化学学科核心素养中“模型认知”的解读

吴星 吕琳 景崤壁

摘要： 对高中化学课程标准中模型、模型认知、认知模型等相关概念的内涵进行了分析，解读了化学学科核心素养中“模型认知”的蕴意，化学学科核心素养中“模型认知”包含认识科学模型、掌握模型方法和探索模型建构等内涵。

关键词： 高中化学; 模型; 模型认知; 学科核心素养

文章编号： 10056629（2020）0000306  中图分类号： G633.8  文献标识码： B

1 问题的提出

2018年教育部颁布的《普通高中化学课程标准（2017年版）》凝练了化学学科核心素养的维度，包括“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”“科学态度与社会责任”等5个方面，并将化学学科核心素养中的“模型认知”表述为： 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，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律[1]。自课程标准颁布以来，广大化学教育工作者对“证据推理与模型认知”的研究倾注了大量的心血，诸多对“证据推理与模型认知”的研究形成了一些新的认识，但仍有必要进行深入的探讨，以期化学学科核心素养在化学课程实施中落地能顺利实施。

2 对“模型”“认知模型”“模型认知”的理解

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中相继出现了模型、认知模型和模型认知等概念，分析这些概念的内涵、区别和联系，对于理解化学学科核心素养中的“模型认知”具有一定的帮助。

2.1 模型

“模型”的中文原意为规范。《说文解字》[2]上说“模，法也”，清代段玉裁作出了如下的注释：“以本曰模，以金曰鎔，以土曰型，以竹曰范，皆法也。”《辞海》[3]对“模型”一词作了如下解释： 根据实物、设计或设想，按比例、生态或其他特征制成的同实物相似的物体，供展览、观赏、绘画、摄影、试验或观测等用。在英语中“模型（Model）”一词源出于拉丁文的Modulus，意思是尺度、样本、标准。随着近代实验科学的兴起和现代科学认识的深化，模型一词的涵义有了较大的变化。

《教育大辞典》认为模型是原系统的一种简化、抽象和类比表示，不包括原系统的全部特征，但能集中表现出它的本质特征。美国《国家科学教育标准》（1996版）认为模型是与真实物体、单一事件或一类事件对应的而且具有解释力的体系或结构，模型可以帮助科学家和工程师了解事物的运作方式。钱学森认为模型就是通过我们对问题的分解，利用我们考察来的机理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所创造出来的一幅图画，一个思想上的结构物[4]。吉尔伯特（J.K. Gilbert）和博尔特（C.J. Boulter）认为，模型是对一种观点、一个实物、一个事件、一个概念、一个过程或者一个系统的表征[5]。邱美虹认为模型用以表征现象、概念、過程、事件或是物件等，它可以以不同的表征方式来呈现（如图像、文字等多元方式），以达到不同的功能与目的（如解释性、描述性等等）[6]。

模型分类的多元化是模型定义多样性的具体表现。人们经常说的科学模型、认知模型、心智模型、物理模型、数学模型、比例模型、类比模型，实物模型、概念模型、思维模型、思想模型、过程模型、系统模型、符号模型、数据模型等等，足以说明这一点。

虽然对模型有众多的定义，但多数学者认同：“模型”是指人们为了认识世界中的特定对象（“目标对象”即“原型”）而构想或构造出来、用于表征（模仿、模拟、刻画、代替、代表）目标对象的一种简化、抽象或近似的描述。化学课程标准中所说的模型，如“能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律”[7]，多数是指化学家在化学科学发展中所建构的科学模型。

2.2 认知模型

认知模型（Cognitive Model）是模型的一种类型。广义上讲，认知模型是个体对真实世界某一特定对象进行认知的过程模型，是人们在认识事物（事件）、理解世界过程中所形成的相对稳定的心智结构，是组织和表征知识的模式。

由于人类认知活动的复杂多样性，难以建立一个囊括一切认识活动的认知模型。根据人类的某一种认知有其对应结构原则的假设，人们经常研究能反映一方面或若干方面的认知特征的单一认知模型，如文字识别模型，记忆语义网络模型、人类联想记忆模型、人类长期记忆模型等。科学探索的计算研究或“机器发现”研究的主要目标就是为人类推理的思维过程建立一些认知模型。

科学认知模型是科学学术共同体对认识对象进行认知的过程性描述或刻画，它是一个有层次结构的复杂系统。科学认知模型也有细化为学科认知模型研究的。以物理认知模型为例，穆良柱[8]认为，物理学本质上是人类对整个自然界形成的可证伪的系统化认知，物理学家最终的目标是试图用少数几个基本原理解释整个自然界。根据物理学家在实践中的尝试，可总结归纳出物理认知模型（见图1）。“物理认知模型”试图说明物理认知过程由实验物理、理论物理、应用物理三个认知要素所组成，实验物理认知和理论物理认知对应的是科学探索过程，应用物理认知则对应技术应用过程。在实现每个认知步骤目标过程中，贯穿着物理学家做事的方法（物理方法）和物理学家做人的方法（追求真理、积极乐观的物理精神）。

综合上述分析，似乎可以对认知模型形成一般性的认识： 认知模型是主体（个体或学术共同体）在认识某一特定对象过程中不断形成的、相对稳定、有层次结构的组织和表征知识的系统。由于人类认知对象和认知过程的复杂性，人们常会给认知模型冠以“域”，称为“××认知模型”。

化学课程标准中多处出现“认知模型”，如在课程目标中要求学生能运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果;在化学学科核心素养的描述中提出： 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，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律。课程标准中所说的认知模型，可以理解为学生根据化学家们研究化学现象的一般思路和方法，所建构的对化学研究对象的认知模型。

2.3 模型认知

自《普通高中化学课程标准（2017年版）》将“证据推理与模型认知”总结概括为化学学科核心素养的维度以来，许多化学教育工作者对“模型认知”给出了自己的解读。如化学中的“模型认知”可理解为“利用模型进行思维的一种方法”[9]（杨玉琴，2019），“模型认知”是指人们利用模型认识事物或通过建模解决问题[10]（吴克勇，2017），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”[11]（陆军，2017）。

虽然“模型认知（Model Cognition）”和“认知模型（Cognitive Model）”，仅是词语顺序的颠倒，但所表达的意义差异却很大。从字面理解“模型认知”应该有对模型的认知和运用模型认知的意思。

由于“模型认知”首见于《普通高中化学课程标准（2017年版）》，只能从其中寻求解释和答案。《普通高中化学课程标准（2017年版）》对化学学科核心素养给出了下列描述：“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”要求学生形成化学学科的思想和方法;“科学探究与创新意识”从实践层面激励学生勇于创新;“科学态度与社会责任”进一步揭示了化学学习更高层次的价值追求[12]。上述描述说明“模型认知”更侧重于化学学科的思想和方法。

“模型认知”是运用模型思想（模型方法）认识事物和解决问题的思维方法。对学生而言，“模型认知”包括运用科学家们已经建构的科学模型分析解决问题、像科学家那样运用模型方法，通过建构模型分析解决问题等要素。

Z3 高中化学学科核心素养中“模型认知”的蕴意

3.1 科学学科教育中的模型与模型建构

模型思想和模型方法是自然科学领域最重要的学科思想和方法。Justi & Driel认为模型与建模对科学教育的重要性表现在三个方面，一是学习科学，学生了解主要的科学与历史模型，以及这些模型的范围与限制;二是学习动手做科学，提供机会给学生创造、表达和测试他们的模型;三是学习科学本质，学生学习模型的本质和认识模型的角色，知道科学探究的产物是模型的建构与传播[13]。

《普通高中数学课程标准（2017年版）》[14]在数学学科核心素养中对“数学建模”给出了下列描述： 数学建模是对现实问题进行数学抽象，用数学语言表达问题、用数学方法构建模型解决问题的素养。数学建模过程主要包括在实际情境中从数学的视角发现问题、提出问题，分析问题、建立模型，确定参数、计算求解，检验结果、改进模型，最终解决实际问题。《普通高中物理课程标准（2017年版）》[15]在物理学科核心素养中认为，“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式;是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。《普通高中生物课程标准（2017年版）》[16]在学科核心素养中要求： 学生应该在学习过程中逐步发展科学思维，如能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题。

由数学、物理、生物课程标准对“模型”和“建模”的描述可以发现，作为学科思想和方法的“模型建构”更强调培养通过建构模型以解决实际问题的素养。数学把“模型建构”看成是建立数学与外部世界的“桥梁”，更关注“模型建构”在解决实际问题中的作用;物理将“基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程”表征成科学思维的一种方式，关注学生通过识别、应用、选择、建构物理模型解决实际问题。

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及其应用的一门基础学科，其特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。《普通高中化学课程标准（2017年版）》将“证据推理与模型认知”作为化学学科核心素养的一个要素，并赋予了“模型认知”更丰富的内涵。

3.2 化学学科核心素养中的“模型认知”

《普通高中化学课程标准（2017年版）》在课程目标、学科核心素养及水平、学业质量标准、内容标准、学习要求、教学建议等部分都有“模型认知”（包括模型、认知模型和模型认知）的相关描述（见表1）。

高中化学课程标准首先将化学家们建构的科学模型（也可简称为化学模型）作为重要的化学学习内容，要求学生通过化学学习能识别、选择、运用化学模型解释化学事实和解决问题。其次将模型思想方法作为重要的化学学科思维方法，要求学生能认识模型在化学科学研究中的作用，体验化学家建构模型的过程，掌握建立证据与模型关系、分析模型与研究对象之间异同、评价模型应用范畴、改进和发展模型等方法。再其次将建构模型作为学生通过化学课程实施必须发展的重要能力，要求學生在化学学习中能建构多种认知模型，在复杂的化学问题情境中能建构模型解释复杂的化学问题。

因而，化学学科核心素养中的“模型认知”，包含“认识科学模型、掌握模型方法、探索模型建构”3个方面的内容，认识科学模型既是化学学习的重要内容，又是掌握模型方法的重要载体，学生在认知科学模型过程中掌握模型方法;掌握模型方法是认知科学模型的重要成果，也是探索模型建构的基础;探索模型建构是认识科学模型和掌握模型方法的能力体现，是认识科学模型和掌握模型方法的目的和归属。从认识科学模型到掌握模型方法，再到探索模型建构，体现了化学学科核心素养中的“模型认知”水平由低到高的发展顺序。

3.2.1 认识科学模型

“科学模型”是科学家为了研究现实世界中的目标对象而构想或构造出来、用于表征（模仿、模拟、刻画、代替、代表）目标对象的映像。科学研究的目的是认识、改造和保护世界，科学家们的研究可以认为是通过直接研究模型而间接地研究现实世界的。这是因为现实世界的任何实际部分都是复杂的，需要将研究对象的一些次要的细节、非本质的联系舍去，需要运用抽象、简约、理想化等方法，用一种结构上相类似但又比较简单的形式（模型）去再现研究对象（原型）的各种复杂结构、功能和联系。随着现代科学的发展，科学研究的领域已从宏观领域进入微观和宇观领域，使得现代科学的研究对象的非直观化因素大大增加，这就需要通过高度抽象思维和形象思维，运用符号、图形、数据等形式（模型）来反映研究对象的本质，从而克服研究对象非直观化所带来的认知困难。

化學家们在认识客观世界过程中，建立了许多科学模型，如探索物质结构所建立的原子、分子、晶体结构模型，探索微粒之作用力所建立的杂化轨道理论、价健理论、分子轨道理论、分子间作用力模型，探索化学变化规律所建立的碰撞理论、过渡态理论、化学平衡理论模型等。化学家们建立的科学模型是学生学习化学的重要内容。

认识科学模型是掌握模型方法和探索模型建构的基础。在化学课程实施中，要充分利用化学家们所建立的科学模型组织教学，引导学生认识化学中的常用科学模型，知道科学模型解释说明的对象，理解模型与研究对象的差异，认识模型的使用条件和适用范围，能在情境问题解决中利用化学家们建构的科学模型描述物质化学变化的过程，解释化学事实，并根据模型预测物质的性质和变化等。

3.2.2 掌握模型方法

模型是最常用的科学表征方法，模型方法已经成为现代科学认识中的一种极为重要的认识手段和思维方式。科学研究首先要确定研究对象（原型）、提出问题，根据特定研究目标并抓住原型的本质特征，对研究对象进行操作以获得有关信息，当信息达到一定数量后便对其进行必要的排列与分类，继而把它们通过一定的抽象、简约化等变换操作，初步建构一个能反映原型本质联系的观念形态模型，通过修改完善形成较为稳固且完整的观念形态模型，并进一步回答更深层次的问题[17]。

科学模型既能对原型进行解释说明，又能迁移应用于解释说明类似的原型，还能通过对模型的进一步研究为形成理论建立基础[18]（见图2）

模型方法在学生的化学学习中具有重要作用。模型方法是学生学习化学的重要手段，学生掌握了模型方法就能更透彻地理解化学学科知识。模型方法作为化学学科思维方法，能提高学生的科学思维能力，学生一旦将模型方法内化为自己的认知图式，就能获得思维水平的发展，同时模型方法还有助于培养学生的创造性思维能力。

掌握模型方法是学生认识科学模型的重要成果，也是学生探索模型建构的关键能力。化学课程实施中要充分引导学生沿着化学家创建科学模型的足迹，经历化学家建立和发展科学模型的过程，让学生不仅理解科学模型，还能了解和掌握模型方法;要引导学生认识化学概念、原理等理论知识的产生和发展过程，体验模型方法在化学原理和理论发展中的作用。

3.2.3 探索模型建构

建模（modeling）是一种人类自然的认知现象，是人类描述和解释自然现象的概念化过程，当遇到未知的现象时，人们很自然地会建构关于那些现象的个人理论，并以模型的方式在心智中表征它们[19]。建模的结果是建立关于现象、事物或系统的概念体系。

科学研究（或学习）的过程就是对自然世界建模的过程[20，21]，建模是一种“过程性知识”。在科学建模过程中，人们遵循科学认识的一般规律和原则，应用一定的科学理论，对研究对象进行描述，根据已有知识、理论和经验进行抽象，构想并衍生出初步模型，再经过验证等若干操作形成可表征研究对象的模型。

科学哲学家拉瑞？劳丹（Larry. Laudan）认为，科学认知过程就是解决问题的过程，解决问题是科学认知的基本单元，科学认知的目标是尽量把已解决的经验问题的范围扩展到最大，把反常和概念问题的范围缩减到最小，以获得具有高度解决问题效力的理论;科学认知的价值由理论解决的经验问题的数目和重要性来决定，这就是科学认知模型[22]。

化学课程实施中让学生探索模型建构，就是让学生探索建构化学认知模型，也就是要让学生探索建构化学问题解决模型。

学生的化学学习过程就是建立科学认知的过程。化学科学的研究对象决定了其研究内容的丰富性，化学学科具有内在逻辑结构，从学科核心观念层面可分为物质与能量、化学变化与平衡、微粒与相互作用、物质结构与性质等，从主题内容维度可分为科学实验探究、化学变化规律、物质结构性质、物质转化利用等。每个化学主题内容的特点决定了其认知模型具有不同的特征。在化学学习中要让学生像化学家研究化学那样认知化学，建构与主题内容相适应的认知模型，这对学生认知化学科学本质是十分有利的。

化学课程实施中让学生探索模型建构，就要让学生在模型建构和科学探究中学习化学[23]。科学探究可以帮助学生了解科学研究过程，并将科学知识运用到实际生活情境中，而模型正是科学探究的重要成果之一。在科学探究中让学生不断建构、使用、评价和修订模型，建立起科学知识具有可检验性、可修正性、解释性、推测性和生成性等本质特征的科学知识观。

建构解决复杂化学问题的思维模型是学生探索模型建构的重要内容。学生在解决复杂化学问题的过程中，针对需要解决的问题，通过观察等手段获取信息，在真实复杂情境中建立科学理论模型与研究对象的联系，建构起解决复杂问题的思维框架。解决复杂问题的过程既是创造性地应用科学模型的过程，也是建构模型的过程，在化学课程实施中，要让学生通过复杂化学问题解决培养自己的模型建构能力，并在复杂化学问题解决中评价学生的模型建构能力水平。

参考文献：

[1][7][12] 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.

[2] （汉）许慎. 说文解字[M]. 北京： 中华书局影印， 1983.

[3] 辞海编辑委员会. 辞海（缩印本）[M]. 上海： 上海辞书出版社， 1980.

[4] 钱学森. 论科学技术[J]. 科学通报， 1957， （3）： 97～104.

[5] GILBERT J K， BOULTER C J， et al. Positioning models in science education and in design and technology education. [M]//J. K. Gilbert & C. J. Boulter. Developing in science education. Netherlands： Kluwer Academic Publishers， 2000.

[6] 邱美虹， 劉俊庚. 从科学学习的观点探讨模型与建模能力[J]. 科学教育月刊， 2008， （31）： 2～20.

[8] 穆良柱. 什么是ETA物理认知模型[J]. 物理与工程， 2020， （1）： 178～182.

[9] 杨玉琴， 倪娟. 证据推理与模型认知： 内涵解析及实践策略[J]. 化学教育， 2019， 40（23）： 23～29.

[10] 吴克勇， 蔡子华. 模型认知释读[J]. 中学化学教学参考， 2017， （17）： 11～14.

[11] 陆军. 化学教学中引领学生模型认知的思考与探索[J]. 化学教学， 2017， （9）： 11～14.

[13] Justi， R. The development of science teachers ‘knowledge on models and modeling： promoting， characterizing， and understanding the process [J]. International Journal of Science Education， 2005， 27（5）： 549～573.

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

[15] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中物理课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[16] 中华人民共和国教育部制定. 普通高中生物课程标准（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[17] 肖立志. 认知模型论—关于自然科学发展模式的一个论纲[J]. 学术界， 1989， （5）： 13～19.

[18] 盖建民. 模型与现代科学认识[J]. 福建师范大学学报（哲学社会科学版）， 1991， （4）： 16～21

[19] 李妍. 乔纳森建构主义学习环境研究[D]. 上海： 华东师范大学硕士学位论文， 2007.

[20] Hestenes D. Modeling Games in the Newtonian World [J]. American Journal of Physics， 1992， 60（8）： 732～748.

[21] GILBERT S W. Model building and a definition of science [J]. Journal of Research in Science Teaching， 1991， 28（1）： 73～79.

[22] [美]拉瑞？劳丹著. 殷正冲， 张丽萍译. 科学与价值[M]. 福州： 福建人民出版社， 1989.

[23] Windschitl， M. ， Thompson， J. ， & Braaten M. . Beyond the scientific method： Modelbased inquiry as a new paradigm of preference for school Science investigations [J]. Science Education 2008， 92（5）： 942～967.