化学概念原理教学与理想化方法教育_化学论文

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理想化方法是自然科学研究中的一种重要科学方法。理想化方法，包括理想模型的建立和理想化实验的设计[1]。在化学科学发展的历程中，许多概念、原理都是运用理想化方法进行研究所取得的成果。例如，各种原子结构模型、原电池模型、杂化轨道形成过程的模型、反应速率的有效碰撞理论和过渡态理论都是理想化方法研究的成果。这些概念和原理的教学，要从理想化方法运用的视角进行介绍、讲解，帮助学生认识这些概念原理的形成过程，以正确地理解和掌握化学概念和原理，了解理想化方法在化学科学研究中的重要性。

一、从理想模型建立的视角看待和处理化学概念和化学原理的教学

理想模型是为了便于研究而建立的一种高度抽象的绝对理想的形态或客体。它是对客观真实的一种纯化的近似的反映。通过对理想模型的研究得出结果，可以推论到实际的研究对象，更本质地认识研究对象。

（一）理想模型是对客观事物的近似反映

理想模型在现实中不存在，但它是以客观存在的事物为原型的，即来自于实际事物，又不等同于事物本身。它并不需要全面反映事物多方面的属性，而是反映研究对象的主要属性和特征，是对客观事物的近似反映。理想模型具有客观性，也具有科学的推测性和类比的形象性。运用理想模型进行试验和研究，可以减少干扰因素，直接深入研究对象的本质，使研究更为有效。通过理想模型，可以建立反映研究对象主要特性的科学概念。

例如，理想气体忽略了气体分子本身的体积和气体分子间的作用力，运用它来研究气体的性质，可以反映实际气体在一定条件下的最一般的性质。运用理想气体模型研究气体体积和外界压强、温度的关系，可得到理想气体状态方程，这在气体性质研究上得到广泛的应用。当然，由于实际气体和理想气体并不完全等同，在某些实际应用中需对理想气体状态方程做适当修正，纠正可能产生的偏差。

（二）理想模型建立在客观实在的基础上

理想模型不是完全虚构的，事物原型是它的客观基础，它是原型的高度抽象和近似反映。理想模型建立在实验和经验事实的基础上，是以科学原理为指导，通过合理想象、逻辑论证和科学抽象得到的。

例如，杂化轨道形成的模型就是建立在人们对某些物质分子（例如甲烷、乙烯、乙炔分子）中原子的连接方式和相对空间位置的认识和近代共价键理论的基础上的。碳原子外层只有一对成对的2s电子和两个未成对的2p电子，而甲烷分子中，碳原子却可以与4个氢原子，形成4个能量相等的共价键，且4个价键分别指向正四面体的四个顶点。依据这一事实，鲍林设想碳原子是采取

杂化形式和氢原子结合。即碳原子形成四个

杂化轨道，分别填充着一个自旋平行的单电子，可以与四个氢原子的自旋相反的电子成键。

（三）同一客观实在，可能会建立不同的理想模型

把一个实际问题抽象成什么样的模型，要综合考虑所要表征问题的目的、性质、程度。同一事物可能建立多种模型，各自从不同角度反映事物的本质特征。不同的模型有一定的运用条件和适用范围。例如，原子核外电子的排布的理想状态，可以用结构示意图、电子排布式、轨道表示式、电子式来表示。分子结构的理想模型，可以使用球棍模型、比例模型、路易斯式、结构式、键线式、锲形式表征。在教学中要帮助学生体会各种模型都不是原子分子的实际形状，只是表达了依据近代价键理论提出的原子或分子结构的一些基本要素，强调显示某一个方面的特点。它们从不同角度，帮助人们建构原子、分子结构的有关知识，使人们对物质微观结构的认识更完整、更科学。

（四）理想模型是不断修正更新的

理想模型是在一定的历史条件下提出的。随着时代的进步、科学的发展，理想模型会得到进一步的修正和更新[2]。随着实验手段和技术的完善，科学研究水平的提高，人们会不断发现新的科学事实，暴露出原来提出的理想模型的局限性或某些不足，新的理想模型、新的科学理论也随之诞生。从1803年道尔顿的实体原子模型到上世纪30年代前后形成的量子力学模型，多种原子结构模型的演进，无一不是一代又一代的科学家在前人研究的基础上，取得突破的。又比如，金属晶体结构的研究，先后出现了“自由电子晶体模型”（晶体点阵结构中掺杂着可自由移动的电子）、“准自由电子晶体模型”、“束缚电子晶体模型”（电子在离子场中运动）、金属晶体的能带理论。金属晶体模型愈趋成熟，为科学研究提供了更有力的理论指导。

在化学教学中，帮助学生了解理想模型的提出和更新，对提高学生科学素养具有重要意义。学生可以从中体会理想模型在科学研究中的重要作用，深刻理解事物的本质属性和运动变化的规律性，促进学生想象力和逻辑思维能力的发展，更深刻理解科学的本质，形成实事求是的科学态度。

二、从理想实验的设计认识理想化方法在探究化学变化中的作用

理想实验的设计和运用是科学研究中常见的一种理想化方法。理想实验也称假想实验、抽象实验、思想实验。它以真实的科学实验为基础，以已有的化学基本概念和基本观念、原理和逻辑思维法则为依据。理想实验的设计是从客观事物的主要矛盾或特性出发，忽略次要矛盾和次要因素，用思维来展开实验过程，以便对研究对象做深入的分析，揭示事物在理想化实验条件下的变化本质或规律。

（一）理想实验有助于揭示事物的变化本质与规律

理想实验又称为假想实验、抽象实验，不是真实的实验。它是人们在科学实验的基础上，把实际实验的实验条件和研究对象简化、纯化，使之理想化、抽象化，借助逻辑推理和形象变换，在思维中、在理想化状态下进行“实验”。和真实实验相比，它可以在最少干扰和影响的条件下，突破现实科学技术水平的限制，概括出研究对象的特点和本质，取得探究事物变化的突破性进展。研究化学变化发生的过程和规律，需要观察、研究原子、分子的运动和变化。在多数情况下，无法进行相关的真实实验，需要运用理想实验进行研究。理想实验可以在思维中运用理想模型来塑造事物运动变化的理想过程。由于研究过程作了简化、纯化，可以方便地进行逻辑推理，更易于揭示事物的变化本质或规律。

原电池模型，金属的吸氧、析氢电化腐蚀模型，从正逆反应速率的变化分析化学平衡的建立等等都是理想实验。钢铁吸氧、析氢腐蚀发生过程的理想实验，从钢铁在潮湿空气中发生腐蚀生成铁锈（以氢氧化铁为代表）的事实和条件出发，联系氧气、铁、碳的化学性质，依据原电池反应原理，运用思维方法，通过想象，分析推演变化的过程：钢铁表面水膜溶解的氧气和钢铁中的碳和铁，形成了许多微电池。铁原子失去电子，转化为亚铁离子。电子转移给碳，水膜中的氧气分子在碳上结合电子，形成氢氧根离子。亚铁离子和氢氧根离子结合成氢氧化亚铁，并进一步氧化生成氢氧化铁，发生吸氧腐蚀。当钢铁表面水膜酸性较强时，氢离子在碳上结合电子析出氢气，发生析氢腐蚀。这两种理想化实验中，想象在铁发生氧化的同时，或发生氧气的还原或发生氢离子的还原。把电化腐蚀过程的吸氧和析氢过程纯化、分别论述，帮助学生运用原电池反应原理比较清晰地感知、理解金属电化腐蚀发生的本质原因。

事实上，钢铁表面在空气中凝结的水膜一定含有溶解的氧气，吸氧腐蚀的发生是不可避免的。在水膜呈酸性的情况下，析氢和吸氧腐蚀都同时存在。只有水膜酸性较强时，析氢腐蚀速率较快，才成为腐蚀的主要因素。不能机械地认为钢铁表面有酸性水膜，只发生析氢腐蚀。钢铁发生腐蚀的趋势、程度、速率和环境温度，水膜的电解质成分、酸碱度、氧气浓度，钢铁中的杂质等因素有关。钢铁的化学腐蚀、吸氧腐蚀、析氢腐蚀并非相互对立，相互排斥的。在很多情况下金属的几种腐蚀可以同时存在。运用理想实验帮助学生形成概念、理解反应原理的例子在中学化学教学还有很多。在教学中，要帮助学生认识理想实验的特点和局限性，帮助学生正确理解化学概念和化学原理。

（二）理想化实验的思维成果需要真实实验的检验

和理想实验不同，在化学教学中经常进行的演示和学生实验，是真实的实验。虽然真实实验也需要将研究对象做一定程度的“简化”和“纯化”，以突出显示或强调某种事物变化过程的特征。但是，真实实验是真实的实践活动。理想实验只是在深入分析物质及其变化的主要矛盾和主要因素的基础上，用严密的推理、演绎进行“实验”。理想实验可以完全排除次要的或干扰的因素。而真实实验，由于条件的限制，对研究对象的简化和纯化是有限度的，不容易甚至不可能完全排除次要的或干扰的因素。

例如，进行伏打电池的实验，由于锌电极的纯度等因素的影响，锌板上不可能没有氢气析出。由于存在热效应和电阻，不可能使化学能完全转化为电能。而在理想实验中，可以想象锌电极上的电子全部通过外电路移向铜电极，转移给氢离子，在铜极板上析出氢气，氧化还原释放的化学能完全转化成电能。

理想化实验不是毫无依据的凭主观臆造事物的变化过程和现象，可以在逻辑上做证明和反驳。但是，理想实验不能代替真实的科学实验，所得出的结果也还需要用真实的科学实验来检验。例如，为了探究用砂纸打磨过的镁条为什么在氯化铵溶液中比在热水中反应更剧烈。运用理想实验做逻辑推理，可以做两种想象和推理：（1）氯化铵的铵根离子在水中发生水解反应，使溶液呈酸性，氢离子浓度大于水中的氢离子浓度，使金属镁和氢离子的反应变得剧烈；（2）在水中，镁和水反应生成难溶性的氢氧化镁覆盖在镁条表面，阻碍了反应的进行。在氯化铵溶液中，铵根离子可以和氢氧化镁溶解形成的微量氢氧根离子结合成难电离的一水合氨，使氢氧化镁溶解平衡向溶解方向移动，水和镁的反应得以继续进行。两种理想实验的结论，都符合逻辑。哪个结论更符合实际？用真实的实验可以做检验。比如，若事先在氯化铵溶液中滴加2～3滴酚酞试剂，加入去除氧化膜的镁条。在反应液呈现红色后（即反应溶液从酸性变为碱性），仍然可以观察到镁在溶液中有显著反应并析出氢气。真实的实验显示，氯化铵溶液的酸性，不是或不完全是镁条和氯化铵溶液能发生显著反应的原因。

（三）中学化学教学运用的真实实验也存在理想化色彩

化学教学中运用的真实的化学实验，可以呈现化学变化发生的过程、现象，揭示变化的本质和规律。在教学中为了突出呈现变化的主要过程、主要现象和主要特征，往往需要忽略次要的特征或因素，防止次要或非本质现象对教学的干扰。为此，在真实实验的设计或操作中，要对研究对象加以合理地简化、纯化。使研究对象在比较纯粹的状态下表现出它的本质特征，揭示研究对象的本质属性和变化的固有规律，帮助学生形成科学概念。例如，要避免使用不纯、能产生干扰作用的试剂；要严格控制反应条件；实验装置力求简单，并有利于显示特征的变化现象。有时，还要注意把学生的注意力引导到观察、分析主要的现象和问题上来，避免次要的或能干扰正确概念形成的因素的影响。

在一定条件下进行的近乎理想化的真实实验，其结果或结论也不能无限推广。例如，通常进行的石灰水和二氧化碳气体作用的实验，使用的石灰水并不是饱和的，石灰水和二氧化碳气体作用生成的

不太多，继续通入的二氧化碳可以使之完全转化为

而全部溶解。如果使用的二氧化碳气体直接来自气体发生器（未经水洗），含有酸雾，碳酸钙沉淀更易被完全溶解。实验显示，第一步反应生成的碳酸钙沉淀完全消失，鲜明地显示二氧化碳气体能和

反应生成可溶于水的

。但是如果依据这一实验，作出“在饱和石灰水中，通入二氧化碳气体，能生成白色沉淀，继续通入二氧化碳气体，沉淀会逐渐消失，得到澄清溶液”的结论，就不符合实际。通过实验和简单的计算可以证明，在使用饱和石灰水和纯净不含酸雾的二氧化碳气体进行实验的条件下，过量的二氧化碳气体虽然可以和第一步反应生成的碳酸钙作用，生成可溶性碳酸氢钙，但并不能使生成的

完全转化为

，沉淀不会完全消失，得到澄清的溶液[3]。

（四）真实实验和理想化实验的结合是帮助学生学习化学概念和化学原理的有效方法

在一般的实验条件下，无法通过真实的实验观察分析微观离子的运动变化。需要设计、运用理想化实验或者把真实的实验和理想化的实验结合起来，做分析研究。把真实实验和理想化实验结合起来，依据已知的化学知识和真实实验的现象，运用理想化实验方法做想象、推理，可以在微观层次上对物质变化获得更深入或更本质的认识。

例如，通过真实实验，研究