模型认知素养的化学学科命题分析与教学建议

【作者简介】徐超成，高级教师，副校长，浙江省中学化学教学分会理事，浙江省教科研先进个人，浙江省校本研修先进个人，杭州市优秀教师，杭州市教坛新秀，杭州市学科带头人，杭州市教育工匠，主要研究方向为教学案例研究。

【摘 要】证据推理与模型认知是高中化学学科核心素养之一，它在化学试题命制中占据重要地位。文章以2023年全国各地部分试题为例，从学业质量标准角度对核心素养导向下的模型认知素养试题的模型识别、模型表征、模型建构、模型应用等四个方面进行评析，总结其考查特点与规律，并对教学提出建议，有助于师生更好地把握和理解模型认知素养的考查。

【关键词】核心素养；模型认知；高中化学；命题分析

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）将化学学科核心素养分为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五个方面［1］3。模型认知是化学学科核心素养的思维中心，在化学学科核心素养中占据重要的位置。

一、模型认知的内涵

1.概念内涵

模型认知是一种在思维过程中运用模型的方法，它以感性认识为基础，以理性化思维为过程，运用近似、简化的摹写方式，揭示化学原型客体的本质和规律。化学基本规律和理论大多有赖于模型才能建立，可以说，化学的发展过程就是模型的建立、运用和修正的过程。创建能够解释真实世界现象的模型是从事科学活动的核心素养，学生积极参与建模活动是化学学习的重要步骤，表现为通过分析、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，建立认识模型，并能运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律［1］4。

2.模型认知素养水平划分

《课程标准》对各个核心素养进行了水平划分，笔者依据《课程标准》的水平划分，对模型认知素养水平进行了细分，具体见表1［2］。

二、模型认知的命题实践

基于化学学科核心素养的测试题的命制，教师需要明晰测定的学科核心素养维度及其水平，清楚化学学科的知识内容和结构，选择基于测试目标与测试学科内容相关联的情境，在情境中设计问题，对学生解决问题的结果进行预测。命题的框架是测试编制的蓝本，模型认知命题要从真实情境、评价问题、知识目标等要素加以落实，形成模型认知素养命题框架，如图1所示［3］。

模型认知素养可以解构为模型识别、模型表征、模型建构、模型应用等四个要素。

1.利用核心知识考查模型识别素养

考查内容是测评结果和使用效度的重要依据，命题选择的内容以学科核心知识为基础，化学核心知识有氧化还原反应、能量守恒、化学平衡、电化学原理等。模型识别素养试题的命制把化学核心知识融入化学试题中，考查化学物质模型和理论模型的识别，通过对关键要素进行提取和分析，建立起化学事实与化学模型间的对应关系。试题命制着力于分析化学核心知识，抽象、概括出科学认知模型，并以此解决化学复杂问题。

【例1】（2023年高考全国甲卷化学第12题）用可再生能源电还原CO2时，采用高浓度的K+抑制酸性电解液中的析氢反应来提高多碳产物（乙烯、乙醇等）的生成率，装置如图2所示。下列说法正确的是（  ）

A.析氢反应发生在IrOx-Ti电极上

B. Cl-从Cu电极迁移到IrOx-Ti电极

C.阴极发生的反应有：2CO2+12H++12e- [              ]C2H4+4H2O

D.每转移1mol电子，阳极生成11.2L气体（标准状况）

【命题思路分析】本题以可再生能源电还原CO2为真实情境立意，真实情境属于变式情境。评价问题为应用图示信息，分析解读信息任务，利用示意图，把CO2还原再生为C2H4、C2H5OH。评价问题中，除了电极判断、氧化还原反应视角，还有基于溶液中离子平衡分析物质性质的视角。试题各选项均明晰了分析角度，因此，属于“给定分析角度”类问题解决任务。即考查学生在具体的信息情境下将所学知识与图表信息结合进行判读、决策的能力。学生需要对原电池的正负极、电极反应方程式、离子的移动方向进行识别。本题是对模型识别素养中学业质量水平2的考查。

2.构建驱动任务考查模型表征素养

素养发展水平的高低要通过行为来表现，而行为表现在各种任务的完成情况中展现出来。试题命制中可以设置针对化学问题、现象等具体任务的化学模型，借以考查学生描述、加工问题的能力；也可以编制描述化学现象或反应的化学概念模型。试题力求体现化学表征的特点和化学模型的通用性、直观性。任务设置建立起化学事实与化学模型间的对应关系，并加以表征。

【例2】（2023年江苏高考化学第15题节选）化合物I是鞘氨醇激酶抑制剂，其合成路线如下：

（4）写出同时满足下列条件的C的一种同分异构体的结构简式：______________。碱性条件水解后酸化生成两种产物，产物之一的分子中碳原子轨道杂化类型相同且室温下不能使2%酸性KMnO4溶液褪色；加热条件下，铜催化另一产物与氧气反应，所得有机产物的核磁共振氢谱中只有1个峰。

【命题思路分析】本题以鞘氨醇激酶抑制剂为真实情境立意，基于有机物醇、卤代烃、酯等性质和有机反应类型等核心知识，设计了限定条件下的同分异构体书写、合成路线等多元驱动问题任务，以此考查学生有机反应原理，让学生依据已学知识、题中所给反应信息和分子式信息对官能团、结构简式、有机反应方程式、合成路线、限定条件下的同分异构体进行表征。第（4）问中，从已知化合物C的同分异构体碱性条件水解后酸化生成两种产物，产物之一的分子中碳原子轨道杂化类型相同且室温下不能使2%酸性KMnO4溶液褪色，可以推测该水解产物为苯甲酸；另一水解产物加热条件下，铜催化该产物与氧气反应，所得有机产物的核磁共振氢譜中只有1个峰，由此确定醇为2-丙醇。学生对此进行模型表征，写出符合条件的同分异构体，属于模型表征素养中学业质量水平3的考查。第（6）问中，有机合成路线的设计从目标产物出发，依据题给原料及信息模型，进行关联分析或逆向分析模型设计出合成路线并加以表征，是对模型表征素养中学业质量水平4的考查。

3.设置信息情境考查模型建构素养

无情境，不命题。试题命制把生产生活与化学相关的信息（工艺流程、实验方案、电化学反应原理、实验数据等）融入化学试题中，考查获取信息的能力，从试题提供的信息识别出有效证据，获取关于物质的组成、结构、性质、变化的规律，并分析解读证据。命制模型认知素养试题时呈现的信息不能仅对原始信息进行简单“移植”，而是要对原始信息再加工，如可以对高中化学相关的化学知识加以“包装”，以多种形式呈现。另外，试题的命制侧重思维的指向性，要体现模型建构，以及化学知识的本质。构建模型的过程既是学生科学探究的过程，也是学生更好地理解化学关键模型、认识化学知识本质的过程。

【例3】（2023年1月浙江选考化学第19题节选）“碳达峰·碳中和”是我国社会发展重大战略之一，CH4还原CO2是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关的主要反应有

Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）[]2CO（g）+2H2（g） [Δ]H1=+247kJ·mol-1，K1

Ⅱ：CO2（g）+H2（g）[]CO（g）+H2O（g） [Δ]H2=+41kJ·mol-1，K2

请回答：

（4）CH4还原能力（R）可衡量CO2转化效率，R=[Δn（CO2）Δn（CH4）]（同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比）。

①常压下CH4和CO2按物质的量之比1∶3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图3，请在图4中画出400～1 000℃之间R的变化趋势，并标明1 000℃时R值。

【命题思路分析】本题以“碳达峰·碳中和”为真实情境立意，基于温度对化学平衡影响的规律等核心知识，设计了不同温度下R的变化趋势，并标明1 000℃時R值等评价问题，考查学生的化学平衡模型建构。学生利用过程模型提供的信息，结合坐标图进行数据分析并作图，建构模型。利用平衡模型的核心知识和建构的化学模型分析化学反应问题并作出坐标图，是对模型建构素养中学业质量水平4的考查。

4.基于学科理解考查模型应用素养

化学学科理解不仅指对化学学科知识的理解，还指对化学思维方式的理解，是一种指向化学学科知识的结构化思维方式的认识。试题通过多种途径和方法考查学生的化学学科理解能力。学生要基于知识内在结构进行完整性理解，还要基于知识结构化进行关联性理解［4］。模型应用在于学生需要定性、定量地提取并分析化学模型中的关键要素，从而获得正确结论，考查的是学生的模型应用能力——利用模型解决具体问题的能力。比如解释化学事实、判断反应产物、预测新现象等。试题命制减少死记硬背的知识，增加探析化学本源的问题，体现模型应用素养考查，以及化学知识的本质。

【例4】（2023年全国乙卷化学第35题节选）中国第一辆火星车“祝融号”成功登陆火星。探测发现火星上存在大量橄榄石矿物（MgxFe2-xSiO4）。回答下列问题：

（3）一种硼镁化合物具有超导性能，晶体结构属于立方晶系，其晶体结构、晶胞沿c轴的投影图如图5所示，晶胞中含有_______个Mg。该物质化学式为_______，B—B最近距离为_______。

【命题思路分析】本题以火星车“祝融号”探测发现火星上的橄榄石矿物为真实情境立意，晶胞、晶体结构为知识目标，根据硼镁化合物的六方晶体结构特点考查晶胞中原子个数，通过晶胞结构分析计算具体化学式，最后再次应用晶体模型知识考查B—B最近距离。试题融合晶胞模型的特点，基于化学知识的学科功能、化学知识的逻辑关系和化学结构知识本源，将化学知识关联起来，形成有机的整体，用模型建构的思想解决问题，使学生理解科学的本质。本题是对模型应用素养中学业质量水平4的考查。

三、模型建构存在的问题

审视当前教师的教学行为，化学模型建构存在的问题主要有以下几个方面。

1.注重被动接受，忽视主动建模

教师对模型的认识不到位，实践过程存在盲目性，在教学上不能得心应手，学生也是一知半解，使得建模在化学教学中效果不明显。很多教师反映模型内容繁杂松散，不够系统，模型往往较为抽象，难以搭建。虽然学生自主建模能够有效提高思维，但需要消耗大量课堂时间。针对学生解题能力提升对学生进行仅有的几次模型训练收效甚微，大多数学生感到学习效率低下，部分学生甚至当成游戏，不如教师直接传授效率高。因此，师生均不喜欢建模，而是喜欢传统的接受式教学，注重被动接受，忽视主动建模。

2.重视书面应答，轻视科学建模

教师在专业知识上难免有不足，而高考要求相对高，对核心素养的考查停留在解题上，使得学生在模型方法的使用上难以恰到好处。模型教学一方面遭教师冷落，另一方面，学生随着年级的增加越来越重视分数，注重刷题和学习解题技巧，热衷于答案或结果，而认为建模过程可有可无。

3.追求应试能力，缺乏实验建模

模型方法能够有效地提高学生的综合思维能力，模型思维对于化学探究分析问题有事半功倍之效。但是一线教师由于课堂时间紧张往往会生硬地直接传授定律、公式等，让学生直接记忆，导致学生对公式等都是一知半解，对模型的应用更是生搬硬套，模型教学思维能力的要求形同虚设，学生对模型的多样性、动态性等都无法形成正确的感觉体验。

四、模型建构产生问题的原因

1.模型理论不系统，课堂建模收效微

《课程标准》中虽然已经系统提到证据推理与模型认知的内容，但教师对化学模型理论未形成系统的认知。在教学中，教师虽然尝试用模型教学，但因模型理论欠缺，课堂教学中建模效果甚微。

2.模型方法不熟悉，模型教学遭冷遇

由于教师没有掌握系统的化学模型建构理论，因而在教学中不能熟练地运用化学模型教学方法，或偶尔使用，或干脆放弃模型教学，模型教学在高中化学教学中几乎处于“冷宫”。

3.模型思维不重视，课堂教学效率低

化学模型教学具有一定的思维方式，但很多教师在教学中只是机械地使用化学模型，停留于模型认知表层，更多的是记忆层面的传授，没有让学生了解模型的本源知识，也没有启发学生进入模型思维层面，导致课堂效率低下。

五、培养模型认知素养的教学建议

根据现在模型认知存在的问题和产生问题的原因，以及《课程标准》中学业水平考试命题建议的要求，结合模型认知素养常考的试题，在化学课堂教学中，教师可以依据不同知识建构概念模型、规律模型、实验模型、思维模型等四种不同的教学模型（如图6）。

1.建构概念模型，理解化学概念本质

化学涉及许多概念教学，概念模型能揭示事物的本质特征，具有直观性、抽象性、概括性的特点。概念模型以图示、文字、符号等形式对化学反应的机理与本质进行描述与规定，是对物质性质和变化进行的概括与抽象。

建构概念模型的要领是根据大量事实情境，激活学生原认知，让学生产生疑问，使学生利用已有认知结构的概念，进行猜想与假设，以概括的方法建立一个模型，抽象出一类事物的本质属性（如图7）。如对于强弱电解质、酸、碱、盐等概念模型的建构，教师可以先用定义确定新概念的本质属性，然后引导学生进行实验检验，最后解决问题。

2.建构规律模型，掌握化学規律本源

规律模型建构是指在高中化学教学中通过建立化学规律模型来解决学生化学学习过程中的化学实际问题。客观世界中纷繁复杂的化学元素是有规律的，化学教学中，教师把表面看似没有规律的化学知识，运用抽象思维发现化学规律，找到化学规律模型，应用于化学教学，提高课堂效率。

学生对生活中的现象只能说较为熟悉，但未必明白其本质，对化学现象的理解不仅做不到熟悉，甚至可能有错误的认识。这就需要教师进行情境创设，引导学生产生疑问，并根据事实与经验建立假设。学生则根据已有知识结构，在教师的适当引导下建立新模型，开展实验，尤其是要通过控制变量等方法，开展实验探究，对自己建立的模型进行检验。然后教师提供实例，引导学生进行模型解释与应用（如图8）。

3.建构实验模型，揭示化学学科特点

实验模型建构是根据高中化学实验的特点，依据高中化学实验中的相似原理，对实验进行建模、用模。从心理学来说，每个人都存在好奇心。高中生的心理特点表现为对化学实验有一种天然的好奇心，在好奇心的驱动下，学生对化学的兴趣也会增加。

物质的性质有化学性质、物理性质等。学生根据学习需要设计实验方案对物质相关性质进行探究，记录实验数据和现象，同时分析探究和预测的一致性与差异性，得出实验结论，并能用实验模型对物质性质进行合理解释（如图9）。

4.建构思维模型，凝练化学思维过程

思维模型是人脑借助活动建立起来的有关知识概念的框架和网络。它的建构是对化学物质通过价-类二维模型来解决化学问题的过程。思维结构随着事物的发展和人的认识发展而发展，同时思维模型对人的认识具有重要作用。思维是一个系统的结构［5］，思维模型就是思想的基本过程，学生要通过建构化学思维模型来解决化学思维问题，将化学性质通过化学思维模型表达出来。

对于陌生物质我们可从元素化合价、物质类别等不同维度分析，通过建立化合价、物质类别分析思维模型，假设物质性质并探究证明，最后用模型加以解释（如图10）。

综上所述，模型认知在学业质量评价中有着重要地位，在全国各地的化学高考卷中已有充分体现，教师在平时教学中应注重建构各类认知模型，增进学生的化学学科理解，实现“教—学—评”一致性。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）［M］. 北京：人民教育出版社，2020.

［2］徐超成. 高中化学学科证据推理与模型认知素养的考查［J］. 浙江考试，2023（9）：33-37.

［3］俞建锋，林肃浩. 核心素养导向下化学评价题的命制模式与实践［J］. 化学教学，2018（4）：19-22.

［4］徐超成，陈进前. 增进化学学科理解的三个思考方向［J］. 中学化学教学参考，2021（19）：1-5.

［5］胡卫平，魏运华. 思维结构与课堂教学：聚焦思维结构的智力理论对课堂教学的指导［J］. 课程·教材·教法，2010（6）：32-37.

（责任编辑：罗小荧）