化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)下的認(rèn)知模型構(gòu)建及其應(yīng)用

侯帥帥，姚成立

（合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽合肥230601）

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)包括宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識和科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任五個方面[1]。其中模型認(rèn)知要求學(xué)生通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。人們在認(rèn)識宏觀世界或探究微觀粒子的過程中，對問題模型化的思想，一直都在有意識或無意識地應(yīng)用[2]。目前中學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)面臨著繁重的任務(wù)以及各種升學(xué)考試的壓力，顯得很吃力，為此可以根據(jù)模型認(rèn)知的特點讓化學(xué)知識點模型化、解題題型化和知識點門類化，教師可在有限且較短的時間內(nèi)教授大量的化學(xué)知識；學(xué)生可以對知識進行靈活的構(gòu)建，做到舉一隅不以三隅反，可以極大提高教師的信心和學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

1 模型認(rèn)知與模型構(gòu)建

1.1 氣體溶于水可逆反應(yīng)模型

當(dāng)一些易溶于水的氣體溶解在水里，氣體分子會深入到水分子內(nèi)部，條件合適的情況下，部分分子就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的化學(xué)物質(zhì)。但是往往新生成的化合物極不穩(wěn)定，在受熱或壓強增大的情況下，又會分解成相應(yīng)的氣體和水，也就是說它們的反應(yīng)是不充分、不穩(wěn)定的，可正向也可逆向反應(yīng)，這就是典型的可逆反應(yīng)。比如氨氣極易溶于水，其中一部分氨氣分子會與水分子作用生成NH3·H2O，而NH3·H2O又會分解成氨氣和水，故用符號表征來表示這個化學(xué)反應(yīng)過程：NH3+H2ONH3·H2O，同理氯氣與水作用可以用符號表征為：Cl2+H2OHCl+HClO。生活中經(jīng)常喝的碳酸飲料里含有大量的碳酸，如果用力振蕩打開瓶蓋時，便會產(chǎn)生許多氣泡，該氣體即為二氧化碳，其中碳酸是由二氧化碳溶于水制成的，該過程可用符號描述為：CO2+H2OH2CO3，那么套用這個寫法模型，我們不難得出二氧化硫與水的反應(yīng)方程式：SO2+H2OH2SO3。此即為一些關(guān)于氣體與水可逆反應(yīng)的模型，我們根據(jù)這些模型便可以舉一反三得出一些未知氣體和水作用的基本性質(zhì)。學(xué)生們可以通過對比記憶記住這些相似的化學(xué)反應(yīng)方程式，化復(fù)雜為簡單，讓學(xué)習(xí)更高效、更有趣。

1.2 工藝流程圖模型

分析歷年高考化學(xué)工藝流程題，包括各省市自主命題的模擬試卷的題目，基本都有一個化工生產(chǎn)流程圖，其一般模型可用圖1來表示。

圖1 工藝流程圖題目模型

在解題的時候我們同樣可以建模，如圖2[3]。

幾乎考試試題答案里均會涉及到這些化學(xué)解題術(shù)語，在此解題模型中，不難得出此答案。在原材料預(yù)處理中，將塊狀固體粉碎成小顆?；蜓心コ煞勰?，酸浸能讓可溶性物質(zhì)溶解，實現(xiàn)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化分離。而在產(chǎn)品的分離提純中，蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、萃取分液則是經(jīng)常需要的操作。

【典型案例】目前世界上60%的鎂是從海水提取的。海水提鎂的主要流程如下：

圖2 解工藝流程圖題的一般模型

（1）從離子反應(yīng)的角度思考，在海水中加入石灰乳的作用是 __________，寫出在沉淀池的離子方程式__________。

（2）石灰乳是生石灰與水形成的化合物，從充分利用海洋化學(xué)資源，提高經(jīng)濟效益的角度，生產(chǎn)生石灰的主要原料來源于海洋中的__________。

（3）操作A是__________操作B是__________。

（4）加入的足量試劑a是 __________（填化學(xué)式）。

（5）無水MgCl2在熔融狀態(tài)下，通電后會產(chǎn)生Mg和Cl2，該反應(yīng)的化學(xué)方程式為_________。從考慮成本和廢物循環(huán)利用的角度，副產(chǎn)物氯氣可以用于_______。

（6）海水提鎂的過程，為什么要將海水中的氯化鎂轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸V，再轉(zhuǎn)變?yōu)槁然V？__________。

此題根據(jù)題型解法可以按如下思路解決：

核心步驟：首先海水中含鎂離子，但濃度較低，所以首先向海水中加沉淀劑使Mg2+形成Mg（OH）2沉淀從而富集鎂元素；其次把反應(yīng)后生成的目標(biāo)產(chǎn)物氫氧化鎂和殘余的雜質(zhì)溶液分離開，普遍采用過濾的方法，過濾恰好適用于固液分離，同學(xué)們在見到這種組合方式的時候可迅速聯(lián)想到過濾，從而寫出答案。再次溶解固體比較常用的試劑就是蒸餾水、酸溶液、堿溶液。氫氧化鎂顯然不溶于水，且一方面考慮到Mg（OH）2為中強堿，一方面又考慮到后邊的產(chǎn)物是氯化物，所以要選強酸氯化氫做溶解劑；再次若使溶液變成固體晶體，需要蒸發(fā)出大部分溶劑，采取加熱濃縮、冷卻結(jié)晶的方法析出晶體，但是晶體表面仍然殘余較多的雜質(zhì)，此時仍然需要采用過濾的方法除去晶體表面的殘留物。其中2019年高考理綜化學(xué)全國卷一的第27個題目就完全可以按照此模型很快地得出答案。

盡管從海水中提取物質(zhì)很復(fù)雜，但要設(shè)計成考試題，則必須要簡化處理，實際考查所涉及到單質(zhì)及其化合物的性質(zhì)。為了更方便地解決此類問題，圖3是對海水的綜合利用建模。

1.3 量筒量液讀數(shù)模型

圖3 對海水的綜合利用建模

用量筒量取一定體積的液體，多數(shù)情況下，對于自然靜置時上層液面為凹液面的液體，讀數(shù)時視線應(yīng)與液面的凹側(cè)水平相切，此時方能正確讀出液體的體積，而近些年來命題者往往圍繞這一知識點出題目，通過仰視和俯視導(dǎo)致讀數(shù)偏大或偏小的問題，那么怎么理解這種情況呢？比如說量筒內(nèi)有40 mL水，正確的讀法是視線與凹液面水平相切，讀出的體積應(yīng)為40 mL，但若俯視讀數(shù)視線向下看到的點在液面以上，所以讀數(shù)偏高而實際值則偏低，看到的刻度大于40 mL。若仰視的話，情況則相反，可以通過下圖視線的變化（圖4）[4]來表示。若教學(xué)時可以采用啟發(fā)式教學(xué)，讓學(xué)生按圖索驥動手探索自然靜置上層液面為凸液面液體讀數(shù)大小的情況。

圖4 視角變化對量筒讀數(shù)大小的影響模型

1.4 電極反應(yīng)方程式書寫模型

在人教版模塊一《化學(xué)反應(yīng)原理》書中，介紹了化學(xué)反應(yīng)與電能，其中情境素材建議中列出了鉛蓄電池、鋰離子電池等生活中常用的電池，欲解決電池內(nèi)部反應(yīng)原理問題，可以概括出4個步驟寫出電極反應(yīng)式，核心注意點分別如圖5。

圖5 電極方程式書寫的四個核心注意點模型

解讀：第1步，先確定好主體框架，主角原子（多數(shù)情況下為一些金屬原子）要守恒，同時加上得失電子的數(shù)目；第2步，添加配件（多數(shù)情況下為一些酸根離子），此時不考慮氫元素和氧元素；第3步，查看電荷守恒，依決于反應(yīng)的環(huán)境來搭配合適的氫離子或氫氧根離子；第4步，水到渠成，用左右邊添水的方式來控制氫氧原子數(shù)目的守恒。

如已知鉛蓄電池中發(fā)生的總反應(yīng)式為：Pb（s）+PbO2+2H2SO4（aq）＝2PbSO4（s）+2H2SO（1），請寫出放電時正負極反應(yīng)的方程式。

按照模型解題的方法解決正極反應(yīng)的解題思維如下：首先主體是二氧化鉛得到電子變成硫酸鉛，左右各有一個主角鉛原子已經(jīng)守恒，硫酸鉛里面的鉛是正2價，故寫成二氧化鉛得到兩個電子變成硫酸鉛，即PbO2+PbSO4，這樣就確定好了基本框架；其次容易觀察到二氧化鉛變成硫酸鉛缺少個配件——硫酸根離子，所以在方程式的左面加上一個硫酸根離子，PbO2+2e-+PbSO4，然后觀察方程式左邊多出了4個負電荷，因此需要左邊加上4個正電荷或者右邊加上4個負電荷相抵消，又考慮到此環(huán)境溶液為酸性溶液，所以在左邊加上4個氫離子就可以滿足電荷守恒，即PbO2+2e-+4H++PbSO4，最后左邊多了4個氫和2個氧，在右邊配上兩個水即水到渠成：PbO2+2e-+4H++PbSO4+2H2O。

于是得到：

正極：PbO（2s）+4H（+aq）+（aq）+2e-＝PbSO（4s）+2H2O（l）

同理只需兩步就可寫出負極的反應(yīng)方程式：

2 結(jié)束語

由于篇幅有限，在此只能介紹上述幾個化學(xué)知識和模型，在初高中化學(xué)知識中還有很多模型，比如守恒、數(shù)軸、圖像、元素周期表等就不一一列舉了。把碎片化的知識分類整合能夠使學(xué)習(xí)效果事半功倍。國內(nèi)學(xué)者楊久民等闡述了圖示在構(gòu)建碎片化知識中的高效性，國外著名教育家夸美紐斯在其著作《大教學(xué)論》中提出要尋找一種方法，使教師少教，但是可以使學(xué)生多學(xué)，這種方法應(yīng)該是以不變應(yīng)萬變的發(fā)散思維，運用多種靈活的方法進行教學(xué)，集思廣益，對零散的化學(xué)知識進行系統(tǒng)化。模型構(gòu)建正是基于以上教學(xué)理念的基礎(chǔ)上在當(dāng)今的課程教學(xué)中發(fā)揮舉足輕重的作用。踐行學(xué)科核心素養(yǎng)中的模型認(rèn)知，可以讓教學(xué)更高效，學(xué)生學(xué)習(xí)更輕松更有趣，同時也能提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。