基于模型分析與解決問題的三個水平

雷范軍 王懷文 高苗蘭

摘要： 梳理國內外文獻中模型的內涵和功能，以2018年高考全國理綜I卷三道化學試題為例，從建模難度角度探討了分析問題與解決問題的初、中和高三級水平，即利用類比模型方法分析解決傳統的阿伏伽德羅常數問題、利用建模分析解決陌生烴的同分異構體種數問題、利用認知模型分析解決復雜問題的水平。同時，對普通高中化學課堂教學中實施建模教學提出若干建議。

關鍵詞： 模型分析; 高考化學; 建模教學

文章編號： 10056629（2018）12008404中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

模型和建模可以用來建構知識和使用知識[1]，是化學學習中不可或缺的能力[2]。模型對學生化學知識的建構、發展分析與解決問題的能力具有重要的作用，模型認知是化學學科核心素養五個方面的思維核心。模型的內涵是什么？具有哪些功能？如何應用模型分析與解決難度由低到高的真實問題？這些都是2017年版課標實施時不得不弄清楚的問題。本文以2018年高考全國理綜I卷三道化學試題為例，探討應用模型分析與解決問題的三個水平，希望對普通高中化學建模教學和學生模型認知素養的發展有所啟發。

1?利用類比模型方法分析與解決傳統的阿氏常數問題

模型作為一種重要的科學研究方法，是“人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的概括性的描述”[3]。能夠成為模型的事物必須是與它要模擬的事物具有一些性質、屬性或特征的相似性，類比模型就是這種觀點的突出反映[4]。只有找出事物之間的相似性，才有可能把一種事物當成另一種事物的模型，因此門檻不高、難度不大，不妨視之為基于模型分析與解決問題的初級水平。

答案： B。

模型作為認識事物本質屬性和相互關系的一種科學方法，可以用來解釋物質變化的現象和過程，但不是任何事物都能成為其他事物的模型。以相似性為建模的前提，明顯存在不足。其他條件（內因、外因）相同，只改變一個變量分析與解決問題時，適用于類比模型，同時改變兩個或多個變量時就會錯判或誤判。例如增大H2SO4的濃度，未必能加快鐵片與硫酸溶液的反應速率，因為硫酸變濃時不僅外因（濃度）改變，而且內因（置換反應與鈍化原理不同）也會改變。

2?建模分析解決陌生有機物的同分異構體數目問題

模型是“與真實物體、單一事件或一類事物相對應的而且具有解釋力的試探性體系或結構”[5]。建模是從復雜的現象中抽取能描繪該現象的元素或參數，并找出這些元素或參數之間的正確關系，建構足以正確描述、解釋該現象的模型。由于其門檻更高、難度更大，可視為基于模型分析與解決問題的中級水平。

答案： C。

建模教學有助于矯正傳統教學方法中的許多不足，如知識的碎片化、學生的被動性等，其優于傳統教學的效果得到很多研究證實[7]。建模活動中，學習者必須根據已有的知識經驗，使用所給的材料和工具探究所面對的新情境，建構對當前情境的理解，并將自己的這種理解以結構化形式表達出來。建模教學需要合理組織結構化的教學內容，包括基于知識關聯的結構化、認識思路的結構化、核心觀念的結構化，充分認識結構化對于學生發展化學學科核心素養的重要價值，逐步提升認識思路的結構化水平。

3?利用認知模型分析與解決復雜問題

21世紀以來，有關模型表征作用的研究已經成為模型研究的主攻方向，《美國科學教育框架》提出模型是“一個有解釋或預測能力的一個系統的任何表示”[8]，Driel與Valk（2007）認為模型是“所研究的目標事物的一種呈現方式”[9]。模型是對客觀事物或過程的一種表征方式，是利用證據進行科學解釋的一種工具，它將已有知識與新的證據聯系起來，將客觀事實與人的心智活動聯系起來[10]。認知模型是上述觀點的集中反映，但建立和應用門檻很高、難度很大，因此可視為基于模型分析與解決問題的高級水平。

例3?（2018全國Ⅰ，28節選）采用N2O5為硝化劑是一種新型的綠色硝化技術，在含能材料、醫藥等工業中得到廣泛應用。回答下列問題：

（1） 1840年Devil用干燥的氯氣通過干燥的硝酸銀，得到N2O5。該反應的氧化產物是一種氣體，其分子式為。

（2） F. Daniels等曾利用測壓法在剛性反應器中研究了25℃時N2O5（g）的分解反應：

當學生或科學家們面對一個客觀的物質現象或變化過程時，復雜的組成因素使他們難以把握其本質和規律。通過對物質現象和變化過程建構認知模型，抓住主要因素，忽略對象系統中的非本質因素，從而將復雜的物質現象和變化過程進行抽象的概括和簡化，進而可以圖畫、圖表、計算式等具體直觀的形式進行形象化的表征，促使學生對其本質的深度理解和認識。

綜上所述，模型既能理解為建構真實對象的替代物，也能通過思維的結構化來體現，還能基于一定視角表征真實世界。只有拓寬了模型的內涵和功能，才能立足普通高中化學課堂教學的具體實踐，探索建模教學的路徑和策略，提升學生的模型認知素養。

參考文獻：

[1]Ibrahim Halloun. Schematic modeling for meaningful learning of physics [J]. Journal of Research in Science Teaching， 1996， 33（9）： 1019～1041.

[2]邱美虹.模型與建模能力之理論架構[J].科學教育月刊， 2008，（306）： 2～9.

[3]雷范軍.新課程教學中強化訓練化學模型方法初探[J].化學教育， 2006， 27（4）： 16～19.

[4]閆莉.整體論視域中的科學模型觀[D].太原： 山西大學博士學位論文， 2005： 1～6.

[5]戢守志等譯.美國國家科學教育標準[M].北京： 科學技術文獻出版社，1999：

[6]雷范軍，鐘珊，羅秀玲.有機物高區分度同分異構體的判斷[J].化學教學， 2017，（9）： 80～83.

[7]張靜，郭玉英.物理建模教學的理論與實踐簡介[J].大學物理， 2013，（2）： 25～30.

[8]National Research Council. A Framework for K12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M]. Washington， D.C.： The National Academies Press， 2012.

[9]孫可平.科學教學中模型/模型化方法的認知功能探究[J].全球教育展望， 2010， 39（6）： 76～81.

[10]張晉，畢華林.模型建構與建模教學的理論分析[J].化學教育， 2017， 38（13）： 25～29.