模型认知素养在初中化学微观概念教学中的落实

文/广州市增城区新塘镇沙埔中学

一、模型认知素养的内涵及价值

化学是在分子、原子的基础上认识物质，且物质存在多样性与复杂性，所以人们用化学方法探索物质世界时，常常对大量实验事实进行比较分析、推理、归纳概括后，还需要通过抽象和简化的方法建构模型来再现物质及变化的基本规律，这样的认识过程就叫“模型认知”。模型的种类繁多且有不同的分类标准，其中较为普遍使用的一种分类标准是按照模型代表和反映原型的方式来分的，可以分为物质模型和思想模型。物质模型是根据研究目的，采用天然存在的或人工制造的相似的实物作为客体的模拟物，运用这种实物模型获得关于客体的某种规律性的认识。思想模型是根据研究目的，通过分析抽象出原型的本质特征，借助语言、图象、符号或数学公式等表达出来。

“模型认知”能使知识的本质变得更清晰，使化学知识或解决化学问题的方法变得更加简约、形象而结构化。如果学生经历了对化学模型的观察、研究和自主构建就间接地知道原型的相关信息和真实形态，而且具有了一定的迁移应用能力，就有了利用已知模型去预测、推断和操控未知事物的能力，换句话说，模型的作用是“描述”“解释”“预测”和“指导”进一步的研究。

二、化学模型建构的过程探讨

观察原型、分析抽象出原型的本质特征而得出模型的过程即为模型建构，在此过程中需要采用科学的方法和遵循一定的模式，不同科学家对模型建构提出了多种方式。在这众多建模方式的背后不管何种模型的建构，其建模的主要过程是一致的：即首先是确定建立模型的目标，然后收集资料结合不同的科学方法抽取模型，再对此模型进行检验，如果通过了检验此模型就建立起来了，如果不通过就要对原模型进行修改或放弃，再次重复上述过程直到模型建立成功，因为科学知识的发展是一个不断生模型与修正模型的过程。例如，在初中化学《分子、原子》中分子的基本性质教学部分对水分子的建模过程：环节一：情境引入，学生画水，先引导学生观察桌上大家再熟悉不过的一杯水，让学生根据自己知道的水的状态及特点在草稿纸上画出这一杯水(如图1)；环节二：概念提出：教师“分水”，教师将杯中的水一分为二，再不断地分成更小体积的部分，引导学生开展想象出最终的结果是什么？再结合科学家对物质构成的探究和科学技术的证明，得出物质是由分子、原子等微观粒子构成及分子体积、质量很小的结论。环节三：模型初建：再次画水；用小圆“○”代表水分子，让学生再次画出水中的微粒(可能如图2各类式样)，师生共同分析同学们画出水分子的差异性，从而进行分子之间有间隔的相关实验验证及总结结论，并引导学生对生活中的相关现象的解释。第二次画水体现了学生认识的合理与不足的地方，引导学生修正认识偏差。环节四：模型再建；出示生活中有关分子运动的宏观现象的事例对学生设问：液体表面上方有没有水分子呢？进行有关分子运动的实验验证，让学生又一次画水，修正认识偏差(如图3)，学生在三次画水的过程中学生得到水是由水分子构成，水分子之间有间隔和分子在不断运动的相关认知。环节五：模型完善，从过氧化氢可以分解为水和氧气的宏观事实出发，知道分子是可以再分的，且分子是由原子构成的，展示不同分子的比例模型图，让学生第四次画水，完善认识(如图4)。

图1

图2

图3

图4

如果学生经历了这样的分子建模过程，间接地知道分子原型的相关信息和真实形态，且能迁移应用到来物理变化、化学变化的微观解释及分子与原子的概念相关内容，因而达成将化学现象与理论模型之间进行关联和合理的匹配，继而达到运用模型来描述和解释化学现象的素养目标。

三、初中教师在微观概念教学的现状分析

初中化学微观概念如分子、原子相关的概念是后续学习中有“生长点”功能的核心概念,化学教师能否帮助学生建立起原子水平上的微观模型认知，关系到整个微观认识的整体系统，因为它们是为下一单元学习从定量角度认化学变化得出质量守恒定律做铺垫的，也是为下册学习酸、碱、盐从微粒角度理解反应规律作准备，进而为高中阶段学习离子反应打下基础的重要一环。目前，中学生模型认知水平较低，这与我们化学传统教学中没有明确其地位与作用有关，特别是在处于化学启蒙的初中化学教学当中，化学教师认为模型在学习中有着重要的作用只是帮助学生获取知识而忽略了模型在发展学生思维和问题解决能力上的作用，这是对模型本质和特征的认识具有局限性；化学教师在选取模型时更注重模型的直观性和形象化而忽略了模型反映事物的本质特征这一标准模型，所以表达方式缺乏科学严谨性；化学教师有关模型建构的步骤缺乏检验的环节，如果完善检验环节就能培养学生纠错反思的能力与习惯；另外教师在进行模型讲解时缺乏与模型演变过程相结合环节，觉得直截了当地介绍现有模型比较节约时间，但这样忽略了对学生进行科学方法教育，因为模型建构是一个循环渐进的过程，如原子结构模型是从最初1803年道尔顿提出的实心球模型后再经过汤姆生葡萄干面包式模型、卢瑟福的核式结构模型、玻尔的轨道模型逐步演变到20世纪初提出的电子云模式的原子结构模型。

四、微观概念化学模型认知素养的培养策略

1.设计模型认知的教学情境。微观概念的建模是根据原型进行的建模，是将客观事物的原型抽象为认识论上的模型，通过对客观事物的研究获得对客观事物更本质更深刻的认识，此过程中要用到相似、简化、抽象等多种科学方法，而要调用起这些科学方法得要让学习者在一定的问题情境或任务下，调用已有概念域中相关概念，选择头脑中相似的情境问题特别是学生非常熟悉而且生动有趣的情境，以此为基础建构心智模型，并通过操作性活动解决问题。所以，要设计有利于模型认知情境，而且情境的素材信息最好是真实的、有意义的，能引起学生积极思考的，能够促使学生从整体上引领学生经历知识的产生、发展和应用的过程，从而进入主动分析问题、构建模型及解决问题当中，有效促进化学核心素养的培养。

2.帮助学生树立模型意识。学生在构建微观知识的过程中，既需要实验事实为基础，又要一定的观察、想象、类比性思维和一定的推论活动。教师通过引导学生通过建模来解决问题和获取知识，而且要在建模环节预留一定的时间，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与反复，学生就能体会到模型在学习中的应用价值，就会慢慢树立起建模意识，就会将模型认知固化为自己学习化学的一种重要的方式。

3.注重学生思维的引导。模型认知素养是学生思维方面的核心素养，相当部分初中教师在进行建模时能注重学生探究活动的体验与指导，但是对学生思维方面建构的引导得少或者不够精细，如对宏观事实到微观推论认识形成中的想象思维活动设计的精细化程度不高。因为实验事实本身不能直接形成微观认识，需要在实验事实基础上通过交互式的推论思维和想象思维活动才能建立起相应的微观思维模型，在此其中教师推论性的话语起至关重要作用。

4.培养学生化学阅读能力。在初中化学学习过程中，学生化学阅读能力是一项基础能力，因为只有学生具备良好的阅读能力才能在化学学习过程中更好地掌握抽象化学概念和知识点，而且学生不仅要熟记这一概念知识，还需要把握概念之间的联系，对其中所隐含的内在信息进行深入挖掘才会有一个较为清晰的思路。在微观概念教学过程中更是常使用到大量的图与表格，通过图表阅读材料来引导学生进行阅读，让学生通过图文结合对图表之中的信息进行分析和挖掘，对其中的图形或数据趋势以及项目信息进行比较和阅读，这样也就能够更好地帮助学生理解知识点。

笔者认为教师研究在微观概念教学时培养学生模型认知素养不但能帮助学生理解和掌握一些抽象概念，更能促使教师自身养成对知识进行认识论思考的良好习惯, 所以教师要充分挖掘和利用教材中可运用模型认知方法教学的内容，科学而系统地设计模型建构的认知活动,达成培养学生学科素养的课程设计。