对化学教学中“模型认知”的认识与思考*

刘 媛，张红鸽，尚永辉，韩银凤**

(1.宝鸡文理学院，化学化工学院，陕西 宝鸡 721013；2.咸阳师范学院，化学与化工学院，陕西 咸阳 712000)

在新课程改革的引领下，依据时代发展需求、国家战略要求以及个人发展需求，教育部于2018年发布了《普通高中化学课程标准(2017年版)》(以下简称《课标》)。本次《课标》修订的重要突破点之一在于提出和构建了化学学科核心素养体系，其决定着教学目标、学习目标、教育考试评价目标，体现了教育改革的理念及价值取向。化学学科核心素养共包含5个方面，其中，“证据推理与模型认知”是化学核心素养的思维核心之一，同时也是广大教师感到困惑的难点。因为在此之前，国内众多科学教育研究者和教师对模型的了解主要停留在实物层面，对模型分类的认识主要聚焦在物理模型、数学模型和概念模型这三类上，对每一类的界定并不十分清晰一致[1]，导致有很多中学教师对模型的认识停留于表层含义，不清楚模型的本质，对模型分类混乱，缺乏对模型的价值认识，因此难以真正实现以素养为本的教学。为了使教师更深刻地认识“模型认知”素养的重要性，本文在分析目前中学化学学科领域内“模型”和“建模”研究现状的基础上进一步探讨了化学模型的定义、化学模型分类，并提出了模型在化学教学中应用的教学策略，为化学模型的理解和应用提供了一定参考。

1 研究现状

为了解近年来“模型”及“建模”在化学教育领域内的研究现状，文章选取了《化学教学》《化学教育》《化学教与学》《中学化学教学参考》4种中学化学教育的重点期刊作为研究对象。在CNKI网站，以“模型”或“建模”为主题词，共检索出近10年来中文文献1834篇，利用 CiteSpace 软件中的“LLR”聚类算法对模型和建模领域内的关键词进行聚类分析，总结研究主题(见图1)，聚类轮廓性指标Mean Silhouette S=0.9519大于0.5，网络模块度Modularity Q=0.8462大于0.3，说明聚类显著且结构可信度高。

图1 关键词聚类图谱

基于分析可知，模型和建模在中学化学学科领域内的研究主要集中在模型认知视角下的教学研究、建模教学在中学化学中的应用、中学化学复习课中模型的建构与应用研究等三个方面。

1)模型认知视角下的教学研究。从图1中的教学设计、化学教学、教学策略、化学平衡、电解池等多个高频关键词可以看出，在中学阶段，特别是高中阶段，由于理论性知识增多且比较抽象，增大了学生的理解难度，所以教师需要借助更多的模型降低课程内容的抽象性，帮助学生理解相关内容。因此，有众多学者基于模型认知进行了教学设计，如陈进前结合实例，介绍了基于证据推理解答电化学试题的思维模型[2]。盛韵以“盐类的水解”第一课时为例，呈现了基于“模型认知”、融合真实情境的教学设计[3]。

2)建模教学在中学化学中的应用。 模型建构是落实 “模型认知” 素养的重要途径之一。 建模是一个复杂的且具有创造性的实践活动，对于科学知识的生成以及问题解决能力的培养都至关重要。 张发新[4]提出通过 “对话”、 创设情境、 从思维的起点出发等构建化学模型。 王磊[5]等人通过对 “化学反应原理” 模块的内容进行整体梳理和分析，构建了化学反应的认识模型。

3)中学化学复习课中模型的建构与应用研究。复习课的主要任务是通过复习巩固所学知识，帮助学生加深对已有知识经验的认识和理解，并将知识串联起来，使之网络化、系统化和条理化。许多学者对复习课中的认知模型进行了总结，如黄鸣春[6]等在“元素周期律·表”复习课中提出了关于元素及物质的认识模型，培养了学生的系统化思维，促进了学生的认知发展。

2 化学模型

2.1 模型的定义

自20世纪90年代初至今，尤其是在教育科学领域，对于理解和发展建模能力的重要性逐渐在全世界范围传播，越来越多的学者也开始对模型及建模进行研究。在化学学科领域内，我国教育学者陆军[7]提出对模型的两点认识，一是“模型”是“一种重要的科学操作与科学思维方法”，二是“模型”包括实物模型和非实物的形式模型两类，这个定义主要关注的是模型是一种重要的思维方式以及模型的分类。陈进前[8]认为化学模型是重要的科学模型，是人们对化学领域中的研究对象作科学研究后所得结果的表述与解释，是重要的化学方法，这个定义强调了模型是一种重要的科学方法。在我国化学教科书中对模型的定义也进行了界定，以2017人教版高中化学必修1教材为例，其给出的模型定义为：“在对研究对象进行实验观察和证据推理的基础上，利用简化、抽象和类比等方法，将反映研究现象的本质特征形成一种概括性的描述或认识思路，这就是模型”[9]。这个定义主要关注了三方面的内容：模型是在相关研究的基础上对原型的一种简化；模型是对事物本质特征的反映；以及模型是一种系统化的思维模式。

国外的教育学者吉尔伯特 (J.K.Gilbert)认为，科学中的模型最初是为了某种科学意义而构建的关于某种现象的表征，模型可以是现实的理想化，抽象的可视化以及复杂事物的简单化，是对现象进行科学解释和预测的基础[10]。这个定义除了关注模型是对某种事物的简化，还强调了模型的功能。 吉雷 (Giere)认为模型是在实验活动与科学理论的互动中所产生的中间产物[10]。 这个定义强调了模型是理论和实践的产物。

综上所述，国内外对于模型定义尚无统一的定论，但都认为：模型是为了某种特定的目的，利用简化、抽象、类比等方法，对事物的本质进行表征，将抽象思维外显化。 其表征形式是多样化的 (如图像、 文字等)，以达到不同的目的和功能 (如解释性、 预测性)。

2.2 化学模型分类

在化学学科中，模型的表示形式多种多样，对模型进行分类便于我们更清楚的认识模型，了解模型的特点。化学教学中应用的模型种类很多(见表1)。

表1 化学模型分类表

图2 分散系与微粒直径、半透膜孔径、滤纸孔径大小的关系

图3 反应过程与物质的焓关系图

图4 原电池思维模型

由上表可知，不同研究人员对化学模型存在诸多不同的分类。模型分类的多样性为研究对象的多重表征提供了可能性，单一的表征方式往往只能获得研究对象的局部信息，而多重表征能够从不同层面描述研究对象，从而加深学生对对象的认识和理解。例如我们可以使用符号模型和结构模型同时对水分子进行表征，帮助学生从不同角度认识水分子。值得注意的是，化学学科跨越了宏微符三个领域，教师在教学中要更加注重实物模型、想象模型和符号模型的混和表征，引导学生认识三者的联系并能够在不同表征水平上转换，获得对知识本质的理解[15]。化学模型分类的多样性为中学化学的教学和学习提供了指导和帮助，但是必须要结合具体的学科知识，不可机械套用。学生理解运用模型学习并非一定要把模型画在纸上，或者拿在手上，而是学生通过对模型的理解学习，对所学内容形成独特的理解和认识。

陈进前[16]提出：除了要了解化学中的模型分类，还应学习化学认识模型。化学认识模型是指导学生对学习化学知识、研究化学问题的一种系统化思维模式，可在“研究什么、怎么研究、要完成哪几类任务、从哪些角度研究”等为学生提供策略性指导。化学知识点繁多，记忆量大，学生如果学习方法不当，容易对化学学习产生厌烦，压力大等不良情绪，因此系统化的思维模式对化学学习是必不可少的，教师应在课堂教学中着重向学生介绍化学认识模型。

2.3 模型在化学教学中的应用

《课标》中对于“模型认知”素养的要求是：“能认识化学现象与模型之间的联系，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；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”[17]。其中，模型建构是中学生模型认知能力要求的最高水平。Halloun[10]将建模过程阐述为五个步骤，分别是模型选择、模型构建、模型验证、模型分析和模型应用，以此来进行科学活动。邱美虹[10]提出建模的四个步骤：模型开发、模型评估、模型应用和模型重建。我们在实际的教学实践中，应针对不同的内容进行模型建构。结合以往学者对于建模的研究，我们提出基于模型认知的教学策略如下：

第一步：情境导入

在进行情境导入时，需依据教学内容、学生的认知水平及生活经验选择合适的情境载体，既可以从教材中选择素材，也可以从日常生活以及工业生产中选择素材。除此之外，也可根据具体情况将化学史料引入化学教学中，将史料作为探究历史问题的证据，不但能够激发学生学习化学的兴趣，而且也能够培养学生的思维能力和探究精神。

第二步：模型选择/原型分析

在选择原型时，需注意选取合适的研究对象，研究对象所包含的要素需完整、独立，且符合学生的认知发展，另外，由于化学学科涉及较多微观知识，增加了学生的理解难度，所以在教学活动中可以利用信息技术辅助教学，降低学生对于化学知识的理解难度。

在进行原型分析时，应从多角度分析认识对象的特征、构成要素及其相互关系。

第三步：模型建构

在进行模型建构时，综合应用观察、分析、比较、归纳、概括等方法抽象出原型的本质特征，然后进行简化和表征。

第四步：模型应用

在模型应用阶段的核心任务就是要发挥模型在科学认识过程中的描述、解释和预测等功能，并且在这个过程当中可以评价学生的建模水平。

第五步：模型完善

在新的情境中应用所建构的模型，通过一些认知冲突来更新学生对研究对象的认识，从而更新和完善模型。

3 结语

教育改革进入关键时期，落实要靠教学实践，教师要坚持以核心素养为导向的教学。模型方法是重要的科学研究方法，构建有效的科学模型有助于提升学习效率，培养学生的科学实践能力和创新意识。模型认知素养的提高不是一蹴而就的，它是一个长期的，不断发展进阶的过程，需要广大教育工作者的共同努力。