基于科学建模的化学教学设计

傅永超 王祖浩

摘要：通过探讨模型和建模在科学教育领域的重要作用和内涵，分析化学课堂建模教学的四个不同阶段：建构模型、使用模型、评估模型和修改模型。选取化学学科中“燃烧的条件”为例，设计科学建模环境下的教学案例，并将建模活动贯穿于课堂始终，不仅提高学生的参与度，还将“燃烧的条件”这一抽象的概念可视化，增强了学生对“燃烧现象”本质的认识，进而提升科学素养。

关键词：科学建模;燃烧的条件;教学设计;共识模型

模型（Model）和建模（Modeling）在科学教育中发挥着重要作用，并逐渐成为国内外科学教育研究的一项重要领域。用模型和建模的方法来学习科学，可以简化和理想化地再现原型与研究目的有关的各种基本因素和基本联系，并略去次要的、非本质的细节;可以充分发挥想象、抽象和推理能力，构建一个理想的认识工具;还能突破语言要素的限制，获得整体映象[1]。

《普通高中课程标准（2017年版）》中，在科学类学科（物理、化学、生物）的学科核心素养部分，均提到了“模型”“建模”“科学思维”等关键词，旨在引领学生将通过建模来学习科学并固化为自己学习科学的一种重要方式。以化学学科为例，“证据推理与模型认知”素养强调通过分析、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，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质规律[2]。美国在2013年颁布的《新一代科学教育标准》中，以科学实践为主要指导理念，强调科学探究向科学实践的合理转变，提出一项新的实践内容：开发和使用模型。该标准将其作为科学和工程学实践的核心要素之一，并对K-12年级学生需要达到的水平作了具体描述[3]。

由此可见，运用模型和建模的方法来学习科学，已经在目前国内外的科学教育界达成了一种共识。科学建模教学就是要指导学生利用模型建构来促进学习，帮助学生树立模型意识，并通过建模来体会解决问题时的快乐和成就感，进而提升科学素养。

1 科学模型和建模

1.1 科学模型

模型一词最早来源于拉丁文“Modulus”，原意为样本、尺寸、标准。《辞海》中对模型给出了下面的定义：（1）按实物比例和结构制成的物品：飞机模型/模型轿车;（2）又称“模子”，铸造或压制物品用的型器。这个定义主要强调了模型的复制作用。赵萍萍等[4]在查阅《教育大辞典》、高中生物学教科书以及美国《国家科学教育标准》后，总结模型定义中的核心内容是：模型是事物的表征，且这些事物除了具体的实物之外，还包括观点、概念、事件、过程和系统等。与之相同观点的还有张发新[5]，他指出模型是人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的描述，这种描述可以是定性的，也可以是定量的。以上两种定义，都表达了“模型是一种表征”的观点，这种表征不是简单的复制，而是为了达到特定目标，用一种“媒介”的方式对事物做出特别的、更简化的描述，以方便观察理解。

王德胜教授[6]提出模型作为表征需满足下列三个条件：（1）模型与原型具有相似的关系，这种相似关系应被明晰地表达和精确地规定在模型中;（2）模型在科学研究过程中是原型的代替者，是研究原型的间接手段;（3）对模型的研究能够得到关于原型的信息。这三个条件也是模型应具有的三个性质。他还提出，模型可以分为物质模型和思想模型两大类，其中，按照思想模型与原型相似的程度和直观性的大小，还可以将其划分为形象模型、符号模型、形象符号混合模型、数学模型等。由于化学研究的主要对象是分子，以及分子的组成、结构、性质和相互转化，所以必须利用一定的思想模型来把握分子的组成、结构、性质和变化的规律。

1.2 科学建模

建立和使用模型的过程是科学家日常工作实践的核心。科学家通过模型进行思考和推理，可以对他们正在研究的抽象过程和实体进行可视化，为他们提供解释并对其进行预测，其主要遵循建构、使用、评估和修改的流程（如表1所示）。例如，在对原子内部结构的探索过程中，科学家先后建立了道尔顿实心球模型、汤姆生葡萄干蛋糕模型、卢瑟福行星绕日模型、玻尔模型和现代模型（电子云模型）等。

建模活动能够为学生提供了解科学探究的机会，学生参与建模实践可以更加深入地理解科学中的关键模型，帮助他们理解科学知识的本质。

本文讨论的科学建模，不仅仅是在脑海中建构抽象的模型，理解一个公式/方程式的含义，而是更偏重于对科学现象的解释和预测，需要用画图等方式将抽象机制、原理进行可视化，以达到理解科学本质的目的。用这种方式进行的科学建模活动，才有可能让学生真正參与到课堂实践中来。

2 科学建模教学

科学建模教学需要遵循表1的四个步骤，指导学生一步步地进行实践活动，最终建构能够解决问题、对科学现象能进行合理解释和预测的正确模型。

在“建构模型”阶段，教师需要充分考虑学生已有的生活经验、与该领域相关的科学知识以及提供适当的支持建模的证据，引导学生画出自己心目中对科学现象的理解，其中包括涉及的物质和相关机制、原理，完成对初始模型的建构。

在“使用模型”阶段，学生需要用自己建构的初始模型，尝试对目标现象进行解释。通过学生对模型中存在的问题进行讨论，建模者分析模型中存在的问题，给予适当的解释，并尝试修改或重构模型。

在“评估模型”阶段，由教师进行引导，在观察每位学生建模结果的基础上，从模型的清晰度、完整性、与证据的一致性、解释科学现象的合理性等方面对模型进行评价，并在适当的时候提供新证据，以支持学生的建模活动。

在“修改模型”阶段，学生根据要求对模型进行修改。修改完成后，再次对科学现象进行解释和预测，经教师统一指导后，达成班级共识模型。

3 “燃烧的条件”教学案例

“燃烧的条件”课例选自九年级《化学》教科书上册（人教版）第七单元“燃烧及其利用”。以下从教学目标和教学过程两方面介绍科学建模环境下的化学教学。

3.1 教学目标

（1） 认识燃烧的条件，知道灭火的基本原理。

（2） 了解科学建模活动的一般方法，学习运用科学建模的方法对燃烧现象进行表征，并能对事实进行分析和解释。

（3） 利用所建构的模型解决生活问题，使学生对化学保持强烈的好奇心和探究欲。培养模型建构的意识，初步形成使用建模来学习化学知识的思维模式。

3.2 设计思路

科学建模是学生学习科学知识、增强对科学本质理解的重要活动方式。通过回忆生活以及化学课堂演示实验中的燃烧现象，建立对燃烧现象的一般认识，据此建立初始模型。在尝试对战舰“欧罗巴”号被大火吞噬之谜进行解释后，学生对其中存在的問题进行讨论，得出燃烧的前两个条件——可燃物和温度达到着火点;学生修改自己的初始模型后，再次对燃烧现象进行解释;接着，教师继续提供实验证据支持学生建模，提出燃烧需要的第三个条件——氧气。至此，达成“燃烧现象”的班级共识模型，展示燃烧发生背后的原理，并根据这个模型，对新现象、新问题进行解释和预测。

3.3 教学过程

[情景导入]1854年5月30日，英国战舰“欧罗巴”号按照作战命令开始远涉重洋的航行，船舱里结结实实地装满了供战马吃的草料。2个多月后，船舱突然冒出熊熊大火，大火迅速吞没了整艘战舰，片刻之间战舰便葬身海底，全舰官兵、战马无一生还。同学们知道为什么好好的战舰会葬身火海吗？今天就让我们一起走进燃烧，从化学的角度认识燃烧、探索燃烧的条件。

[知识回顾]蜡烛的燃烧、烟花爆竹的燃烧、煤气的燃烧等等，这些现象在我们生活中十分普遍，为我们所熟知。在之前的学习中，我们也学习了铁丝、镁条、木炭等物质的燃烧，同学们能回忆它们燃烧时的现象吗？将结果填入表2，并总结出物质燃烧时的一般特征。

特征：燃烧是一种发光、放热的化学反应。

[初次建模]科学建模是我们学习科学知识、掌握科学原理的重要手段。同学们已经对燃烧这一现象及其特征有了一定的了解，能不能用科学建模的手段——画图法，将你们所理解的物质燃烧现象表征出来，需要包括上述提到的各个要素。

[小组讨论]同学们建构的初始模型中（见图1），包含了火焰、发光、放热等要素，但是这些多集中于燃烧的表面现象。用这一模型能否对战舰“欧罗巴”号被大火吞噬的现象进行解释呢？如果不能，请同学们小组讨论，尝试对模型中的要素进行补充，并对燃烧现象背后的机制和原理进行更加深入的探讨。

讨论1：好端端的战舰不会无缘无故自己烧起来：发光、放出热量，这就好比放在教室里的白纸不会自燃一样。

讨论2：可能是战舰上的某样东西先着火的，比如草料或者木板，进而引发整艘战舰的覆灭。

讨论3：战舰上有些东西是不会着火的，比如窗玻璃、砖块、石头等，它们不会引发大火。

讨论4：是什么原因导致战舰上的东西着火呢？

[教师讲解]同学们已经在慢慢接近燃烧背后的真相了。首先，草料、木板是同学们率先怀疑的对象，因为在大家的生活经验中，都看到过草料和木头的燃烧，且这两者都是“比较容易”烧起来的;而玻璃、砖块等则不能燃烧。我们把可以燃烧的物质叫做可燃物，可燃物是燃烧的首要条件。

其次，与教室里的白纸一样，战舰上的草料也不会发生自燃，这背后一定是有原因的。大家知道古人是怎么得到火的吗？——钻木取火。其原理主要是通过摩擦生热使木棍燃烧从而得到火的。“摩擦生热”代表了温度的升高，也就是说，常温下的木棍不会燃烧，只有当到达一定的温度时，木棍才会燃烧起来。我们把可燃物开始燃烧所需的最低温度叫做着火点。之所以会认为草料和木头“比较容易”就能烧起来，是因为这两者的着火点相对较低，不同物质的着火点也都是不一样的。

[修改模型]下面请同学们尝试将可燃物、着火点这两个要素添加到自己的模型中（见图2），并尝试对战舰“欧罗巴”号被大火吞噬的现象进行解释。

在战舰上，草料就是可燃物。一开始，常温状态下的草料并没有燃烧，是因为它的温度在着火点以下;这之后，战舰在海上航行了两个月，可能有士兵不小心引燃了草料，其温度达到了着火点，引发大火;也有可能到了夏季，气温升高，达到了草料的着火点。

[实验]查阅资料可知，草料的着火点一般在130～250℃，气温则到不了这个高度;如果是人为原因的话，一般也能够及时发现扑灭火灾。因此，可能有其他因素在这里起着关键的作用。下面我们一起观察实验（见图3），分析产生的实验现象，看看燃烧还需要具备什么条件。

（1） 在500mL的烧杯中注入300mL热水（温度大于40℃），并放入用硬纸圈圈住的一小块白磷。在烧杯上盖一片薄铜片，铜片上一端放一小堆干燥的红磷，另一端放一小块已用滤纸吸去表面水分的白磷（如图3Ⅰ），观察现象。（已知着火点：白磷40℃、红磷260℃）

（2） 用导管对准烧杯中的白磷，通入少量氧气（或空气）（如图3Ⅱ），观察现象。

讨论1：实验中铜片上的白磷燃烧而红磷不燃烧，是因为温度达到了白磷的着火点，引发白磷自燃。

讨论2：放入热水中的白磷一开始没有燃烧，通入氧气后自燃，说明燃烧需要有氧气。

起初，在热水下的白磷，满足了可燃物和达到着火点两个条件，燃烧现象并没有发生，直到通入氧气才发生燃烧。因此，可以得出结论：燃烧需要在有氧气的情况下才能发生。

至此，我们找到了燃烧所需要的三个条件，缺一不可（见图4）。只要达到条件，燃烧就能发生，即使是在意想不到的情况下。

战舰上的草料堆得结结实实，草料会和空气中的氧气发生氧化反应，这样的氧化反应很慢，不像燃烧那样剧烈地发光发热，叫缓慢氧化。物质在缓慢氧化反应过程也产生热，不过放热很慢，察觉不出来。草料太多太实，空气不流通，产生的热不易散发，越积越多，温度上升达到了草料的着火点。这时，燃烧的三个条件已经满足，所以草料不经点燃就自行燃烧起来。

[完善模型]请同学们根据燃烧需要的三个条件，对模型进行修改完善（见图5），并作出相应的解释说明。

在燃烧现象产生的背后，需要同时满足3个条件。首先，发生燃烧的物质必须是可燃物，否则燃烧不能发生;其次，可燃物存在的地方一定要有氧气;其三，一定要有“外力”作用在可燃物上，使其温度升高至着火点，这个“外力”是燃烧发生的“导火索”，任何能使可燃物温度升高的方法都包含在其中。

[预测现象]通过建立“燃烧现象”的科学模型，請同学们使用模型来思考以下几个问题：

（1） 如果不往煤炉里添煤，炉火还能继续燃烧吗？为什么？

（2） 炉门关得严严的，一点气也不通，炉火还能继续燃烧吗？为什么？

（3） 如果把炉里正在燃烧的煤夹出来，煤还能继续燃烧吗？为什么？

[解释原因]下列灭火的实例，请分析其灭火的原因：

（1） 炒菜时油锅里的油着火，可用锅盖盖灭或放入较多的蔬菜。

（2） 堆放杂物的纸箱着火时，可用水浇灭。

（3） 扑灭森林火灾的方法之一，是将大火蔓延路径前的一片森林砍掉，形成隔离带。

燃烧需要同时满足3个条件，只要破坏其中一个条件（移除模型中的可燃物、氧气或使可燃物温度达到着火点的导火索），燃烧就不能发生。

4 结语

本课例很好地体现了科学建模的思想，并将科学建模活动贯穿于课堂始终。首先，学生可以构建一个初始模型，画出一幅包含火焰、发光、放热的图像;然后，尝试着使用模型去解释战舰燃烧之谜，当发现某些地方用现有模型无法进行解释时，则应该去研究产生燃烧所需的其他条件;接着，学生在试图弄清楚应该在图片中添加哪些内容时，会产生一些问题和想法。这些“数据”将被用作支持/拒绝模型方面的证据，可以帮助学生对模型进行改进，包括需要有可燃物、温度要达到着火点、燃烧需要有氧气等;最终，经教师的统一指导，修改形成班级共识模型，并使用这个模型来解释、预测新现象。

通过建构、使用、评估、修改模型的过程，不仅提高了学生的参与度，还将“燃烧的条件”这一抽象的概念可视化，增强了学生对“燃烧现象”本质的认识，并能够利用建立的认知模型解释、预测新现象和新问题，进而提升科学素养。

参考文献：

[1][6]王德胜. 化学方法论[M]. 杭州：浙江教育出版社，2007：128～133.

[2]中华人民共和国教育部制定. 普通高中化学课程标准（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：4.

[3]National Research Council （NRC）. A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas [S]. Washington，D.C.：The National Academies Press，2012：56～59.

[4]赵萍萍等. 科学教育中模型定义及其分类研究述评[J]. 教育学报，2015，（1）：46～53.

[5]张发新. 利用模型建构促进学生化学学习[J]. 化学教学，2017，（5）：24～28.

[7]Rosria S. Justi，Gilbert J.. Modelling，teachers views on the nature of modelling，and implications for the education of modellers [J]. International Journal of Science Education，2002，24（4）：369～387.

[8]Anhalt，Cynthia O. and Ricardo Cortez. Developing Understanding of Mathematical Modeling in Secondary Teacher Preparation [J]. Journal of Mathematics Teacher Education，2016，19（6）：523～545.