建模思想与解决化学问题能力的培养，本文主要内容关键词为：建模论文,能力论文,思想论文,化学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
近年来，全国化学高考试题和“3+X”综合科目的考试特别强调学科间知识的融合，其中信息题是最突出的表现。这些试题能较好地考查学生的综合素质，特别是考查学生面对自己不熟悉的事物通过对信息的获取、理解、分析、综合，得出答案的独立自主和应变能力，这类问题的解决常常是建模思想的应用。
二、建模思想在教学中的应用
建模就是构建认识问题和解决问题的思想模型，是一种理想化的思维形态，是一种科学思维方法的简约化。科学家们在认识问题、解决问题的过程中，通常都要建构思维模型，即通过简化、类比、抽象等手段，把研究对象从模糊的现象中抽象出其本质特征。用建模思想解决化学问题，就是将所认识或待解决化学的问题建构为概念或数学、物理关系。模型思想在化学教学中的应用是很广泛的，一个概念、一条规律、一种反应类型、一个假设体系等都可以成为一个思想模型。
在教学中运用建模思想，应尽可能通过所提供的问题使学生处于陌生情景，促使他们利用原有的知识基础，提取、加工、理解新情景下的信息，提出解决问题的方案、策略，形成知识、发展知识，找到解决问题的模型。在这样的思维训练过程中，使学生解决化学问题的思维能力得到发展。
三、用建模思想培养解决化学问题能力的实践
这里结合实例介绍运用建模思想认识化学概念和原理，通过学科内及学科间知识融合的训练，培养解决化学问题能力的实践。
1.运用建模思想认识化学概念和反应实质
学习元素化合物知识主要是理解各类物质发生化学反应的实质并加以应用。在教学中，我们要尽量避免将各个化学反应孤立地传授给学生，应该在一定条件下概括出各类化学反应的模式即反应模型，让学生觉得有规律可循。
比如，加聚反应可通过下列具体的化学反应方程式概括成反应模型。
具体反应：
这样，碰到
合成有机玻璃时，学生就可以迎刃而解。寻找反应模型的思维方式，利于培养学生从具体到一般的概括能力，使学生在较高层次上理解反应的实质，从而有利于对所学知识的灵活应用和思维能力的提高。
2.选择和编制学科间知识融合的习题训练
例1 氯只有
两种同位素，二者在氯气中的原子数之比为3:1。则相对分子质量为70、72、74的氯分子数之比可能为（）。
A.5:2:1B.5:2:2C.9:3:1D.9:6:1
该题是一个典型的运用数学方法解决化学问题的综合题。由氯元素的相对原子质量为35.5。可求得的原子数之比为3:1。由于同位素的化学性质相同，自然界中各种含氯化合物中这2种原子的原子数之比都应为3:1，用天然物质制得的氯气中这2种原子的原子数之比也应是3:1。氯分子由2个氯原子结合而成，3种氯分子数之比应为氯原子结合成氯分子的概率之比。
可见，当n→∞时，lim(P1:P2:P3)=9:6:1，即相对分子质量为70、72、74的氯分子数之比为9:6:1。
解法2：上述氯原子结合成氯分子的过程与生物学中配子结合成合子的过程相似，因而可用生物学配子组合的模型来解决（如下表）：
从上表可以直观地看出相对分子质量为70、72、74的氯分子数之比也为9:6:1。本题是运用建立数学模型，解决化学问题的典型试题。数学模型是思想模型的一个较高层次。将具体的化学问题转换成数学模型，需要进行一系列的观察、分析与综合等思维活动。这种思维方式的应用，有利于提高学生的抽象思维能力。
例2 HI是一种较为常见的物质，试就HI的有关内容回答下列问题：
(1)将金属银投到HI的水溶液中，会观察到有气泡产生，经研究发现该气体为
。该反应能够发生的原因是_____。
(2)HI分子时刻都在运动，氢、碘原子各自在乎衡位置附近振动。小明将结构简单的HI分子想象为键两端有2个离子，如同2个不同质量的小球在弹簧两端做振动一样（如图所示），并忽略了
的运动。
请你判断：
①在此模型中，小明忽略的运动____（填“是”或“不是”）合理的，原因是______（要求有简洁的计算过程）。
②如果运用小明提出的模型，还需要添加一条假设。试问：该假设是______。
(3)对于可逆反应
，若将反应体系降温至室温，反应将向______（填“正反应”或“逆反应”）移动，原因是______。
(4)根据碰撞理论，分子间的碰撞是化学反应的前提。小明试着研究的化学反应速率与HI浓度之间的关系。他通过思考，提出如下假设：
①设现在有n个HI分子（n是一个很大的值），第一个HI和其他HI分子碰撞(n-1)次，第二个HI和其余HI分子碰撞(n-2)次，……，依此类推。
②单位体积内n个HI分子可用浓度
表示；分子碰撞的次数与反应速率成正比。
请你预测：小明推算出的该化学反应速率v与的关系式为____。
分析：本题是以HI分子的结构和性质为知识载体，考查了HI的化学性质、化学动力学等方面的知识。从表面上看，该题虽然具有极强的综合性，但主要考查化学知识。实际上，要能圆满地解答此题，其关键是要首先建立好数学和物理模型。
(1)问考查HI的化学性质。我们在判断金属与酸反应时，总是选金属活动顺序表加以判断。一般来说，这种思路是正确的，但对此题不适用。Ag与HI反应放出氢气已成事实，化学反应之所以发生，是由于生成了难溶于酸的AgI沉淀。因此使HI的电离平衡发生了移动。化学中经常有此相似的特点。如：化学反应中有强酸制备弱酸的规律，但有时存在着与此规律相反的例子，
。
(2)问是判断提出假说的科学性和合理性。即使在很低温度下，HI分子中氢、碘原子各自在平衡位置附近振动，就像一根弹簧两端连有2个小球一样，拉开或挤压弹簧，这种建立的物理模型有其科学性。
。
(3)问是对勒沙特列原理的具体应用，试题中好像温度、压强等都不甚清楚，事实上我们是可以判断的。从压强入手：当温度降低到室温后，
由气态变成了固态，体系的压强降低，平衡向HI分解的方向移动。
从温度入手：在学习元素周期律时，我们知道了卤素氢化物的生成和分解。由于
的反应需要不断加热，才能够生成少量的HI，同时生成的HI气体又可以分解成
，故可判断HI的分解是放热反应。根据勒沙特列原理，我们也得到温度降低后，反应将向HI分解方向进行。
(4)问是数学、物理模型的综合应用。由于化学反应的快慢与反应物分子间的碰撞有很大关系，若分子碰撞的机会多，产生活化分子的几率就越大，反应就越快。同时，碰撞的总次数正比于宏观上表现的反应速率的大小。因此，上述假说有其科学性，我们可以根据数学知识先求出分子碰撞的总次数：碰撞总次数按等差数列加和：碰撞总数项数（首项＋末项）
。这样，我们得出了化学反应速率与HI浓度的数学表达式。实验证明：该表达式是正确的，HI的分解是一个二级反应。这说明小明的假说成立。
(5)问是对假说做出评价。然而，每一种假说都有其局限性，很少有一种假说能涵盖该知识的全部，因为微观世界是极其复杂的。本题的假说与实际反应速率两者相差近
倍，这表明小明的假设存在着缺陷，还需要进一步改进。
首先，该假设仅从能量的角度看（它可分为弹性碰撞和非弹性碰撞），而没有考虑碰撞的方位问题。既然是碰撞，就可以正碰也可以侧碰，不同方向碰撞，化学键断裂情况是不同的。
其次，没有考虑到HI分子间的相互作用力。在系统中，不可能存在一个个孤立的HI分子，它们之间必然会互相牵制。这样，不能完全采用类似物理中的“隔离法”，但总的说来，该假说是正确的，毕竟分子间的作用力较小。
因此，本题对于化学研究性学习、用建模思想思考问题、解决问题提供了一个很好的模式。
总之，运用模型思想，能使学生突破感官和时空的局限，充分发挥他们的想象、抽象和推理能力。应用这种思维方法，可以拓宽学生的思维领域，从而提高学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。