化學教學中引領學生模型認知的思考與探索

摘要：《高中化學課程標準（征求意見稿）》中學科核心素養部分的“模型認知”是指“基于模型的認知”，其中的模型包括實物模型和非實物的形式模型兩大類，形式模型又包括數學模型、圖像模型和語義模型等情況；模型的建構有根據原型進行建模、針對問題解決建模和從理論出發建模等路徑。化學教學要引領學生模型認知，應該幫助學生樹立模型意識，體會模型價值，并指導他們用適合自己的方式進行模型表達，以促進學生逐漸將模型認知固化為自己學習的一種重要方式。

關鍵詞：化學教學；學科核心素養；模型認知；模型建構

文章編號：1005–6629（2017）9–0019–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

2016年9月，隨著“中國學生發展核心素養”的正式發布，教育部印發了高中各科課程標準的征求意見稿。《高中化學課程標準（征求意見稿）》將化學學科核心素養劃分為“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學精神與社會責任”等5個維度，相對而言，其中的“證據推理與模型認知”對廣大中學化學教師有一定的陌生度。本文擬在厘清“證據推理與模型認知”涵義的基礎上，探尋高中化學教學中常見的認知模型及其建構路徑，并就高中化學教學中引領學生模型認知的主要策略給出相應的建議。

1 “證據推理與模型認知”的涵義

1.1 “證據推理”和“模型認知”的涵義

高中化學學科核心素養中的“證據推理與模型認知”包括“證據推理”和“模型認知”兩個詞組。由于《辭海》中沒有與“證據推理”或“模型認知”完全一致的詞條，所以，本文首先借助“證據推理”和“模型認知”在“中國知網”收錄的有關文獻中的語境或對應的闡釋來理解它們。

“證據推理”（evidential reasoning）在學界是固定的專用名詞，指由Dempster（登姆普斯特）在1967年提出，后經他的學生Shafer（謝弗）進一步發展完善起來的一種不確定推理理論。又稱登姆普斯特-謝弗推理（Dempster-Shafer reasoning）方法，簡稱D-S推理。“證據推理”理論“可以不需要先驗知識，并能區分不知道與不確定，因而對問題的描述更加靈活準確，是一種良好的不確定性推理方法，已在目標識別、故障診斷與模式識別等領域得到了廣泛應用”[1]。百度百科中有“證據推理”的詞條，相應的解釋是“對從不同性質的數據源中提取的證據，利用正交求和方法綜合證據，通過證據的積累縮小集合，從而獲得問題的解”。

“模型認知”在少數的文獻標題中偶有出現，如“腦外傷動物模型認知障礙評價方法研究進展”，該標題好像可以理解為“腦外傷動物/模型認知/障礙/評價方法研究進展”，其實是“腦外傷動物模型/認知障礙/評價方法研究進展”。因為其摘要指出，“認知障礙是腦外傷常見的后遺癥之一。腦外傷動物模型目前廣泛應用于基礎和藥物研究中，也出現了多種評價該模型的認知障礙的方法”[2]。該文綜述近年來不同研究者對腦外傷動物模型認知障礙的行為學評價方法。再如“基于大型電子詞典與語料庫的文化詞匯模型認知對比研究”，本意是“基于/大型電子詞典/與/語料庫的文化詞匯模型/認知對比研究”[3]。所以，文獻中的“模型認知”不像“證據推理”那樣屬于專用詞組，或者說，以“模型認知”的形式出現時，其涵義是指基于某種“模型”的“認知”。

化學是一門以實驗為基礎的自然科學，其理論體系是在科學家對無數事實材料概括的基礎上，進行嚴密的邏輯推理而形成的。在化學學科背景中理解“證據推理與模型認知”，其中的“證據推理”不應該是學界專用名詞所對應的“不確定推理理論”，而應該是與學科屬性相對應的“基于證據的推理”；“模型認知”則與有關文獻中基于“模型”的“認知”基本一致。這時再看《高中化學課程標準（征求意見稿）》對“證據推理與模型認知”的釋義，“具有證據意識，能基于證據對物質組成、結構及其變化提出可能的假設，通過分析推理加以證實或證偽；建立觀點、結論和證據之間的邏輯關系；知道可以通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立模型。能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”，就更能體會到“證據推理與模型認知”作為化學學科核心素養組成維度的獨特意義。換言之，如果今后有關辭海或百度百科等收錄“證據推理”的詞條，應該在“不確定推理理論”基礎上增加“基于證據的推理”的義項。

1.2 “證據推理”與“模型認知”的關系

當把“證據推理與模型認知”中的“證據推理”和“模型認知”，分別理解為“基于證據的推理”和“基于模型的認知”時，這樣就有了“證據”“推理”“模型”“認知”4個獨立的詞。按照人們的一般理解，“證據”是能夠證明某事物真實性的有關事實或材料，“推理”是思維的一種基本形式，是指由一個或幾個已知判斷（前提）推出新判斷（結論）的過程。與“證據推理”或“基于證據的推理”對應的學科素養，就表現為依據有關事實或材料推出新的判斷或結論，從而實現問題解決或獲得新的知識。如根據鈉與水反應時“浮、熔、游、響、紅”等實驗現象和已有知識進行有關推理，對鈉的密度、熔點等物理性質，鈉與水反應時的速率、產物以及能量變化形成相應的判斷，獲得鈉的有關知識。“模型”有多重釋義，與“原型”相對，是研究對象的替代物；或者是根據實物、設計圖或設想，按比例、生態或其他特征制成的與實物相似的物體；等等。“認知”是指人類認識客觀事物、獲得知識的活動，包括知覺、記憶、學習、言語、思維和問題解決等過程。與“模型認知”或“基于模型的認知”對應的學科素養，可以表現為通過觀察分子或晶胞等結構模型直觀形象地認識有關物質的組成和結構，也可以表現為《高中化學課程標準（征求意見稿）》所描述的那樣，“運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”。如用電子云的模型理解原子核外電子的運動規律或解釋原子之間的成鍵方式，根據有效碰撞與活化分子模型理解影響化學反應速率的因素并能選擇適宜的條件控制化學反應發生的速率。

在“基于模型的認知”的語境中，“模型”還可以看作是“認知模型”的簡稱。也就是說，“模型認知”可以理解為按照某種“認知模型”進行認知。“認知模型”這一個術語起源于計算機科學領域，在計算機科學領域是指“人類認知過程的計算機模型”，在認知心理學中則被用來簡化描述人的認知過程。自然科學的根本任務是揭示自然界發生的現象以及自然現象發生過程的實質，從而把握這些現象或過程的規律性。顯然，在發現自然現象背后規律的過程中，離不開“證據推理”或“基于證據的推理”的認知途徑，“證據推理”或“基于證據的推理”屬于自然科學的學科屬性。從這個角度看，“證據推理”或“基于證據的推理”是一種典型的認知心理學層面的認知模型。所以，化學學習中的“證據推理”可以看作是按照“基于證據的推理”認知模型進行的認知過程。用這樣的思路考察“證據推理”與“模型認知”的關系，“證據推理”從屬于“模型認知”，“模型認知”包含了“證據推理”[4]。

2 化學學習活動中常見的認知模型及其建構

2.1 模型及其分類

從計算機科學領域看，要實現人類認知過程的計算機模擬，必須“加強對學習認知過程的研究，以建立更符合實際的學習認知模型”。早在1999年，就有學者根據學習對象與學習者之間關系的不同，將學習劃分為“單向式、雙向式與理想實驗式”三大類認知類型，并給出了相應的學習認知模型[5]。近年來，隨著人工智能技術和腦科學研究的不斷發展，關于計算機模擬問題解決等認知過程的研究受到了廣泛關注。有學者在分析已有數學問題解決模型的基礎上，結合兒童的心理特點，根據認知心理學、腦科學、認知神經科學等領域的研究成果，構建了小學數學問題解決的認知模型。該認知模型中的問題解決是一個由問題開始，經過對象感知、短時記憶、工作記憶，以及從解題策略到產生式規則，再到操作、反思、知識鞏固、自動化的信息流程；還可以簡化為視覺模塊、產生式模塊、提取模塊、目標模塊、問題狀態或問題空間模塊和輸出模塊等六個模塊，而且“問題解決過程并非依次經歷所有模塊，模塊之間的信息流動是非線性的”[6]。與計算機科學領域的有關學習認知模型或問題解決認知模型的研究成果相對照，化學教學中“基于模型的認知”對應的“認知模型”是指認知心理學層面的認知過程。

雖然“模型”與“模式”的語義相近，但査有梁先生偏好“模式”[7]。因為“模型”經常被狹義地理解為實物模型；而“模式”中的“模”包括實物模型的意義，“式”包括形式、式樣的意義。所以，“模式”兼容了實物和形式兩大類，既包含實物模型，又包含非實物的形式模型。査有梁還給了“模式”一個百科全書式的定性敘述：“模式是一種重要的科學操作與科學思維的方法。它是為解決特定的問題，在一定的抽象、簡化、假設條件下，再現原型客體的某種本質特性；它是作為中介，從而更好地認識和改造原型、建構新型客體的一種科學方法。從實踐出發，經概括、歸納、綜合，可以提出各種模式，模式一經被證實，即有可能形成理論；也可以從理論出發，經類比、演繹、分析，提出各種模式，從而促進實踐發展。模式是客觀實物的相似模擬（實物模式）、是真實世界的抽象描寫（數學模式）、是思想觀念的形象顯示（圖像模式和語義模式）”。

本文在按照《高中化學課程標準（征求意見稿）》的指向，探討如何提高學生“模型認知”素養的過程中，將“模型”與“模式”看作是全同關系的概念，也就是完全按照査有梁對“模式”的定性敘述來理解“模型”，這樣對“模型”可以形成兩點認識。第一，“模型”是“一種重要的科學操作與科學思維的方法”。“基于模型的認知”就是按照“科學操作與科學思維”進行認知，屬于“科學思維”的范疇，這樣，“科學思維”、“模型認知”或“基于模型的認知”、“證據推理”或“基于證據的推理”三者之間構成了概念階梯關系，依次是前者包含后者，或后者從屬于前者。第二，“模型”包括實物模型和非實物的形式模型兩類，形式模型又包括數學模型、圖像模型和語義模型等情況。與之相對應，中學化學學習活動中常見的認知“模型”及其相互關系如圖1所示。

其中，實物模型與實物相對應，主要有比例模型和球棍模型等情況，比例模型又有按原系統縮小（如工業制硫酸工藝模型）和放大（如分子或晶胞結構模型）的兩種情況。形式模型與形式相對應，數學模型是用公式或方程等數學語言描述的模型，如平衡常數表達式、化學反應速率方程；圖像模型是用二維或三維坐標系中的數學圖像描述的模型，如反應速率與時間的關系曲線、電子云重疊形成σ鍵或π鍵的示意圖；語義模型是用詞語描述的模型，像教科書中用文字表達的阿伏伽德羅定律、元素周期律、蓋斯定律等概念、原理、規律都屬于語義模型。由于化學學科具有對物質進行宏觀、微觀和符號三重表征的特點，這一學科特性決定了語義模型還包括用含有特定意義的化學語言描述的模型，如元素符號、原子符號、原子結構示意圖、化學式、有機化合物的通式、化學反應方程式等等。

另外，同一事物有時還可以用不同的模型進行表達。如表征晶胞結構可以用實物模型，也可以用數學模型范疇的晶胞參數。由于“一種科學只有在成功地運用數學時，才算達到了真正完善的地步”，所以，數學模型是對真實世界或實物抽象程度最高的模型，數學模型的運用是學科發展的重要標志。考慮到中學生的數學基礎和抽象邏輯思維水平的實際，中學化學教科書就回避了某些數學模型，如呈現晶胞的結構用實物模型而不用晶胞參數，描述原子核外電子的運動狀態用電子云圖像模型而不用薛定諤方程（Schr？dinger equation），關于化學反應速率的影響因素用語義模型而不用反應速率方程式或阿倫尼烏斯公式（Arrhenius equation）。

2.2 建模的主要路徑

建模就是建構模型。近年來建模在化學教學中已經有了一定程度的運用，但是還沒有對建模的途徑形成系統的認識。査有梁在論教育建模時認為，建模可以有根據原型進行建模、針對問題解決建模和從理論出發建模等幾條路徑。化學學習活動中依循的常見模型，其建構路徑也包括對應的幾種情況。

3 化學教學中引領學生模型認知的主要策略

3.1 幫助學生樹立模型意識

通過上文對模型分類及其構建途徑的分析可以發現，化學學習始終離不開模型，能否熟練地建立或運用模型直接影響著學習的效率，只是有些時候學習者并沒有意識到自己在學習中運用了模型而已。所以，化學教學要引領學生進行模型認知，首先要幫助學生樹立模型意識。模型認知從屬于科學思維。關于思維教學，邢紅軍教授采用“學科知識-學科方法-思維方法”的研究路徑，建構了由分析、綜合、抽象、概括、比較、判斷、假設、推理、直覺、想象10個內容，深刻性、獨創性、批判性、靈活性、敏捷性5個品質，以及學科知識、學科方法、思維方法3個產品所組成的“思維教學三維模型”，提出了“方法理解”的思維教學實踐取向，并設計了“思維方法-學科方法-學科知識”的教學路徑[10]。其中的“思維教學三維模型”對各科教學都具有直接的指導作用，化學教學要借鑒“方法理解”的實踐取向，把學科知識、學科方法和思維方法融合在一起，讓學生在方法的引領下解決問題和獲取知識，在習得知識的同時掌握相應的學科方法和思維方法。同時，教師在進行教學設計時要胸中有“模”，要為有關的學科方法和思維方法選擇適當的模型，引導學生通過建模來解決問題和獲取知識，而且要為建模環節預留充足的時間，并用一定的方法顯化相應的模型。這樣經過一段時間的訓練，學生就能體會到模型在學習活動中的應用價值，從而逐漸樹立起模型意識，并將模型認知固化為自己學習的一種重要方式。

3.2 指導學生用適合的方式表達模型

從表面上看，三種模型都在中學生可以接受的范圍，但是考慮到不同個體之間認識水平的可能差異，教師應該指導學生用適合自己的方式進行模型表達，這樣才能讓學生樂于接受模型，并真正認識到模型的學習價值，從而增強學生建模和用模的意識與能力。

參考文獻：

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[10]邢紅軍.中小學思維教學的深化研究[J].課程·教材·教法，2016，（7）：33～39.