化學課程標準中的模型要求分析

郭靜 薛亮

摘要： 以中學化學課程標準中關于目標要求的說明為依據，界定了學生的化學模型水平層級；在此基礎上對初高中化學課程標準中的科學模型進行詳細的分類歸納，并利用文本分析法界定了新課標對學生學習該模型的要求層級；最后通過對初高中化學課程標準中的化學模型特點進行分析，為化學模型教學提供切實可行的建議。

關鍵詞： 化學課程標準； 化學模型； 認知水平

文章編號： 10056629（2018）8000906 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 問題的提出

科學模型作為一種科學方法，在科學發展中發揮了巨大作用，美國《國家科學教育標準》[1]將科學模型列為科學主題的重點之一，提出“所有學生需要了解、理解和運用科學事實、概念、原理、理論和模型”。化學是在原子、分子水平上研究物質的性質和變化規律的實驗科學，由于原子和分子的微觀性，經常要用到多種模型來描述和解釋化學現象、預測物質及其變化的可能結果，或者依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜問題的思維框架。化學模型作為科學模型在化學學科中的具體體現，越來越受到教育工作者的青睞和重視。《普通高中化學課程標準》（2017年版）提出高中化學課程要以發展學生的核心素養為主旨，“模型認知”作為化學學科核心素養的要素之一，有助于學生形成化學學科的思想和方法，并且在內容標準中多次明確提出對學生的模型要求。

化學課程標準對于教材的編寫以及考綱的范圍劃定具有一定指向性，因此課程標準對于科學模型提出明確要求能夠引起教材和考綱編寫者對于科學模型教育的重視，進而促使教師精準把握模型教學的深度和廣度。而國內關于化學模型的研究以化學建模居多，目前還沒有從課程標準要求入手研究學生的化學模型學習水平。本研究利用文本分析方法將課程標準中的化學模型進行整理，并界定課程標準對于學生的化學模型學習水平的要求，以期為中學化學模型教育提供可供參考的建議。

2 研究方法

本研究從化學模型類型和認知水平的視角對課程標準中的化學模型要求進行分析。首先對化學模型進行概念界定和分類；其次界定課程標準中的化學模型認知水平，并對其中的化學模型要求進行篩選與分析，進而得出結論。

2.1 化學模型的概念和分類

美國《國家科學教育標準》[2]中對模型的定義表述為：“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”。化學模型是人們在認識化學問題與解決化學問題的過程中，通過抽象、概括與歸納等科學方法，利用研究對象的關鍵因素與本質特征建構的各種模型，是科學模型在化學領域的具體體現，常見的化學模型如晶體的空間結構模型、電子云模型等[3]。

根據化學模型的表現方式將化學模型分為三類： 物質模型、符號模型和思想模型[4]。物質模型通過對原型在尺寸上進行放大或縮小，在結構上進行簡化和抽象以實現對原型的模擬；符號模型是將化學學科獨特的化學符號按照規定的組合方式組合在一起，用于表示物質的組成、結構、性質和變化規律的一種模型；思想模型是針對事物的主要矛盾和主要特性在人腦中建立起一個觀念性的、抽象的理想客體，進而對客觀事物進行近似、形象的模擬。

2.2 化學課程標準對學生模型認知水平的界定

綜合考慮化學課程標準中認知性學習目標要求和布魯姆的教育目標體系中認知領域的教育目標分類法，將化學課程標準對于化學模型的學習要求分為知道、了解、理解和應用四個不同程度的水平。同一水平的模型學習目標又可以用多個行為動詞進行描述，比如在第一層級“知道”水平中包含了“知道、記住、說出”等八個行為動詞，學生能夠列舉、描述某個模型都屬于“知道”水平。具體的模型認知水平分類如表1所示。

2.3 化學課程標準中模型要求的篩選與分析

利用文本分析法篩選課程標準中的模型要求。文本分析法是根據研究的需要將文字、圖形、符號等相關的文本進行綜合的比較、分析和分類，從而達到研究目的的定性分析方法，具有客觀性、系統性的特點，其步驟一般為文本閱讀、文本分析與評價、文本整理。

初中模型文本分析的對象為課程標準中的“內容標準”，其規定了學生學習本課程所要達到的最基本的學習要求；高中模型文本分析的對象為課程標準中的“學業要求”，《普通高中化學課程標準》（2017年版）的課程結構分為必修、選修Ⅰ和選修Ⅱ，必修和選修屬于不同水平，學業要求是對學生學習該內容后所要達到的基本學習水平要求。首先采用文本分析法梳理初中內容標準和高中學業要求中的化學模型，并將其歸類；其次根據課程標準對模型要求中使用的行為動詞界定化學模型的學習水平要求。

例1 有機物的立體模型： 有機物的立體模型包括球棍模型和比例模型，是為了說明有機物的空間結構，用小球代替原子、短棍代替共價鍵，通過簡化原型、擴大尺寸進行模擬制成可視化的實物來代替原型，因此屬于物質模型類別。高中必修階段對該模型的要求為“能搭建甲烷和乙烷的立體模型”，要求學生具備一定的模型設計、優選和檢驗能力，因此屬于“應用”水平。

例2 化學式： 化學式由特定的化學元素符號按照特定的方式組合在一起來表示特定的化學物質，以揭示物質的組成和性質的一種符號，屬于符號模型。初中化學課程標準“主題三”對其描述為“能用化學式表示某些常見物質的組成”，“能表示”屬于“了解”水平。

例3 電子云模型： 薛定諤在德布羅意關系式的基礎上，對電子的運動做了適當的數學處理，提出了著名的薛定諤方程式。為了教學和研究方便，將這個方程式的解的模的平方用三維坐標以圖形表示，就是電子云模型。事實上，這是思想中的抽象物對原型的反映，屬于思想模型。高中化學課程標準選修Ⅰ對其要求為“知道電子的運動狀態可通過原子軌道和電子云模型來描述”，行為動詞“知道”屬于“知道”水平。

2.4 結果統計的思路與方法

分別統計初中、高中必修和高中選修階段化學課程標準中的各類化學模型占模型總量的比例，以此分析三個階段的模型類型分布特點；統計模型認知水平和模型總量的比值，以此探究課程標準對三個階段的模型認知水平要求的變化規律。

3 結果統計

3.1 初中化學課程標準中的化學模型要求

初中化學課程標準的“內容標準”中模型共有8個，其中物質模型2個，符號模型3個，思想模型3個；模型類型以思想模型（37%）和符號模型為主（37%）；初中化學課程標準對化學模型的認知水平要求相對較低，“知道”水平（50%）占據主體地位，無“應用”水平（0%）（見表2）。

3.2 高中化學課程標準必修階段的化學模型要求

高中化學課程標準必修階段的化學模型共12個，物質模型3個，符號模型6個，思想模型3個；模型類型以符號模型為主（50%），其比例較初中稍有增長；必修階段“了解”水平（50%）占據主體地位，物質模型出現“應用”水平（見表3）。

3.3 高中化學課程標準選修階段的化學模型要求

高中化學課程標準選修階段的化學模型共有16個，其中物質模型4個，符號模型3個，思想模型9個；模型類型以思想模型占絕對優勢（56%），遠遠超過初中和必修階段；選修階段對模型認知水平要求整體比較高，“了解”水平（44%）占據主體地位，“理解”（25%）和“應用”（12%）水平較必修階段稍有增長（見表4）。

4 結果分析

4.1 模型數量增加

根據統計結果看出，從初中到高中必修、選修階段，化學模型的總量不斷增加，這種現象由兩方面的因素決定。第一，課程容量的大小。初三化學課程只有兩本教材，內容較少、知識相對簡單，所涉及的模型數量自然也少。第二，課程內容的難易程度。高中化學課程相較于初中難度加大，尤其選修階段理論知識所占比例較大，教師需要借助大量的模型幫助學生理解，因此相較于初中和高中必修階段模型數量急劇增加。

4.2 不同類型模型比例變化

初中模型類型以符號模型（37%）和思想模型（37%）為主；相較于初中，高中必修階段符號模型（50%）所占比例最大；而選修階段思想模型（43%）所占比例大幅增加，物質模型（22%）呈減小趨勢。不同階段的化學模型類型結構發生較大變化。初中生思維處于發展階段，由形象思維向抽象思維過渡，對于抽象的思想模型認知程度低，因此初中課程標準中的思想模型所占比例低于高中；高中必修階段對于化學表達方式如電離方程式、離子方程式和電子式等考察較多，因此符號模型所占比例大幅增加；高中選修階段理論知識較多且較為抽象，尤其以化學反應原理和結構化學模塊為甚，由此構建出各種思想模型以解釋抽象的理論知識，因此選修階段的思想模型占據絕對優勢。課程標準對于模型類型結構的安排較好地契合了學生認知發展特點。

4.3 模型要求加深

從初中到高中必修、選修階段，課程標準對于學生的模型認知水平要求不斷加深，體現在兩個方面。

首先，對模型的整體認知水平要求加深。初中課程標準對于學生的模型認知水平要求較低，“知道”水平所占比例最大，無“應用”水平，這主要取決于初中學生思維的局限性，這樣的安排符合初中學生認知發展順序以及初中化學的基礎性；高中必修階段對模型認知水平要求整體比初中高，“了解”水平占據主體地位，“理解”水平所占比例增加，并且物質模型出現“應用”層級；高中選修階段相較于其他兩個階段“理解”和“應用”水平所占比例大幅增加，選修課程針對的是理科生，他們的基礎相對較好且思維逐漸以抽象思維為主，因此模型認知水平要求相較于初中和必修階段加深。

其次，對同一模型在不同的模塊提出不同的認知要求，呈現“螺旋式”上升結構。以有機化學為例，必修階段的“簡單的有機化合物及其應用”主題中，對于有機物的立體模型提出的要求為“知道”水平，同時在選修Ⅰ中要求“能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子結構特征，能搭建甲烷和乙烷的立體模型”，屬于“知道”和“應用”水平。由必修階段的“知道”過渡到選修階段的“知道”和“應用”水平，模型認知水平呈現出的“螺旋式”上升結構，符合事物的發展規律和學生的認知發展順序，有利于促進學生對于模型方法的掌握與應用。

4.4 模型學科特征明顯

物質模型是以實物代替原型進行研究，相較于其他兩種模型更加形象直觀、便于理解，在物理、生物學科中占據比例最大[5]。但從統計結果來看，化學課程標準中符號模型所占比例遠大于物質模型，與生物、物理學科明顯不同，充分體現了化學學科的特殊性。化學符號模型作為一種科學語言系統具有單義性、無歧義性和明確性的特點，符合科學思維的嚴謹性和確定性要求，因此有力地促進了化學科學的發展[6]。化學符號模型在化學學習中的特殊作用，造就了其獨特的地位，學生在學習化學的過程中，無時無刻不使用元素符號、化學式、原子結構式來表示物質的組成、結構，用化學方程式表示物質的性質、變化規律。因此無論是初中還是高中必修階段，符號模型都占有主要地位，顯示出化學不同于其他學科的獨特性，充分體現出化學學科的特點。

5 啟示

5.1 加深理解科學模型

化學課程標準對于學生模型學習水平的要求需要在教師的引導下實現，模型教學對教師的專業素養要求極高，要想讓學生掌握科學模型方法，教師應當深化模型知識，加深對于科學模型本質、特點、類別和作用的理解，精確把握中學化學課程標準對于學生模型認知水平的要求，有助于教師明確教學中選取模型的標準，從而在教學中建構簡單模型幫助學生理解。

5.2 注意把握階段要求

不同階段的課程標準對于學生模型認知水平要求差異較大，教師在進行模型教學時要注意把握不同階段的不同要求。在初中生的模型教學中要求學生能夠描述并舉例說明物質模型，能用符號模型表示化學物質及其變化，利用思想模型進行簡單計算即可；而高中生的化學模型教學不僅要達到上述要求，還要訓練學生利用已有知識設計、建構簡單的科學模型并加以檢驗和評價以達到解決化學問題的目的。

另外，高中不同階段的化學模型對于學生的要求不同，因此教師在高中化學模型教學時注意把握模型深度，必修階段的模型教學重在讓學生建立模型概念，選修階段則應引導學生在必修階段的基礎上建構新的模型，逐步加深學生的模型認知水平。比如在必修階段原電池的學習應著重幫助學生在頭腦中形成原電池的概念和原電池形成的條件，動手建構簡單的原電池模型；選修階段在重溫原電池的基礎上，引導學生認識更多的化學電源并逐步引入電解池，并且能夠根據二者的特點區分原電池和電解池。

5.3 適當使用模型方法

初中生知識基礎相對于高中生薄弱，對于模型的認知程度低，因此初中教師在進行模型教學時，應多使用形象直觀的物質模型。比如，在進行碳的同素異形體的教學時，可以向學生展示金剛石、石墨、足球烯的物質模型，讓學生觀察三種同素異形體的不同空間立體結構；在化學反應教學中，借助動畫模擬向學生展示化學變化中原子的重新排列組合方式等。

高中生具備一定的知識基礎，動手能力增強，教師在模型教學過程中應有意向學生滲透模型方法的含義、類型和作用，使學生能夠認識到模型方法在化學學習中的重要作用，同時向學生介紹建構模型的步驟，在遇到問題時啟發學生運用模型方法建構簡單的化學模型來解決問題，還可以將化學教學中的模型進行分類歸納總結，方便學生系統地掌握科學模型方法，并在需要的時候及時調動起來。

參考文獻：

[1][2][美]國家研究理事會，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： 76.

[3]吳慶生.利用化學模型提升學生解決問題的能力[J].化學教學，2014，（12）： 42～45.

[4][6]劉豫東.中學化學教學中模型方法的研究[D].濟南： 山東師范大學碩士學位論文，2004： 8～10.

[5]張躍.中學科學模型教育的理論與實踐研究[D].北京： 首都師范大學碩士學位論文，2014.