初中化学中模型的内涵、分类及考查分析

艾璐

摘要：通过查阅文献资料，阐述了模型的内涵。基于前人对化学学科的模型分类研究，将初中化学内容中的模型分为概念模型、结构模型和过程模型三类，并结合中考试题对每一类模型的考查进行了梳理和分析，便于在初中化学教学中培养学生模型认知的能力，提升学生的模型认知素养。

关键词：初中化学;模型;中考试题

文章编号：1008-0546（2022）07-0007-07中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.002

《普通高中化学课程标准（2017年版）》中多次提及“模型”这一词语，且把“证据推理和模型认知”认定为五大化学学科核心素养之一。它既适合高中化学，又涵盖初中化学，原因在于提升学生的模型认知素养，不是一蹴而就的，而是一个渐进式的螺旋式上升的过程。因此，在初中化学学科的教学和评价过程中要进一步加强对模型的认识，梳理模型的内涵、分类和考查评价思路。

一、模型的内涵

赵萍萍、刘恩山[1]梳理了大量关于科学教育的模型定义及功能的研究文献，对模型给出的定义为：模型是事物的表征。

从表征的事物来看，吉尔伯特（J.K.Gilbert）和博尔特（C.J.Boulter）认为：模型是一种观点、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[1]。这个定义明确指出了模型所表征的事物，除了具体的实物之外，还可以是观点、事件、概念、过程和系统。以初中化学课程为例，模型可以表征抽象的观点，如原子核与电子之间的相互吸引力等;模型可以表征具体的实物，如高炉、石油分馏塔等;模型可以表征一个事件，如用α粒子轰击金箔等;模型可以表征一个概念，如溶解度、反应类型等;模型可以表征一个过程，如金属铁与稀盐酸反应生成氢气的过程等;模型可以表征一个系统，如自然界中的氧循环或碳循环系统等。

从表征的功能来看，吉尔伯特认为模型作为科学理论与现实世界之间的桥梁，具有以下三个功能：可以使抽象的事物具体化、可视化;可以将复杂的现象或事物简单化;可以为科学的解释和预测提供依据[1]。施瓦尔茨（C.V.Schwarz）认为模型有两大类的功能，一是用来描述、解释、预测现象;二是用于人们之间沟通观点，帮助人们产生新的观点[1]。基于以上两种观点，可以看出模型在科学研究中的功能主要聚焦在两个方面：一是可以使所表征的事物具体化、可视化和简单化，可以对事物进行描述、解释和预测;二是有助于人们沟通彼此的观点，帮助人们进行推理、问题解决，形成新的观点。化学是从分子、原子等微观层面去研究物质的组成、结构、性质、应用及其变化规律的科学。微观粒子不可直接观察，物质性质及其变化规律十分抽象、复杂，利用模型，可以使微观粒子可视化，抽象事物具体化，复杂问题简单化，有利于人们对事物进行描述、解释和预测，深化对事物的理解。同时，在理解的基础上，不断进行分析和推理，形成新的观点。如化学史中人类对原子结构的认识历程就是利用模型不断对原子结构进行描述、解释、预测和推理的过程。

从表征的方式来看，邱美虹认为模型用以表征现象、概念、过程、事件或是物件等，它可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）[2]。博尔特和巴克利（B.C.Buckley）认为模型表征的方式包括实物方式、语言方式（被听到的和被读到的）、视觉方式、数学方式、动作方式，以及以某一方式为主体融合其他方式的混合方式[1]。化学的研究对象是物质及其变化，与物质及其变化有关的许多观点、实物、事件、概念、过程和系统，常具有抽象性和复杂性的特点。为了使观点、实物、事件、概念、过程和系统更加具体化、简单化，在对其进行描述、解释、预测、分析和推理时，常用图形、符号、文字、图像、图线、数轴、数学表达式、坐标系、表格等方式来表征。而在初中化学教学中，以某一方式为主体融合其他方式的混合方式，也是使用较多的一种表征方式。

例1（2018年常州中考题） 利用铁炭混合物（铁屑和活性炭的混合物）处理含有 Cu（NO3）2、Pb（NO3）2和Zn（NO3）2的铜冶炼废水。在相同条件下，测量总质量相同、铁的质量分数不同的铁炭混合物对水中重金属离子的去除率，实验结果如图1所示。

图1是以坐标系为主体融合文字、符号、图线的混合表征方式。坐标系的横、纵坐标分别为铁炭混合物中铁的质量分数、重金属离子去除率;符号是 Cu2+、 Pb2+、Zn2+;图线有虚线、实线。

从表征的属性来看，博尔特和巴克利认为模型可以是定性或定量的，且定性又可分为静态和动态，定量也可分为静态和动态[1]。定性与定量結合，是化学学科的重要思想方法。定性模型，侧重于解决“质”的问题，常用符号、文字等方式来表征;定量模型，侧重于解决“量”的问题，常用图线、数字等方式来表征。初中化学教学中，以图像、符号、文字、图形等方式表征的模型属于静态模型，如物质制备的装置示意图等。动态模型主要是人们自身或利用计算机软件对事物进行的动态表征，如用ChemLab软件制作的仿真模拟化学实验装置等。

综上所述，对于“什么是模型”这一问题，从模型表征的事物、方式、属性和功能四个维度整体分析后可得出如图2所示的模型内涵。

二、模型的分类

在高中化学教育领域，不同学者或教师从不同的角度基于自己的研究成果或教学实践对模型进行了分类。李鹏鸽[3]等基于表现形式把模型分为实物模型、符号模型和思维模型吴克勇;、蔡子华[4]按照模型代表和反映原型的方式，把模型分为物质模型和思想模型。物质模型包括天然物质模型和人工物质模型;思想模型包括想象模型、符号模型和数学模型。陆军[5]认为模型包括实物模型和非实物的形式模型两类，形式模型又包括数学模型、图像模型和语义模型等情况。单旭峰[6]结合理论模型、实物模型和思维模型的分类方法，将中学化学学科的认知模型从内容和形式上分为概念模型、结构模型、过程模型、数学模型和复杂模型。以上对模型的分类，可以给初中化学教学提供参考和帮助，但不能机械套用。如初中化学课程未涉及到较复杂的物质模型和理论模型，且学生从分子、原子等微观层面去理解物质的组成、结构、性质、应用及其物质变化规律的认识还处于起步阶段，故初中化学教学中很少会涉及数学模型和复杂模型。基于前人的研究成果，根据模型的内涵及初中化学课程的特点，结合理论模型、实物模型和思维模型的分类方法，笔者认为初中化学学科的认知模型从表征内容和表征方式上可以分为以下三类。

1.概念模型

概念模型属于理论模型，常用文字或符号等方式来表征。其具体内涵是将化学现象或化学经验事实抽象归纳，揭示化学学科本质特征的理性知识。例如元素符号、化学式、化学方程式、反应类型、物质分类、溶解度等都属于这类理性知识。

2.结构模型

结构模型属于实物模型，是按实物比例进行放大或缩小的模型，主要关注的是实物的外部特征和内部结构，常用图形方式来表征。其具体内涵是将抽象的物质结构和复杂的装置结构以简化的方式呈现出来，便于解释事物内部结构的关系、功能及运作机制等。结构模型主要包括物质结构模型和装置结构模型。例如原子结构示意图属于物质结构模型，高炉属于装置结构模型。

3.过程模型

过程模型属于理论模型和思维模型的结合体，常用图像或图形等方式来表征。其具体内涵是用图形或图像方式表示反应过程中的微粒组合，表示反应或生产过程中某个物理量的变化过程，表示反应或生产过程中含有某元素的物质之间的转化过程。过程模型主要包括变化过程微观模型、变化过程量化模型和物质转化过程模型。

三、对模型的考查分析

一般而言，对模型的考查要求有三个层次水平：模型理解、模型应用、模型建构[3]。模型理解是最低水平，处于认知模型的浅层次阶段;模型建构是最高水平，学生需要有较强的建模能力。综合考虑初中阶段学生的模型意识还不强、初中化学课程内容具有启蒙性和基础性特点等因素，在中考中，对模型的考查评价主要体现在模型理解基础上的模型应用，要求学生能够在理解相关化学知识和方法的基础上，利用自己已经掌握或者试题中提供的模型解释化学现象、发现变化规律、揭示反应本质和预测反应事实等。

1.对概念模型的考查分析

“形成一些最基本的化学概念”是初中化学课程知识目标的主要内容。目前，中考试题对概念的考查逐步淡化了概念的简单记忆和重现，更多注重概念的理解和运用。这主要体现在四个方面：

其一，突出不同概念的比较，寻找不同概念的异同，考查学生对概念内涵和外延的理解情况。如例2中要求学生在对四组化学概念进行比较的基础上，建立起每组概念的包含或不包含模型。

例2（2019年无锡中考题） 表1 中有关X、Y表示的概念之间存在如图3所示的“包含”关系的是（）

其二，将概念植入真实、鲜活的生产生活情境中，考查学生在理解概念的基础上运用概念进行分析和推理以实现问题解决的能力。如例3中要求学生基于单质和氧化物的概念并根据反应前后原子数目不变的原理去分析和推理发生的化学反应。

例3（2019年南京中考题） 我国的钼矿储量非常丰富，用辉钼矿（AMS）制备钼的过程如图4所示，其中过程Ⅱ分两个阶段（见图5）。

其三，将化学概念与元素及其化合物知识有机融合在一起，一方面考查学生理解和运用概念的能力，另一方面考查学生对元素及其化合物知识是否形成网络化和系统化的理解。如图6（2019年雅安中考题）就要求学生从化合价和物质类别两个维度去认识 Fe 元素及其化合物性质。

其四，设置一些教材中未涉及的陌生概念的定义，考查学生在已学概念基础上对陌生概念的理解和应用情况。如中考试题提供氧化还原反应的概念，让学生判定初中阶段的四大反应类型是否属于氧化还原反应;根据氧化物的概念，判定哪些物质属于氯化物或硫化物;提供物质产率、含氧物质产氧率、物质分解率、反应转化率等新概念，让学生利用新概念来描述、解释物质的化学变化及规律。如例4中引入δ（分布分数）的陌生概念，让学生在理解概念的基础上分析CO 的分布分数先增后降的原因。

例4（2019年苏州中考题） 当温度、压强分别超过临界温度（374.2℃）和临界压强（22.1 MPa）时的水称为超临界水。现代研究表明：超临界水能够与氧气以任意比例互溶，由此发展了超临界水氧化技术。550℃时，测得乙醇（C2H6O）的超临界水氧化结果如图7所示。

注：δ（分布分数）表示某物质分子数占所有含碳物质分子总数的比例。问：CO 的分布分数先增后降的原因是。

2.对结构模型的考查分析

（1）物质结构模型

從微观角度分析宏观现象及物质性质是化学学科的重要方法。为了使抽象的微观粒子可视化、具体化，常常需要建立微粒的认知模型。初中阶段，物质结构模型主要分为原子结构模型和分子结构模型。

①原子结构模型

初中阶段，原子结构模型常以微粒结构示意图为主，考查学生是否能根据原子结构示意图确定出元素在元素周期表中的具体位置;是否会利用比较质子数（或核电荷数、原子序数）和电子数的大小去判断结构示意图是属于原子还是离子;是否能认识到元素种类与质子数之间、元素原子的化学性质与最外层电子数之间的联系等。这类试题难度虽不大，却是帮助学生建立微粒观和元素观的非常重要的内容之一。

②分子结构模型

分子结构模型常用图形描述，学生通过分析分子结构模型，要能认识到不同物质的性质或用途有何异同，要能判定出构成分子的原子种类，要能写出物质的分子式等。如例5中要求学生通过寻找不同分子结构中的“过氧基”来确定不同物质具有相同的用途。

例5（2003年常州中考题） 过氧化氢是一种常用的杀菌消毒剂，其原因是过氧化氢分子中含有一种叫作“过氧基”（图8 中①的虚线框标出的部分）的结构。据此推测下列②～④的物质中，可用作杀菌消毒剂的是。（填序号）

（2）装置结构模型

化学是一门以实验为基础的科学，初中生应认识常见的实验仪器，学习基本的实验技能，掌握基础的化学实验，同时要了解工业生产中一些特定的工业设备。从化学学科知识内容上看，装置结构模型分为实验仪器结构模型和工业设备结构模型。

①实验仪器结构模型

实验仪器结构模型就是根据实验仪器的外形和结构特征，按比例放大或缩小的模型。其考查的要求为：其一，学生要能在认识实验仪器装置的基本结构和功能的基础上，熟悉“课程标准”规定的七项基本实验技能，掌握“课程标准”规定的八个基础化学实验[7];其二，围绕某一实验目的，学生能准确分析出较复杂的组合实验装置中各种实验仪器内的物质的作用和功能，明晰每一步实验操作背后的原因;其三，为了达到某一实验目的，学生能合理选用实验仪器，并能利用其组装成一套实验装置安全进行实验。随着“课程标准”的深入实施，中考试题淡化了孤立、纯粹地对实验仪器、实验技能和基础化学实验进行单一考查，更多注重将实验仪器、实验技能和基础化学实验融合在一起进行综合考查，体现试题的开放性、实践性和探究性。这主要体现在两个方面：

第一，突出实验装置的多功能性。如图9（2007年常州中考题）中的实验仪器结构模型既可用于制取气体，又可用于验证物质性质。

第二，突出实验仪器的组合应用。如图10（2019年荆门中考题）中把具有制取、除杂等不同功能的实验仪器组合在一起用于探究 CO2气体与金属 Mg 的反应。

②工业设备结构模型

工业设备结构模型就是根据工业设备的外形和结构特征，按比例放大或缩小的模型。初中阶段，工业设备主要以炼铁设备、石油分馏塔为主。有时，试题会通过呈现学生比较陌生的工业设备的关键信息，提供简化结构图，让学生根据设备结构和反应原理分析实际工业生产过程。如图11（2018年常州中考题）表示的是竖炉炼铁的设备结构模型。

3.对过程模型的考查分析

（1）变化过程微观模型

变化过程微观模型常用变化前后的微观示意图描述。该模型所包含的知识内容有：物理变化前后分子种类不变，分子空隙改变。化学反应的本质就是原子间的重新组合，反应前后原子种类和数目不变，原子是化学变化中的最小微粒。复分解反应的本质就是离子之间结合生成水或沉淀或气体等。其考查的要求是学生在理解模型所包含的内容基础上，解释相关化学现象，了解化学变化的本质特征，揭示化学变化的内在规律。如图12（2019年雅安中考题）表示的是使用特殊的催化剂让CO2和H2转化为A或B等有机物的微观示意图。

（2）变化过程量化模型

变化过程量化模型是指在变化过程中某两个物理量之间的关系变化图表。该模型常用二维坐标图或表格来描述。从定性和定量的认识维度看，变化过程量化模型可分为定性量化模型和定量量化模型。

①定性量化模型

该模型中的物理量之间不存在数学关系，不能列

出具体的数学表达式来阐述物理量的变化趋势。利用该模型可以进行定性分析。如例6中的“压强—时间”曲线图和“温度—时间”曲线图都属于定性量化模型。

例6（2019年新疆中考题） 小明将未打磨的铝片和稀盐酸放入密闭容器中，用传感器探究反应过程中温度和压强的变化，如图13所示。

②定量量化模型

该模型中的物理量之间存在数学关系，可以列出具体的数学表达式来阐述物理量的变化趋势。利用该模型可以进行定量计算。如图14（2011年常州中考题）表示一定体积的气体 X 和不同体积的氧气反应（若反应生成水，水为液态），横坐标表示通入的氧气体积，纵坐标表示反应后气体的总体积（反应前后的温度与压强相同，同温同压下，相同体积的任何气体含有相同的分子数）。

（3）物质转化过程模型

奥苏贝尔的学习理论认为，采用建模思想，将化学问题中次要的、非本质的信息舍去，可使本质的知识变得更为清晰，更容易纳入学习者已有的知识框架中，使教师在教学时，正向迁移变得更容易[8 ]。物质转化过程模型就是将复杂的化工生产过程以简明的“工艺流程图”形式呈现出来的一种模型。一个规范的“工艺流程图”主要由四部分内容构成：

①生产时所使用的物质，如原材料、加入的试剂等。

②生产时所采用的操作，如分离、提纯、除杂等。

③生产时的反应及操作顺序，常用箭头表示先后顺序。

④反应及操作的条件，如调节pH、温度、压强、电解、煅烧等。

由于不同的化学工业生产过程中所包含的化学知识也不同，所以结合实际的生产情况，试题可能会让学生分析：

①“工艺流程图”中加入的试剂是什么？有什么作用？哪些试剂可以循环使用？

②采用的操作名称是什么？这样操作的目的或依据是什么？

③生产时发生的化学反应是什么？反应后得到的溶液或固体中含有什么物质？

④反应及操作需要什么条件？选择此条件的原因是什么？……

解此类题时，学生要建立“两个明确”的思维模式：明确反应机理→明确物质走向，具体内容见图15。

以“工艺流程图”形式呈现的物质转化过程模型，具有较强的综合性，有利于考查学生综合分析问题和解决问题的能力，是中考试题中备受青睐的一种考查方式。如图16（2019年广州中考题）表示利用富钇稀土（含Y2O3约70%，含Fe2O3、CuO、SiO2等约30%）生产大颗粒氧化钇的一种工艺流程图。

另外，为了突出化学学习的趣味性，在考查物质转化的知识时可以引入游戏，制定游戏规则，让学生在理解相应游戏规则的基礎上深化对物质转化的认识。如下棋游戏中的“吃子”和“连吃”规则、扑克游戏中的“对出”“单补”和“串出”规则、领取奖杯游戏中的“上阶梯”规则、积木游戏中的“搭建”规则、走出“化学村”游戏中的“寻路”规则等。如例7中通过制定车厢的相邻规则和“旅客”上车规则来考查物质的反应及转化。

例7（2019年江西中考题） “复兴号”化学动车组五节车厢A-E分别代表初中化学教材中五种常见物质，如图17所示，“→”表示相邻车厢的物质间转化关系（所涉及反应均为初中常见的化学反应）。其中 A 是用于医疗急救的气体;B 是黑色固体;D、E 是显碱性的不同类别的物质，且 D 广泛用于玻璃和洗涤剂生产。

四、结束语

“课程标准”单独设立“科学探究”主题，并明确提出了发展学生科学探究能力的内容和要求，这说明科学探究是初中化学课程的重要内容之一。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。因此，从对模型的考查形式角度分析，在考查时，试题还可以采用“将模型渗透于科学探究的具体步骤中”这一思路进行设计。学生解答此类试题的过程，既是学生利用模型理解化学现象本质的过程，也是发展学生科学探究能力的过程。

另外，从对模型的考查要求角度分析，由于“课程标准”中的不同化学知识主题对学生提出的能力要求不同，所以，在考查时，针对不同的化学内容要选择合适的模型，确立不同模型的考查原则。对于概念模型，主要定位在理解阶段，要让学生在准确理解概念的基础上，利用概念分析和解决化学问题。对于结构模型，主要定位在理解和应用阶段，让学生应用物质结构模型形成“结构决定性质”的认识，让学生以装置结构模型为载体去应用物质及其变化中的化学知识。对于过程模型，也主要定位在理解和应用阶段，利用微观模型考查学生对化学变化本质特征和内在规律的理解，利用量化模型考查学生定性和定量认识化学变化的能力，利用物质转化模型让学生初步形成“一定条件下物质可以转化”的观点。

参考文献

[1] 赵萍萍，刘恩山.科学教育中模型定义及其分类研究述评[J]. 教育学报，2015，11（1）：46-53.

[2] 邱美虹，刘俊庚.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（314）：2-20.

[3] 李鹏鸽，等.模型认知素养及其在化学概念教学中的落实[J]. 教学与管理，2018（2）：64-66.

[4] 吴克勇，蔡子华.模型认知释读[J]. 中学化学教学参考，2017（9）：11-14.

[5] 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）：19-23.

[6] 单旭峰.对“模型认知”学科核心素养的认识与思考[J].化学教学，2019（3）：8-12.

[7] 中華人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2011年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2012.

[8] 许美莲.基于模型认知的高三化学复习[J]. 化学教学，2019（2）：75-79.