化学教学中引领学生模型认知的思考与探索

摘要：《高中化学课程标准（征求意见稿）》中学科核心素养部分的“模型认知”是指“基于模型的认知”，其中的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、图像模型和语义模型等情况；模型的建构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路径。化学教学要引领学生模型认知，应该帮助学生树立模型意识，体会模型价值，并指导他们用适合自己的方式进行模型表达，以促进学生逐渐将模型认知固化为自己学习的一种重要方式。

关键词：化学教学；学科核心素养；模型认知；模型建构

文章编号：1005–6629（2017）9–0019–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

2016年9月，随着“中国学生发展核心素养”的正式发布，教育部印发了高中各科课程标准的征求意见稿。《高中化学课程标准（征求意见稿）》将化学学科核心素养划分为“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学精神与社会责任”等5个维度，相对而言，其中的“证据推理与模型认知”对广大中学化学教师有一定的陌生度。本文拟在厘清“证据推理与模型认知”涵义的基础上，探寻高中化学教学中常见的认知模型及其建构路径，并就高中化学教学中引领学生模型认知的主要策略给出相应的建议。

1 “证据推理与模型认知”的涵义

1.1 “证据推理”和“模型认知”的涵义

高中化学学科核心素养中的“证据推理与模型认知”包括“证据推理”和“模型认知”两个词组。由于《辞海》中没有与“证据推理”或“模型认知”完全一致的词条，所以，本文首先借助“证据推理”和“模型认知”在“中国知网”收录的有关文献中的语境或对应的阐释来理解它们。

“证据推理”（evidential reasoning）在学界是固定的专用名词，指由Dempster（登姆普斯特）在1967年提出，后经他的学生Shafer（谢弗）进一步发展完善起来的一种不确定推理理论。又称登姆普斯特-谢弗推理（Dempster-Shafer reasoning）方法，简称D-S推理。“证据推理”理论“可以不需要先验知识，并能区分不知道与不确定，因而对问题的描述更加灵活准确，是一种良好的不确定性推理方法，已在目标识别、故障诊断与模式识别等领域得到了广泛应用”[1]。百度百科中有“证据推理”的词条，相应的解释是“对从不同性质的数据源中提取的证据，利用正交求和方法综合证据，通过证据的积累缩小集合，从而获得问题的解”。

“模型认知”在少数的文献标题中偶有出现，如“脑外伤动物模型认知障碍评价方法研究进展”，该标题好像可以理解为“脑外伤动物/模型认知/障碍/评价方法研究进展”，其实是“脑外伤动物模型/认知障碍/评价方法研究进展”。因为其摘要指出，“认知障碍是脑外伤常见的后遗症之一。脑外伤动物模型目前广泛应用于基础和药物研究中，也出现了多种评价该模型的认知障碍的方法”[2]。该文综述近年来不同研究者对脑外伤动物模型认知障碍的行为学评价方法。再如“基于大型电子词典与语料库的文化词汇模型认知对比研究”，本意是“基于/大型电子词典/与/语料库的文化词汇模型/认知对比研究”[3]。所以，文献中的“模型认知”不像“证据推理”那样属于专用词组，或者说，以“模型认知”的形式出现时，其涵义是指基于某种“模型”的“认知”。

化学是一门以实验为基础的自然科学，其理论体系是在科学家对无数事实材料概括的基础上，进行严密的逻辑推理而形成的。在化学学科背景中理解“证据推理与模型认知”，其中的“证据推理”不应该是学界专用名词所对应的“不确定推理理论”，而应该是与学科属性相对应的“基于证据的推理”；“模型认知”则与有关文献中基于“模型”的“认知”基本一致。这时再看《高中化学课程标准（征求意见稿）》对“证据推理与模型认知”的释义，“具有证据意识，能基于证据对物质组成、结构及其变化提出可能的假设，通过分析推理加以证实或证伪；建立观点、结论和证据之间的逻辑关系；知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立模型。能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”，就更能体会到“证据推理与模型认知”作为化学学科核心素养组成维度的独特意义。换言之，如果今后有关辞海或百度百科等收录“证据推理”的词条，应该在“不確定推理理论”基础上增加“基于证据的推理”的义项。

1.2 “证据推理”与“模型认知”的关系

当把“证据推理与模型认知”中的“证据推理”和“模型认知”，分别理解为“基于证据的推理”和“基于模型的认知”时，这样就有了“证据”“推理”“模型”“认知”4个独立的词。按照人们的一般理解，“证据”是能够证明某事物真实性的有关事实或材料，“推理”是思维的一种基本形式，是指由一个或几个已知判断（前提）推出新判断（结论）的过程。与“证据推理”或“基于证据的推理”对应的学科素养，就表现为依据有关事实或材料推出新的判断或结论，从而实现问题解决或获得新的知识。如根据钠与水反应时“浮、熔、游、响、红”等实验现象和已有知识进行有关推理，对钠的密度、熔点等物理性质，钠与水反应时的速率、产物以及能量变化形成相应的判断，获得钠的有关知识。“模型”有多重释义，与“原型”相对，是研究对象的替代物；或者是根据实物、设计图或设想，按比例、生态或其他特征制成的与实物相似的物体；等等。“认知”是指人类认识客观事物、获得知识的活动，包括知觉、记忆、学习、言语、思维和问题解决等过程。与“模型认知”或“基于模型的认知”对应的学科素养，可以表现为通过观察分子或晶胞等结构模型直观形象地认识有关物质的组成和结构，也可以表现为《高中化学课程标准（征求意见稿）》所描述的那样，“运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”。如用电子云的模型理解原子核外电子的运动规律或解释原子之间的成键方式，根据有效碰撞与活化分子模型理解影响化学反应速率的因素并能选择适宜的条件控制化学反应发生的速率。

在“基于模型的认知”的语境中，“模型”还可以看作是“认知模型”的简称。也就是说，“模型认知”可以理解为按照某种“认知模型”进行认知。“认知模型”这一个术语起源于计算机科学领域，在计算机科学领域是指“人类认知过程的计算机模型”，在认知心理学中则被用来简化描述人的认知过程。自然科学的根本任务是揭示自然界发生的现象以及自然现象发生过程的实质，从而把握这些现象或过程的规律性。显然，在发现自然现象背后规律的过程中，离不开“证据推理”或“基于证据的推理”的认知途径，“证据推理”或“基于证据的推理”属于自然科学的学科属性。从这个角度看，“证据推理”或“基于证据的推理”是一种典型的认知心理学层面的认知模型。所以，化学学习中的“证据推理”可以看作是按照“基于证据的推理”认知模型进行的认知过程。用这样的思路考察“证据推理”与“模型认知”的关系，“证据推理”从属于“模型认知”，“模型认知”包含了“证据推理”[4]。

2 化学学习活动中常见的认知模型及其建构

2.1 模型及其分类

从计算机科学领域看，要实现人类认知过程的计算机模拟，必须“加强对学习认知过程的研究，以建立更符合实际的学习认知模型”。早在1999年，就有学者根据学习对象与学习者之间关系的不同，将学习划分为“单向式、双向式与理想实验式”三大类认知类型，并给出了相应的学习认知模型[5]。近年来，随着人工智能技术和脑科学研究的不断发展，关于计算机模拟问题解决等认知过程的研究受到了广泛关注。有学者在分析已有数学问题解决模型的基础上，结合儿童的心理特点，根据认知心理学、脑科学、认知神经科学等领域的研究成果，构建了小学数学问题解决的认知模型。该认知模型中的问题解决是一个由问题开始，经过对象感知、短时记忆、工作记忆，以及从解题策略到产生式规则，再到操作、反思、知识巩固、自动化的信息流程；还可以简化为视觉模块、产生式模块、提取模块、目标模块、问题状态或问题空间模块和输出模块等六个模块，而且“问题解决过程并非依次经历所有模块，模块之间的信息流动是非线性的”[6]。与计算机科学领域的有关学习认知模型或问题解决认知模型的研究成果相对照，化学教学中“基于模型的认知”对应的“认知模型”是指认知心理学层面的认知过程。

虽然“模型”与“模式”的语义相近，但査有梁先生偏好“模式”[7]。因为“模型”经常被狭义地理解为实物模型；而“模式”中的“模”包括实物模型的意义，“式”包括形式、式样的意义。所以，“模式”兼容了实物和形式两大类，既包含实物模型，又包含非实物的形式模型。査有梁还给了“模式”一个百科全书式的定性叙述：“模式是一种重要的科学操作与科学思维的方法。它是为解决特定的问题，在一定的抽象、简化、假设条件下，再现原型客体的某种本质特性；它是作为中介，从而更好地认识和改造原型、建构新型客体的一种科学方法。从实践出发，经概括、归纳、综合，可以提出各种模式，模式一经被证实，即有可能形成理论；也可以从理论出发，经类比、演绎、分析，提出各种模式，从而促进实践发展。模式是客观实物的相似模拟（实物模式）、是真实世界的抽象描写（数学模式）、是思想观念的形象显示（图像模式和语义模式）”。

本文在按照《高中化学课程标准（征求意见稿）》的指向，探讨如何提高学生“模型认知”素养的过程中，将“模型”与“模式”看作是全同关系的概念，也就是完全按照査有梁对“模式”的定性叙述来理解“模型”，这样对“模型”可以形成两点认识。第一，“模型”是“一种重要的科学操作与科学思维的方法”。“基于模型的认知”就是按照“科学操作与科学思维”进行认知，属于“科学思维”的范畴，这样，“科学思维”、“模型认知”或“基于模型的认知”、“证据推理”或“基于证据的推理”三者之间构成了概念阶梯关系，依次是前者包含后者，或后者从属于前者。第二，“模型”包括实物模型和非实物的形式模型两类，形式模型又包括数学模型、图像模型和语义模型等情况。与之相对应，中学化学学习活动中常见的认知“模型”及其相互关系如图1所示。

其中，实物模型与实物相对应，主要有比例模型和球棍模型等情况，比例模型又有按原系统缩小（如工业制硫酸工艺模型）和放大（如分子或晶胞结构模型）的两种情况。形式模型与形式相对应，数学模型是用公式或方程等数学语言描述的模型，如平衡常数表达式、化学反应速率方程；图像模型是用二维或三维坐标系中的数学图像描述的模型，如反应速率与时间的关系曲线、电子云重叠形成σ键或π键的示意图；语义模型是用词语描述的模型，像教科书中用文字表达的阿伏伽德罗定律、元素周期律、盖斯定律等概念、原理、规律都属于语义模型。由于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，这一学科特性决定了语义模型还包括用含有特定意义的化学语言描述的模型，如元素符号、原子符号、原子结构示意图、化学式、有机化合物的通式、化学反应方程式等等。

另外，同一事物有时还可以用不同的模型进行表达。如表征晶胞结构可以用实物模型，也可以用数学模型范畴的晶胞参数。由于“一种科学只有在成功地运用数学时，才算达到了真正完善的地步”，所以，数学模型是对真实世界或实物抽象程度最高的模型，数学模型的运用是学科发展的重要标志。考虑到中学生的数学基础和抽象逻辑思维水平的实际，中学化学教科书就回避了某些数学模型，如呈现晶胞的结构用实物模型而不用晶胞參数，描述原子核外电子的运动状态用电子云图像模型而不用薛定谔方程（Schr？dinger equation），关于化学反应速率的影响因素用语义模型而不用反应速率方程式或阿伦尼乌斯公式（Arrhenius equation）。

2.2 建模的主要路径

建模就是建构模型。近年来建模在化学教学中已经有了一定程度的运用，但是还没有对建模的途径形成系统的认识。査有梁在论教育建模时认为，建模可以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几条路径。化学学习活动中依循的常见模型，其建构路径也包括对应的几种情况。

3 化学教学中引领学生模型认知的主要策略

3.1 帮助学生树立模型意识

通过上文对模型分类及其构建途径的分析可以发现，化学学习始终离不开模型，能否熟练地建立或运用模型直接影响着学习的效率，只是有些时候学习者并没有意识到自己在学习中运用了模型而已。所以，化学教学要引领学生进行模型认知，首先要帮助学生树立模型意识。模型认知从属于科学思维。关于思维教学，邢红军教授采用“学科知识-学科方法-思维方法”的研究路径，建构了由分析、综合、抽象、概括、比较、判断、假设、推理、直觉、想象10个内容，深刻性、独创性、批判性、灵活性、敏捷性5个品质，以及学科知识、学科方法、思维方法3个产品所组成的“思维教学三维模型”，提出了“方法理解”的思维教学实践取向，并设计了“思维方法-学科方法-学科知识”的教学路径[10]。其中的“思维教学三维模型”对各科教学都具有直接的指导作用，化学教学要借鉴“方法理解”的实践取向，把学科知识、学科方法和思维方法融合在一起，让学生在方法的引领下解决问题和获取知识，在习得知识的同时掌握相应的学科方法和思维方法。同时，教师在进行教学设计时要胸中有“模”，要为有关的学科方法和思维方法选择适当的模型，引导学生通过建模来解决问题和获取知识，而且要为建模环节预留充足的时间，并用一定的方法显化相应的模型。这样经过一段时间的训练，学生就能体会到模型在学习活动中的应用价值，从而逐渐树立起模型意识，并将模型认知固化为自己学习的一种重要方式。

3.2 指导学生用适合的方式表达模型

從表面上看，三种模型都在中学生可以接受的范围，但是考虑到不同个体之间认识水平的可能差异，教师应该指导学生用适合自己的方式进行模型表达，这样才能让学生乐于接受模型，并真正认识到模型的学习价值，从而增强学生建模和用模的意识与能力。

参考文献：

[1]柯小路等.证据推理规则的性质研究及方法修正[J].信息与控制，2016，（2）：165～170.

[2]马登磊，张兰，李林.脑外伤动物模型认知障碍评价方法研究进展[J].中国康复理论与实践，2015，（1）：65～68.

[3]程珊，叶兴国.基于大型电子词典与语料库的文化词汇模型认知对比研究[J].外语电化教学，2016，（4）：53～60.

[4]陆军.从逻辑关系看高中学科核心素养的构成[J].中小学教师培训，2017，（2）：1～4.

[5]王培铎.几类基本学习认知模型[J].武警学院学报，1999，（6）：44～45.

[6]魏雪峰.小学数学问题解决认知模型研究[J].电化教育研究，2012，（11）：79～85.

[7]查有梁.教育建模（第2版）[M].南宁：广西教育出版社，2000：5.

[8]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.

[9]朱心奇.建模思想与解决化学问题能力的培养[J].化学教育，2005，（5）：31～33.

[10]邢红军.中小学思维教学的深化研究[J].课程·教材·教法，2016，（7）：33～39.