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[摘 要]
无论是实物模型还是非实物的形式模型，都有助于运用化学知识实现问题的解决。解决问题过程中所需模型的来源主要有从认知结构中提取、从试题信息中识别和在解题过程中建立等几种途径。
[关键词]
模型；化学试题；问题解决
从化学学习活动的实际来看，模型“包括实物模型和非实物的形式模型两大类，形式模型又包括数学模型、图象模型和语义模型等情况”。“模型认知”或“基于模型的认知”，是高中化学学科核心素养的重要表现形式，其中的模型又是学生获取化学知识和运用化学知识解决问题的主要手段。本文拟以2017年江苏高考化学试题为例，分析解决问题过程中所需模型的来源以及运用的具体情况。
一、从认知结构中提取模型
针对问题建模并形成解决相关问题的一般思路，能够有效地提高学生分析问题和解决问题的能力。学生在遇到类似的问题时，可以从已有的认知结构中提取和运用相应的模型，从而实现问题的解决。
关于阳极反应式的书写问题，学生的认知结构中一般都有“定物、设1、想环境、再守恒”的思维模型。（1）定物：电解Na2CO3溶液时，首先是其中的溶劑H2O分别在阳极和阴极失去或得到电子；（2）设1：先设1 mol H2O失去电子，然后将化学计量数整数化，则有电极反应式2H2O-4e-=4H O2↑；（3）想环境：此时电解的是Na2CO3溶液，环境中有CO32-，而且由图1可知，溶液中的CO32-转变成了HCO3-，因此要考虑反应CO32- H =HCO3-的发生；（4）再守恒：合并上述两个反应式，并注意电荷和物料守恒，即得答案4CO32- 2H2O-4e-=4HCO3- O2↑。
二、从试题信息中识别模型
在解决例1和例2时，分别使用的“确定碎片，组装分子”和“定物、设1、想环境、再守恒”等解题模型都属于语义模型，也就是用词语描述的思维模型。对于化学变化中某些量的关系还可以用坐标系中的数学图象进行描述，这经常出现在以数形结合的形式呈现已知条件的试题中，解题时首先需要从试题信息中识别有关图象模型所蕴含的意义。
例3：[第20（2）题]H3AsO3和H3AsO4水溶液中含砷的各物种的分布分数（平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数）与pH的关系分别如图2和图3所示。
①以酚酞为指示剂（变色范围pH8.0～10.0），将NaOH溶液逐滴加入到H3AsO3溶液中，当溶液由无色变为浅红色时停止滴加。该过程中主要反应的离子方程式为 。
由图2对应的图象模型可知，在pH从7.5到11的过程中，H3AsO3水溶液中H3AsO3的分布分数从1.0降低到0，同时H2AsO3-的分布分数从0升高到0.9。所以，以酚酞为指示剂用NaOH溶液滴定H3AsO3溶液，当溶液由无色变为浅红色，也就是溶液的pH从小于8增大到8以上时，主要的反应是OH- H3AsO3=H2AsO3— H2O。
由图3对应的图象模型可知，在H3AsO4水溶液中，当pH=2.2时，c（H3AsO4）=c（H2AsO4—）；当pH=7.0时，c（H2AsO4—）=c（HAsO42—）；当pH=11.5时，c（HAsO42—）=c（AsO43—）。H3AsO4的电离常数Ka1=[c（H ）c（H2AsO-4）c（H3AsO4）]，将pH=2.2时c（H3AsO4）=c（H2AsO4—）代入，即得pKa1=2.2。
化学学科具有对物质进行宏观、微观和符号三重表征的特点，这一特性决定了化学学科可以运用自身特有的元素符号、化学式、化学反应方程式等化学语言对有关模型进行描述。若试题以这种特殊的语义模型给出新的化学反应的信息，解题时则需要从试题信息中识别有关化学反应模型所蕴含的意义。
例4：[第17题]化合物H是一种用于合成γ-分泌调节剂的药物中间体，其合成路线流程图如下：
三、在解题过程中建立模型
建立模型有“根据原型进行建模、针对问题解决建模和从理论出发建模等”多种路径。但是要求学生在解题过程中临时建立新的模型是有一定难度的，所以这里所说的在解题过程中建立模型，主要是指结合试题的实际情况将认知结构中已有的模型具体化，或者是将试题中提供的模型转化成解题所需要的形式。
例5：[第18（2）题]碱式氯化铜有多种组成，可表示为Cua（OH）bClc·xH2O。为测定某碱式氯化铜的组成，进行下列实验：①称取样品1.1160 g，用少量稀HNO3溶解后配成100.00 mL溶液A；②取25.00 mL溶液A，加入足量AgNO3溶液，得AgCl 0.1722 g；③另取25.00 mL溶液A，调节pH 4 ～5，用浓度为0.08000 mol·L—1的EDTA（Na2H2Y·2H2O）标准溶液滴定Cu2 （离子方程式为Cu2 H2Y2—=CuY2— 2H ），滴定至终点，消耗标准溶液30.00 mL。通过计算确定该样品的化学式（写出计算过程）。
碱式氯化铜样品中Cl—和Cu2 的含量分别可以通过实验②中所得AgCl的质量以及实验③中消耗EDTA的物质的量来计算，而要求算OH—和H2O的含量则需要依据电荷守恒和质量守恒两个规律模型，并且要将这两个规律模型具体化成数学模型，然后才能实现问题解决。（1）电荷守恒：2n（Cu2 ）=n（OH—） n（Cl—）；（2）质量守恒：m[Cua（OH）bClc·xH2O]=m（Cu2 ） m（OH—） m（Cl—） m（H2O）。
例6：[第21A（5）题]某FexNy的晶胞如图4所示，Cu可以完全替代该晶体中a位置Fe或者b位置Fe，形成Cu替代型产物Fe（x-n） CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如题图5所示，其中更稳定的Cu替代型产物的化学式为 。
前文中所涉及的语义模型、图象模型、数学模型等都属于形式模型，与词语（或化学用语）意义、数学图象、数学语言等形式相对应。图4则与实物相对应，属于实物模型。由图4可知，在FexNy的晶胞中，Fe有a、b两种位置，其中a是晶胞的顶点，b是晶胞的面心。由FexNy的晶胞结构可以演变成3种结构：（1）a、b位置都是Fe，化学式为Fe4N；（2）Cu替代a位置Fe，化学式为Fe3CuN；（3）Cu替代b位置Fe，化学式为FeCu3N。再结合图5可知，3种结构的能量由低到高的顺序为Fe3CuN [参 考 文 献]
[1]查有梁.教育建模[M].第2版，南宁：广西教育出版社，2000：5.
[2]朱建兵，袁春仙，王秋霞.有限制条件的同分异构体书写策略[J].化学教学，2012，（8）：62-63.
[3]朱圣辉.思维建模在解决电化学问题中的应用[J].化学教学，2016，（5）：87-90.
[4]陆军.2012年高考化学试题中的数形呈现策略[J].化学教学，2012，（10）：60-63.
（责任编辑：张华伟）
无论是实物模型还是非实物的形式模型，都有助于运用化学知识实现问题的解决。解决问题过程中所需模型的来源主要有从认知结构中提取、从试题信息中识别和在解题过程中建立等几种途径。
[关键词]
模型；化学试题；问题解决
从化学学习活动的实际来看，模型“包括实物模型和非实物的形式模型两大类，形式模型又包括数学模型、图象模型和语义模型等情况”。“模型认知”或“基于模型的认知”，是高中化学学科核心素养的重要表现形式，其中的模型又是学生获取化学知识和运用化学知识解决问题的主要手段。本文拟以2017年江苏高考化学试题为例，分析解决问题过程中所需模型的来源以及运用的具体情况。
一、从认知结构中提取模型
针对问题建模并形成解决相关问题的一般思路，能够有效地提高学生分析问题和解决问题的能力。学生在遇到类似的问题时，可以从已有的认知结构中提取和运用相应的模型，从而实现问题的解决。
关于阳极反应式的书写问题，学生的认知结构中一般都有“定物、设1、想环境、再守恒”的思维模型。（1）定物：电解Na2CO3溶液时，首先是其中的溶劑H2O分别在阳极和阴极失去或得到电子；（2）设1：先设1 mol H2O失去电子，然后将化学计量数整数化，则有电极反应式2H2O-4e-=4H O2↑；（3）想环境：此时电解的是Na2CO3溶液，环境中有CO32-，而且由图1可知，溶液中的CO32-转变成了HCO3-，因此要考虑反应CO32- H =HCO3-的发生；（4）再守恒：合并上述两个反应式，并注意电荷和物料守恒，即得答案4CO32- 2H2O-4e-=4HCO3- O2↑。
二、从试题信息中识别模型
在解决例1和例2时，分别使用的“确定碎片，组装分子”和“定物、设1、想环境、再守恒”等解题模型都属于语义模型，也就是用词语描述的思维模型。对于化学变化中某些量的关系还可以用坐标系中的数学图象进行描述，这经常出现在以数形结合的形式呈现已知条件的试题中，解题时首先需要从试题信息中识别有关图象模型所蕴含的意义。
例3：[第20（2）题]H3AsO3和H3AsO4水溶液中含砷的各物种的分布分数（平衡时某物种的浓度占各物种浓度之和的分数）与pH的关系分别如图2和图3所示。
①以酚酞为指示剂（变色范围pH8.0～10.0），将NaOH溶液逐滴加入到H3AsO3溶液中，当溶液由无色变为浅红色时停止滴加。该过程中主要反应的离子方程式为 。
由图2对应的图象模型可知，在pH从7.5到11的过程中，H3AsO3水溶液中H3AsO3的分布分数从1.0降低到0，同时H2AsO3-的分布分数从0升高到0.9。所以，以酚酞为指示剂用NaOH溶液滴定H3AsO3溶液，当溶液由无色变为浅红色，也就是溶液的pH从小于8增大到8以上时，主要的反应是OH- H3AsO3=H2AsO3— H2O。
由图3对应的图象模型可知，在H3AsO4水溶液中，当pH=2.2时，c（H3AsO4）=c（H2AsO4—）；当pH=7.0时，c（H2AsO4—）=c（HAsO42—）；当pH=11.5时，c（HAsO42—）=c（AsO43—）。H3AsO4的电离常数Ka1=[c（H ）c（H2AsO-4）c（H3AsO4）]，将pH=2.2时c（H3AsO4）=c（H2AsO4—）代入，即得pKa1=2.2。
化学学科具有对物质进行宏观、微观和符号三重表征的特点，这一特性决定了化学学科可以运用自身特有的元素符号、化学式、化学反应方程式等化学语言对有关模型进行描述。若试题以这种特殊的语义模型给出新的化学反应的信息，解题时则需要从试题信息中识别有关化学反应模型所蕴含的意义。
例4：[第17题]化合物H是一种用于合成γ-分泌调节剂的药物中间体，其合成路线流程图如下：
三、在解题过程中建立模型
建立模型有“根据原型进行建模、针对问题解决建模和从理论出发建模等”多种路径。但是要求学生在解题过程中临时建立新的模型是有一定难度的，所以这里所说的在解题过程中建立模型，主要是指结合试题的实际情况将认知结构中已有的模型具体化，或者是将试题中提供的模型转化成解题所需要的形式。
例5：[第18（2）题]碱式氯化铜有多种组成，可表示为Cua（OH）bClc·xH2O。为测定某碱式氯化铜的组成，进行下列实验：①称取样品1.1160 g，用少量稀HNO3溶解后配成100.00 mL溶液A；②取25.00 mL溶液A，加入足量AgNO3溶液，得AgCl 0.1722 g；③另取25.00 mL溶液A，调节pH 4 ～5，用浓度为0.08000 mol·L—1的EDTA（Na2H2Y·2H2O）标准溶液滴定Cu2 （离子方程式为Cu2 H2Y2—=CuY2— 2H ），滴定至终点，消耗标准溶液30.00 mL。通过计算确定该样品的化学式（写出计算过程）。
碱式氯化铜样品中Cl—和Cu2 的含量分别可以通过实验②中所得AgCl的质量以及实验③中消耗EDTA的物质的量来计算，而要求算OH—和H2O的含量则需要依据电荷守恒和质量守恒两个规律模型，并且要将这两个规律模型具体化成数学模型，然后才能实现问题解决。（1）电荷守恒：2n（Cu2 ）=n（OH—） n（Cl—）；（2）质量守恒：m[Cua（OH）bClc·xH2O]=m（Cu2 ） m（OH—） m（Cl—） m（H2O）。
例6：[第21A（5）题]某FexNy的晶胞如图4所示，Cu可以完全替代该晶体中a位置Fe或者b位置Fe，形成Cu替代型产物Fe（x-n） CunNy。FexNy转化为两种Cu替代型产物的能量变化如题图5所示，其中更稳定的Cu替代型产物的化学式为 。
前文中所涉及的语义模型、图象模型、数学模型等都属于形式模型，与词语（或化学用语）意义、数学图象、数学语言等形式相对应。图4则与实物相对应，属于实物模型。由图4可知，在FexNy的晶胞中，Fe有a、b两种位置，其中a是晶胞的顶点，b是晶胞的面心。由FexNy的晶胞结构可以演变成3种结构：（1）a、b位置都是Fe，化学式为Fe4N；（2）Cu替代a位置Fe，化学式为Fe3CuN；（3）Cu替代b位置Fe，化学式为FeCu3N。再结合图5可知，3种结构的能量由低到高的顺序为Fe3CuN
[1]查有梁.教育建模[M].第2版，南宁：广西教育出版社，2000：5.
[2]朱建兵，袁春仙，王秋霞.有限制条件的同分异构体书写策略[J].化学教学，2012，（8）：62-63.
[3]朱圣辉.思维建模在解决电化学问题中的应用[J].化学教学，2016，（5）：87-90.
[4]陆军.2012年高考化学试题中的数形呈现策略[J].化学教学，2012，（10）：60-63.
（责任编辑：张华伟）