谈化学科核心素养的“认知模型”和“‘模型认知’过程”

文肇庆学院

模型在《新华字典》中是指按实物比例和结构制成的物品，如飞机模型、轿车模型；又称为“模子”(铸造或压制物品用的型器)、模板或模具。从广义上讲，如果一件事物能随着另一件事物的改变而改变，那么此事物就是另一件事物的模型。

“模型认知”是一种科学的思维方法，既是“化学科核心素养”，也是高中数学、物理和生物的核心素养之一，建构和应用模型的方法在学习、工作和科研中作用重大、应用广泛。所以，化学教师及化学师范生认识、理解和应用“模型”十分重要。

模型可分为形式模型、思维模型和操作模型。本文以与化学科相关度较高的几种模型，就化学教师和师范生认识模型、理解模型、应用模型和建构模型谈一些看法与建议，一些与化学科联系少一些的模型本文暂不讨论。

一、认识模型

要培养学生的“模型认知”素养，教师首先就要认识与化学科相关的各种模型。

1.形式模型

形式模型是用形式化方法构建出来的模型，分为实体模型、虚拟模型、物质关系模型和组织结构模型。其中，虚拟模型与组织结构模型本文暂不讨论。

(1)实体模型：指我们在生产生活和教育科研中实际存在的、具有一定体积和重量的物理形态和按一定比例放大或缩小的物件。可以分为实验装置模型、工业设备模型和分子原子模型。

①实验装置模型：典型实验装置就是一种能演变出多种构形相似、功能相近的变形装置的模型。如：初中化学的“固+固加热反应装置”“固+液反应装置”，高中的“气体吸收装置”，由它们可以演变出多种变形装置。这种变形装置的原型就是“模型”。

②工业设备模型：如教学中使用的炼铁高炉模型，宣传用的污水处理厂和换流阀水冷设备等，这些把大型工业设备缩小做成便于观察的道具就是“工业设备模型”。

③分子、原子模型：分子模型可以是球棍式、比例式模型。

(2)物质关系模型：在化学中主要指物质性质关系(如思维导图)或转化关系图和“素‘价——类’图”。

本文把原子、分子归类为实体模型是因为现代隧道显微镜已能拍摄出原子、分子的图象，通过实验已证实了电子、原子核、电子分层排布的事实。而电子云、原子轨道和分子轨道是薛定谔方程计算的结果，这里把它们归为理论模型。

2.思维模型

思维模型分为数学模型、理论模型和推理模型。

(1)数学模型：数学模型分为公式模型、方程模型、算法模型和曲线模型。

各种化学方程式，尤其是离子反应方程式，代表的是一类反应，说它是一种模型也不为过。在计算机课程中，对某种问题处理的算法模型，化学中的溶解度曲线、中和滴定曲线(可推理出各种氧化还原滴定曲线)、能量变化曲线、速率平衡曲线也是曲线模型。

(2)理论模型：化学中有着各种各样的理论模型，如原子分子论、元素周期表与元素周期律、化学平衡理论、电解质及电离理论、电化学理论等，都属于理论模型。

而理论模型的建立通常是运用了推理模型。推理须遵循的基本逻辑是思维的基本形式之一，它是由一个或几个已知的判断(前提)推出新判断(结论)的过程。推理表现形式有直接推理、间接推理等，推理模型(或模式)分为归纳推理、演绎推理和类比推理。

①归纳推理：是一种由个别到一般的推理。由一定程度的关于个别事物的观点过渡到范围较大的观点，由特殊具体的事例推导出一般原理、原则的解释方法。例如人教版初中化学：由白磷、红磷在铁片上加热及白磷在热水中通入空气的实验总结出燃烧的条件；由红磷在密封锥形瓶中燃烧前后称重实验，铁钉与硫酸铜溶液置换实验，在用气球封闭试管中盐酸与碳酸钠反应的实验总结出质量守恒定律等，都是归纳推理的典型范例。

②演绎推理：就是由一般到特殊的推理方法，与“归纳法”相对。包括三段论、假言推理和选言推理等。欧几里德几何方法公理到定理、再到证明，牛顿力学和爱因斯坦的相对论都是演绎推理的范例。在教育工作中，依据一定的科学原理设计和进行教育与教学实验等，均离不开此法。演绎推理的最典型、最重要的应用，通常存在于逻辑判断和数学证明中。

在中学化学中，原子分子论在进行假设后推论出其他原子分子的共性和持性，再实验验证；化学计算类的演算和理论模型的推演。例如应用化学反应速率、平衡常数计算式计算某具体反应特定条件下的速率和平衡常数；由水溶液中电解质的电离理论推演出具体电解质溶液的电离度、电离常数或溶液酸碱度等，都是属于演绎推理。

③类比推理：类比推理亦称“类推”，是推理的一种形式。根据两个对象在某些属性上相同或相似，通过比较而推断出它们在其他属性上也相同的推理过程。它是从观察个别现象开始，因丙种事物间某些属性相似而进行的归纳推理。但它又不是由特殊到一般，而是由特殊到特殊，因而又不同于归纳推理。分完全类推和不完全类推两种形式。完全类推是两个或两类事物在进行比较的方面完全相同时的类推；不完全类推是两个或两类事物在进行比较的方面不完全相同时的类推。

3.操作模型

典型规范的操作方法或步骤就是操作模型。在化学教学中的实验基本操作、典型实验规范操作步骤或流程、典型计算步骤和教学模式，都是操作模型。例如：实验室蒸馏装置和氯气的制取装置的安装、制取和拆卸的规范步骤，工业生产流程(如自来水生产流程)，化学计算要求表达的计算步骤都是。教学策略中的教学模式，如“自学点拨式”、“激疑探究式”、“点拨反馈式”、洋思中学的“先学后教”、杜郎口中学的“10+35”等，都是教学实操模型。

二、不同知识“模型认知”的方式和过程

学生思维发展必须符合科学知识和思维发展的规律，不同知识块在引导学生思维发展过程中，模型认知的方式和过程也略有不同。教师要了解这些思维过程的不同点，恰当地应用在教学之中。

1.实验模型的建构和应用

实验模型的建构和应用经过了具体问题、分析问题、构建模型、理解模型和应用模型几个环节，思维逐步深入，能力要求也不断提高。由知识表征过渡到行为表征，最后形成抽象表征。

2.物质关系模型的建构和应用

物质关系模型可以是转换关系图和二维价类图，它的建构运用了由特殊到一般的归纳推理过程。先选定具体物质，再通过发散联想钠的各种化合物，用箭头将含该元素的单质和各种化合物联系起来，或在价类二维坐标中定点写出和连接，从而建构出物质转化关系模型。

3.理论模型的建构和应用

理论模型的构建通常用到的是归纳推理、演绎推理和类比推理，不同的推理方法其二维表征的过程是不尽相同的。

(1)归纳推理：以归纳推理方式建构理论模型及应用的过程见图1(以质量守恒定律为例)。

图1

它是由特殊到一般的推理过程。还有如质量守恒定律、燃烧的条件、氧化还原反应、金属活动顺序等都是。

(2)演绎推理：以演绎推理方式建构理论模型及应用过程见图2(以原子理论模型为例)。

图2

它是由特殊到一般的推理过程。象原子分子论、酸碱电离理论、物质的量及相关的计算公式等用的是从一般到特殊的演绎推理。

(3)类比推理：以类比推理方式建构理论模型及应用过程见图3(以勒沙特原理例)。

图3

类比推理是寻找一个新事物与另一旧事物的共性，类推出新事物的属性或得出结论的过程。如酸和碱的通性、同主族元素的周期性、相似物质的物理化学性质、相似相容原理等用到的是类比推理。在某些归纳推理和演绎推理过程中，也可能用到类比推理。

(4)其他模型：限于文章篇幅，以下几类模型不再画出二维图，只展示它们的思维过程。

①公式模型：测量数据→发现规律→建立公式→发现误差→修正建立公式模型。

例：平衡时各物质浓度→浓度商是定值→平衡常数公式→与方程系数有关→平衡常数公式。

②方程模型：具体方程式→一类方程→发现规律→方程模型→应用。

例：盐酸与烧碱反应→酸碱反应→只有H+与OH-反应→离子方程式→离子方程式书写。

③曲线模型：具体反应→实验数据→坐标描点→曲线模型→推广应用。

例：酸碱中和反应→pH数据→坐标描点→中和滴定曲线→氧化还原曲线。

④典型计算步骤模型：计算原理→计算各步骤→重复练习→计算步骤模式。

⑤教学模式：教学方法→教学步骤→关键步骤→教学模式→应用推广。

只有理解了模型，才能应用模型，直至在更高的层次上创造新的模型。在化学教学中一些简答题，如用化学平衡原理解释合成氨的条件选择、用溶度积和沉淀溶解平衡原理解释沉淀的溶解与转化、用杂化验轨道或价层电子互拆理论解释分子的性质或空间结构等，教师要求学生抓住关键词先表达什么、再表达什么，也是一种模型认知，即特定内容的“语言表达模型”；处理问题思维方式、人才能力维度和一些学习方式也是模型，如“是非原则模型”“艾森豪威尔矩阵模型”“认知扭曲原理模型”“肯定式探询模型”“双重回路学习模型”“个人能力模型”等。所以化学核心素养中的“模型认知”非常重要，需要我们广大化学教师认识、发现、体会并运用到教学中，使学生通过“学科知识→学科方法→思维方法”认知过程具有模型认知的意识和能力。