在课堂上，你希望老师利用实物、图像、公式、口诀等进行化学教学吗？ A、非常希望 B、比较希望 C、不希望 D、无所谓 9、在化学模型的建构和学习中，你认为获得知识和参与活动哪个更重要？ A、获得知识 B、参与活动 C、二者兼顾 D、不清楚 10、你认为统一模型可以用于不同的对象吗？ A、非常符合 B、符合 C、不符合 D、非常不符合 11、你的老师在化学教学中常常以物质模型作为教具来解释一些概念、原理吗? A、非常符合 B、符合 C、不符合 D、非常不符合 12、当上化学课时，你喜欢老师采用哪种方式进行教学？ A、老师直接讲解 B、老师指导，小组讨论 C、小组自主探究 D、老师指导，自己思考 E、其他 13、你认为在化学学习中，以下哪些方面的培养是最重要的？ A、学习能力 B、化学知识 C、科学态度 D、实践应用 D、思想品质 E、其他 14、用简洁的语言描述建模对化学教学有哪些重要的作用？ 15、在所学的科目中你认为有运用到建模教学的有哪些？（请列举相关实例）