浅谈化学模型要素的识别与生成策略

张钧如 李佳 李晓燕 汪朝阳

摘要： 模型要素的理解和应用能帮助学生学习和建构化学模型。在分析梳理“组成结构”模型、“作用力”模型、“变化规律”模型和“状态”模型要素的基础上，归纳出自上而下式与自下而上式两种要素识别方式，进而提出“合理选择要素识别方式”“明晰要素表示方式”“引导学生亲历要素识别及生成的思维活动”和“要素多维表征”等模型要素的生成策略，以原电池模型、原子结构示意图和电离理论模型等例子阐明策略的具体应用。

关键词： 化学模型; 模型要素; 要素识别; 思维活动; 教学策略

文章编号： 1005-6629（2021）03-0029-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

“模型认知”是化学学科核心素养之一，它要求学生通过分析、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]。Sins认为建构模型会历经“从现象中识别模型的要素”“推理分析出要素之间的相互关系”“形成完整的模型”这几个环节[2]。可见，认识研究对象的构成要素与要素间关系是建构模型的关键环节，而分析、推理是认识要素和要素间关系不可缺少的思维方法。

现有研究[3～5]大多基于较为宏观的模型教学框架展开，如何细致地落实模型教学的各环节还需更加深入地探讨。此外，从模型要素的角度关注模型教学的研究相对较少，如研究学生识别模型要素及其关系这一环节所使用的思维方式以及帮助学生识别模型要素的教学策略等。因此，有必要基于模型的分类和模型要素的含义分析不同模型的要素，提出帮助学生识别与生成模型要素的教学策略。

2  模型要素

2.1  模型及其分类

在一些学者的研究中，模型被定义为一种“描述”[6]“模拟”[7]或“图画”[8]。可见，模型是一种表征系统[9]，其根本属性在于表征研究对象，指出研究对象的关键特征或要素及其相互关系，具有描述、解释或预测功能。从内部结构来看，可以认为模型由要素及要素间的关系组成。

不同模型关注不同的研究方向，有的模型主要研究物质的组成或结构，即关注微粒或粒子的空间位置、大小、数量、连接等方面的特征，如化学式、结构式、原子结构示意图、晶体结构模型、有机分子的球棍模型等，可归类为“组成结构”模型。有的模型主要研究微粒间的相互作用力，即关注微粒内部或外部的电荷和电荷间的相互作用，如共价键、离子键、金属键、氢键等，可归类为“作用力”模型。有的模型主要研究物质的运动变化或物质性质的变化规律，即关注物质变化过程的特征和物质性质间的相似性、差异性，如氧化还原理论模型、有效碰撞理论模型、电离理论模型、电化学模型、勒夏特列原理、盖斯定律、元素周期律等，可归类为“变化规律”模型。需说明的是，元素周期律虽包含对原子结构的描述，但更强调元素性质随结构变化而呈现的递变规律，故将其划分为“变化规律”模型。有的模型主要研究物质或物质变化过程中的某些状态，即关注稳定条件下特定状态的某些特征，如阿伏伽德罗定律、化学平衡状态模型、化学平衡常数、过渡状态理论模型等，可归类为“状态”模型。

2.2  模型要素

研究对象由许多元素构成，在这些元素中，有一部分能说明它的本质和特征，对研究对象的变化、功能起显著性的影响，在抽象和概括成模型时会被保留，这些元素即为模型的要素。

不同模型的要素不盡相同，冯品钰认为理解晶体结构须知道微粒种类、微粒间相互作用、微粒的堆积方式以及它们之间的相互关系，故将这三者视为晶体结构模型的要素[10]。陈前进指出结构式的要素包括构成原子和价键结构，化学平衡模型的要素包括变化的条件、变化限度、定量和定性描述等[11]。王磊团队认为原电池模型的要素包括电极反应物、电极产物、过程和反应现象、失电子场所、电子导体、离子导体和得电子场所等[12]。

由模型要素的含义和不同学者对模型要素的概括可以看出，模型要素应具有必要性、简约性和抽象性等特点。基于此，初步指出部分重要化学模型的要素，见表1。

各类模型的研究方向（关注点）为明确模型要素提供了一定的参考。例如，“作用力”模型关注微粒内部或外部的电荷和电荷间的相互作用，而离子键这个“作用力”模型包含正离子、负离子、静电作用力等要素，前两个要素是电荷，后一个要素是电荷间的相互作用。“状态”模型关注稳定条件下的特定状态，而阿伏伽德罗定律这个“状态”模型包含同温同压、气体体积、分子间距等要素。其中，“同温同压”是一种稳定条件，“气体体积、分子间距”均是气体状态下的某些特征。

模型的分类虽可为研究模型要素提供帮助，但模型要素与各类模型的关注点并非完全吻合，不同的模型具有各自的特性，归纳各个具体模型的要素时需要进行“定制化”的考量。

3  模型要素的识别方式

3.1  自下而上的识别方式

人们从具体事物出发，将这些事物的本质特性以及影响其性质、变化的因素抽离出来并概括为模型要素的过程，即为自下而上式的模型要素识别方式。整个过程具有从具体到一般的特点，涉及猜想、归纳推理、抽象概括等思维活动。比如，学生通过组装不同材料制作简易电池后，推理出原电池必需的构成部分，识别原电池模型的要素;通过搭建球棍模型识别甲烷分子空间结构的要素“109°28′键角”等过程均运用了自下而上的模型要素识别方式。

自下而上的识别方式需要学生亲历模型形成的整个过程，侧重于建构模型的过程性，对学生分析推理等能力的提高大有裨益。以该种方式落实模型教学，所对应的模型认知能力水平更接近于“模型建构水平”。在确认模型要素及其关系、形成模型过程中，需要给予学生充分的时间思考，课堂耗时相对较长。

3.2  自上而下的识别方式

直接指出模型的要素，引导学生结合具体事例，用演绎推理等方法验证和梳理要素间关系的过程，即为自上而下式的模型要素识别方式。整个过程具有从一般到具体的特点，涉及演绎推理、类比、分析等思维活动。例如，影响盐类析出的因素很多，学生难以从数量庞大的事例中分辨出主要的影响因素与次要的影响因素。因此，可直接指出溶解度、浓度两个要素，鼓励学生从溶解度、浓度与盐类析出关系的多组数据中深入认识模型要素及要素间的关系，形成多组分体系析出的规律模型。

自上而下的识别方式明确地给学生指出模型要素，帮助学生快速通过模型认识研究对象，但需要学生将概括性的抽象内容具体化、形象化，较关注模型理解和运用的过程。以该种方式落实模型教学能使学生的模型能力更接近于“模型认识水平”或“迁移运用水平”。

4  模型要素的识别及生成策略

4.1  合理选择要素识别方式

选择合适的模型要素识别方式对落实模型教学有导向作用，可为课堂教学的思路框定方向。确定哪种模型要素识别方式最为合适，需从知识内容本身、学生的基础和课标的能力水平要求等三个方面考虑。

从知识内容考虑，当其抽象程度很高，难以从宏观现象判断其内在本质的特性时，宜采用自上而下的识别方式。而通过经验归纳就能识别出模型要素时，可采用自下而上的识别方式。从学生基础考虑，当学生具备能够支持其识别模型要素及其相互关系的知识经验时，宜采用自下而上的模型要素识别方式;反之，应采用自上而下式的要素识别方式。从课标的能力水平要求来看，若要求学生能通过模型认识或解释某些现象，即把模型视为解释工具时，可采用自上而下的模型要素识别方式;若要求学生能建构模型，侧重培养学生的建模能力时，宜采用自下而上的模型要素识别方式。

4.2  明晰要素的表示方式

认知模型可以用语言、符号、图像、动画模拟等形式表达出来，这些表达形式与真实事物形象的接近程度不同，部分的表达形式还隐含一些约定俗成的人为规则。因此，学生识别模型要素及要素间的关系后不一定能以正确的模型形式表达出来。比如，学生知道原子结构包括核外电子与原子核，知道核电荷数、核外电子层数以及每个电子层的电子数等，却仍可能无法形成原子结构示意图这一模型，因为他们不明确电子层用弧线表示、原子核及核电荷数用圆圈和带正号的数字表示等人为规则。因此，教师要让学生清楚如何用特定的表达形式表示要素，避免学生将注意力放在为什么弧线只画一半、弧线之间的间距大小等无关细节上，从而真正体会原子核结构的意象。

4.3  引导学生亲历要素识别与生成的思维活动

识别与生成模型要素作为模型建构的基本环节之一，与归纳推理等思维活动密不可分。教师需创设恰当的学习任务或条件，引导学生主动参与、主动进行归纳推理等思维活动，通过任务的完成识别出模型要素，进而生成模型要素及其要素间的关系。下面以“列举事例，归纳要素”这种任务活动为例来阐述如何帮助学生亲历要素识别与生成的思维活动。

列举事例（提供证据）是创设条件的基本手段之一，所提供的事例和提示性的语言可驱动学生自主归纳事例的相似之处与相异之处，经概括、分析后提炼为模型要素或梳理成要素间关系。所举事例可分为正例与反例。其中，正例是指有目标现象发生的例子，反例是指没有目标现象发生的例子。教师要对正例和反例的各个方面进行考量，保证以下几点：

（1）正例与正例之间除关键特点相同外，无其他共同之处;

（2）正例与反例之间除关键特点不同外，无其他不同点;

（3）例子要符合直观、典型的特点，可以是生活生产的常见现象，也可以是实验过程中观察到的现象;

（4）例子呈现的个数要适当，不宜过多。

在呈现具体事例后，通过提示性语言引导学生综合使用求同法和求异法。认识模型要素或要素间的关系。其中，求同法的基本思路为： 许多现象在不同的情况下发生了，而在这些情况中，只有一个条件是相同的，那么这个条件就是现象发生的原因。这里的逻辑形式为[13]：

事例条件或元素发生的现象

正例1A B Ca

正例2A D Ea

正例3A F Ga

结论A是a的原因

求异法的基本思路为： 前一个事例出现了某现象，后一个事例没有出现某现象，则后一个事例中缺少的条件即为现象发生的原因。这里的逻辑形式为[14]：

事例条件或元素发生的现象

正例1A B Ca

反例2B C无

结论A是a的原因

為了让学生更容易发现事例的异同，更灵活地使用求同法和求异法，可以将具体事例置于逻辑形式的表格中加以呈现，让学生顺利推理出结论。例如，在高一阶段，为帮助学生识别原电池模型的“电解质溶液”这一要素，可以提供多种装置作为正反事例（见表2），学生通过对比这几个事例来推理具有怎样特点的溶液才能使装置产生电流。其中，事例①②的共同点是电解质溶液，无其他明显的共同特征（均为酸溶液、均为盐溶液、阴离子或阳离子相同、阴阳离子个数比相同结论？是装置产生电流的条件之一。

归纳推理等思维活动不仅能让学生有效掌握学习的内容，还能让学生在活动过程中尝试运用推理分析技能，增强对推理能力的信心，形成建模和用模的能力。学生在课堂上进行的推理实践越多，亲历识别模型要素和自主建构模型的经验越多，这种认识事物的方式就越容易迁移到其他问题情境和应用到日常生活中。

4.4  要素多维表征策略

通过语言表述、视觉模拟以及框线图概述三种方式来表征模型要素和要素间关系的策略称为“要素多维表征策略”。若学生能运用语言将其脑海中的认知表达出来，这代表他们很可能对相关内容已经有一定的记忆或者理解[15]。因此，可以鼓励学生用语言口头表达他们脑海当中初步建立的模型（包括概况与细节），让学生在表达的过程中清晰要素及要素间的关系，对模型有更深刻理解。同时，还能诊断与评价学生的模型认知情况。

其次，运用动画模拟、图像等视觉鲜明的工具加深学生对模型（包括要素和要素间关系）的印象（如图1）。在观察动画或图像的过程中，学生会自行对比脑海中形成的模型与展示的动画或图像模型之间的异同，修正相异构想并落实对模型细节的认识。

上述两种维度的表征都是将模型具体化、细致化，以帮助学生消除可能存在的疑惑，最后一个维度则通过“框”和“线”将要素和要素间的关系以高度简洁、凝练的形式呈现出来，它能总结并明确模型的基本框架，是学习者对模型在认识上的升华，我们将这样的图称为“框线图”（如图2）。

下面以电离理论模型的建构为例，阐述要素多维表征策略的使用：

[语言表述]鼓励学生用语言表达对该模型的认识： 电离前，化合物中的阴阳离子或原子因相互作用力而紧密结合。化合物溶于水后，其内部的阴阳离子或原子之间的相互作用力被水分子破坏，原本紧密结合的阴阳离子或原子形成自由移动的水合离子。加热熔融时，化合物内部的阴阳离子或原子之间的相互作用力在能量的作用下被破坏，原本紧密结合的阴阳离子或原子变成自由移动的阴阳离子。

[视觉模拟]教材已呈现离子化合物NaCl的电离过程模型图，对于共价化合物（如HCl）的电离过程，可通过图1的视觉模拟图呈现。

[框线图概述]总结并明确电离理论模型的要素及要素间关系，见图2。

5  启示

对教师而言，从要素这一角度对化学模型展开分析能为科学地确立目标模型提供帮助;从要素的识别与生成这一角度理解学生在模型认知活动中所要经历的思维活动、学习的重难点或进阶过程，能为设计合理且具有针对性的教学策略提供思考方向。同时，可增强教师对模型教学全程的整体把控能力。

對学生而言，以每个模型要素的识别与生成作为模型学习的任务单元，经过引导和提示进行思维活动，最终完成各个要素的识别和生成，是真正落实模型教学的关键，也是发展学生的分析推理能力和模型认知能力的重要方式。

现阶段，研究者对模型要素的关注较少，模型要素如何确定、是否科学合理等问题还没有系统化的探讨。在模型认知活动中，除归纳推理外，还涉及到演绎推理、类比推理、分析等思维活动的展开，设计更多教学策略帮助学生掌握进行思维活动的诀窍、识别与生成模型要素、亲历模型建构的过程等，也需要更为深入地探索。

参考文献：

[1]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.

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[5]王换荣， 陈德坤， 陈进前. 化学核心素养之构建模型认知在教学中的应用[J]. 现代中小学教育， 2019， 35（1）： 45～49.

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[8]钱学森. 论科学技术[J]. 科学画报， 1957， （4）： 99.

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[10]冯品钰， 何彩霞. 发展学生模型认知的化学教学实践——以“离子晶体”为例[J]. 教育与装备研究， 2018， 34（4）： 29～33.