浅谈化学问题的建模形式

1、浅谈化学问题的建模形式1. 建模对化学问题解决的影响问题解决很早就引起了心理学家的兴趣。现代认知心理学认为问题解决有五 个步骤，即：发现问题、表征问题、形成问题解决策略、执行问题解决策略、对 问题解决的回顾与总结。在解决问题吋，提供的信息可能会超过学生的认知资源 所能处理的限度。这样，相关的信息不可能同时处于工作记忆中而被加工。化学 建模理念的运用既是进行化学研究的重要方法，也是化学学习者学我过程屮的重 要方法。实际上，化学建模的理念和方法贯穿于问题解决过程的齐个环节。笔者 对化学问题模型的建立进行研究，并探讨以建立模型的形式如何对化学问题进行 适宜表征，以期减轻学生解决问题时的认知负荷，提高

2、问题解决效率。2. 化学建模的形式从形式上看，化学建模可以简单地分为两种。一种是内部模型，即在头脑中 建立模型，考虑问题。另一种形式是外部建模，即将问题以文字、图表、实物模 型等具体的东西表示出来。外部建模以内部建模为基础。人们的工作记忆容量是 冇限的，因此，外部建模可以大大减轻工作记忆的负担,冇利于问题的解决。化 学问题的有效解决往往依赖于适宜的模型的建立。笔者认为，人的头脑中的内部 建模可以通过外部模型呈现和反映，对外部模型的研究具有可操作性。那么，如 何建立化学问题进行外部模型呢?下面介绍几种外部模型的形式。2.1建立化学用语模型所有的问题最初是在头脑中以具体、形象的模型表征的，如果将其

3、中的数字、 符号等写下来，则可以减轻记忆负担,同时使问题变得清晰明了。比如，做一道简单 的乘法题,写下来很容易，如果完全在头脑中计算，则是一件非常困难的事。同样, 在解决化学问题时，注意运用休现化学学科特点的化学用语如分子式、结构式、 化学方程式等来建立模型，将有助于发现解决问题的途径，并突破最初在头脑中形 成的不适宜模型的约束。如下例：例1由硫酸钠、亚硫酸钠和硫化钠组成的混合物屮氧元素的质量分数为 a%,硫元索的质量分数为(a) a% (b) 2a% (c)la% (d) 0.41 (1a%)初遇到此类题口，学生往往茫然不知所措，甚至怀疑是否漏给了条件。实际上, 只要写出三种物质的化学式:n

4、a2so4> na2so3> na2s,就不难发现解题的突破口: 三者组成屮na和s的质量比是一致的，即钠元索和硫元索的质量比均为46 : 32, 因此，可以先求出na和s元索质量分数共为：1a %,再求出其中s元索的质量分数:0.41 (1a%)答案为 do2.2绘制图表模型绘制适当的图表是建立化学模型的有力手段。实际上，绘制图表是解决较复 杂问题时常用的一种建模形式，图表可以清楚地呈现信息间的关系，从而冇利于 发现解题的线索。图表模型建立的如何，直接影响到问题解决的难易与快慢。让我们看一个氢 氧化铝图像计算的问题：例 2 若在 200 ml0.5 mol 的 a12(so4)3

5、溶液中加入 2 mol 的 naoh 溶液，可得至u7.8gal(oh)3沉淀，则naoh溶液的体积为ml。首先计算出 n(al(oh)3)=0.lmol； n(al3+)=0.2mol然后画出naoh溶液滴入a12(so4)3溶液中生成沉淀的图像。(mol)由图可知:当n(al(oh)3)=0.1 mol时，对应2 个 n(naoh)值。a=0.3mol (naoh 不足)n 11加曲vnaoh= ?二=0.15l=150mlb=0.7mol (naoh 过量)vnaoh= w 忑=0.35l=350ml在教学时，我们鼓励学生通过绘制图像进 行分析。这类问题借助于图形模型，解决起来是很方便的

6、。2.3运用实物模型如果学生对冇关物质的空间结构没冇明确的认识，那么，遇到这类问题吋，可 以用实物模型予以分析。例如,让学生判断：“二氯甲烷是不是极性分了，有没有同分异构体？”，如果只 画出它的平面结构图，那么学生会误认为二氯甲烷有同分异构体，而且其中一种是 非极性分子。但是学生见到它的球棍模型或比例模型，则不会出现上而的错误。 2.4构建数学模型化学问题经常常涉及儿何图形、计算、代数式等数学模型形式。见下例：例3)1964年,eaton合成了一种新奇的烷叫立方烷，化学式为qhg,结构如图 1。如果立方烷中有四个氢原子被硝基取代，那么四硝基立方烷有多少种同分异构 体？图4解析:这道题可以采取几

7、何图形模型。把四个硝基看作四个黑点，分别讨论三种情况:四 点共平面、三点共平面、两点共一个立方体的面，分别见图2、图3、图4,由此可 以准确得出答案(6种异构体)。许多有关有机物结构方面的问题都可以采用这种 建模方法。当然，空间计算也是一种有效的建模形式。2.5运用实验操作模型许多化学问题可以通过实验來解决，因此运用实验也是建构化学模型，解决 化学问题的一种重要手段。如上面的例题2,些学生在实验室中设法通过定量实 验得到所消耗的naoh溶液体积，从而得出结论。3在教学中有意识地引导学生对化学问题进行模型的构建以上介绍的几种构建模型的形式，教师可以凭借他们的经验、直觉,在解决 问题时运用口如，得

8、心应手。教师在分析问题时,也要下意识地运用这些建模形式, 一部分能跟上教师思路的学生往往会注意到教师的方法，并且可能会有意识地模 仿,进而自己学会运用。但是，根据我们的观察,大多数学生遇到信息很少或信息较 多、各信息之间关系复杂的问题吋,不能以适宜的模型形式对问题进行分析处理, 致使解题过程中思路不清,不能选取适当的策略，无法正确解决问题或花费更多的 时间才能解决问题。因此，教师在教学过程中要冇意识地帮助学生学会选择适宜 的建模形式。在教学屮我们发现，有意识得引导学生选择适宜的方式构建化学模 型，有助于克服影响问题解决的消极因素的影响，即可以通过建模呈现学生头脑 屮i占i有的一些错误的认知结构或概念等，并能及时发现学生头脑中分析问题时的 无关信息。笔者认为可以从以下几方面考虑:(1)教师注意暴露自己的思维模型,尽可能 以