發展學生建模能力的教學案例研究

劉雅麗 濮江 周青

摘要： 模型和建模是國際科學教育的主要內容，發展學生建模能力是我國新一輪課程標準中化學學科核心素養“證據推理與模型認知”的重要組成部分。通過分析優質復習課“再探金屬的活動性順序”探究如何提高學生的建模能力。在教學中，以真實情境為背景、以科學探究為方法，以模型建構為過程，將真實情境、科學探究和模型建構有機結合，提高學生建模能力，發展學生化學學科核心素養。

關鍵詞： 建模能力; 模型建構; 科學探究; 真實情境; 教學研究

文章編號： 10056629（2019）9003905? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

模型與建模是科學發展和科學教育的重要元素，也是學習科學必不可少的認知與能力，模型認知和建模能力體現了科學本質的要求，是科學教育的重要目標[1， 2]。我國《普通高中化學課程標準（2017年版）》也首次提出“證據推理與模型認知”作為化學學科核心素養之一，在模型建構能力方面要求學生能對復雜的化學問題情境中的關鍵要素進行分析并建構相應的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決化學問題[3]?？梢娊Ｄ芰κ菍W習自然科學的核心能力，是發展學生核心素養的關鍵能力之一[4]。然而，目前高中化學教學中對于發展學生模型認知和建模能力的意識相對薄弱[5]。在中學的教科書中，關于模型建構、模型運用的比重相對較低，學習過程中學生難以發展以模型為主的認知習慣，僅僅是解釋相關概念，缺乏真正建構模型和運用模型的技能[6， 7]。那么，如何培養學生的模型認知和建模能力呢？

本文通過分析全國第二次初中化學優質課大賽中“再探金屬的活動性順序（復習課）”，該課例通過科學探究解決實際問題來培養學生的建模能力，將模型建構和模型應用落到實處，可為學科核心素養在課堂上的落地提供教學參考。

1? 模型和建模能力

模型是對物體、事件、想法或現象的認知和表征，不同的表征方式達到不同的功能和目的，是聯系學習經驗與科學思維的中介產物。模型可以簡化所表征的事物或使事物抽象化，實現對事物的描述、解釋和預測[8]。在自然科學研究中，客觀對象不能直接研究時，在一定的觀察、實驗和對所獲得的科學事實初步概括之后，利用想象、抽象、類比等方法建構一個簡化且集中反映客體本質關系的模型，并通過模型揭示原型客體的形態、本質和特征?；瘜W學科核心素養中的“模型認知”思維方法是由化學研究對象的特殊性所決定的?；瘜W模型是以一種以觀念形態描述原型的特征、性質、規律的抽象概念或理論模型，例如分子、原子模型，理想氣體模型，以及本文中提及的金屬活動性順序模型，是描述對化學規律的認知過程的模型。建模能力是指把握客觀事物特征、運用已有概念域中的相關概念建構心智模型并通過操作性活動解決問題的能力，其可分為內隱的心智行為能力和外顯的科學探究能力，體現在模型建構的歷程中[9]。內隱的認知和心理過程無法直接表現，可以用外顯的、可操作的科學探究過程發展建模能力。

2? 建模歷程

建模即模型的建構，張志康等[10]認為建模是模型產生的一個歷程，將建模歷程分為六個部分（見表1），可推進對科學本質的理解。學生在建模的歷程中逐漸提高建模能力。

3? 優秀教學案例分析

利用對金屬的活動性順序的復習將學生已經形成的心智模型通過科學模型的建構歷程轉換成科學模型。通過科學探究活動解決鈀在金屬活動性順序中的位置、分辨未知金屬、合理處理實驗廢液等實際問題，在此過程中完成學生對金屬活動性順序模型（即對金屬活動性順序規律和系列金屬反應的認知和表征）的建構和應用，將真實情境、科學探究和模型建構有機結合，為培養和提高學生建模能力提供抓手。整個教學過程分為四個學習任務，分別是（1）模型選擇： 金屬活動性順序重排;（2）模型建立和效化： 確定鈀在金屬活動性順序中的位置;（3）模型應用： 利用金屬活動性順序模型確定未知金屬;（4）模型調適和重建： 運用金屬活動性順序模型合理處理氯化鈀廢液。

3.1? 學習任務一模型選擇： 金屬活動性順序重排

模型選擇是指從熟悉的模型中選擇一個合適的模型解決問題。本節課為復習課，學生對金屬活動性順序已經具有一定的理解，形成了心智模型。課程的第一部分復習金屬活動性順序相關知識，以自制工藝品情境導入（實質為鐵和硫酸銅的反應）。通過將順序錯亂的金屬按照正確的金屬活動性順序重新排列來鞏固已學知識，學生從自己已有的認知中選擇正確的金屬活動性順序模型，掌握正確的金屬活動性順序，并可以借助金屬活動性順序模型解釋金屬反應的相關規律。教師引導學生指出還未解決的疑惑，提出證據推理和模型建構的思想，用金屬活動性順序模型解決實際問題，見圖1。

3.2? 學習任務二模型建立和效化： 確定鈀在金屬活動性順序中的位置

模型建立是確定所選模型的相關成分與結構，從而建立個人解決問題的初步模型;模型效化是對模型的不斷修正。“學習任務二”利用科學探究的方法建立關于金屬活動性順序的科學模型，分析模型的具體內容和模型的結構，用已有對模型的理解做出解釋和預測，基于實驗現象分析有效證據并得出結論。教師引導學生討論模型表示的具體含義，確認模型中各相關部分的關系和結構，對模型的相關部分進行評估、檢驗和效化，確定模型的內部一致性和外部適用性，通過完整的科學探究活動深化學生對模型建構歷程的認識，見圖2。

3.3? 學習任務三模型應用： 利用金屬活動性順序模型確定未知金屬

模型應用是利用已效化的模型解決相似情境的問題，證實模型的適切性。在學生完成模型建構之后，教師給出具有相似情境的問題： 利用金屬活動性順序模型確定教師給出的未知金屬，引導學生運用“學習任務二”中建構的解決問題的科學模型解決相似情境的問題，通過實驗探究收集數據并推理出科學的結論，以此判斷學生構建的模型的穩定性和學生對模型的應用能力，合理利用金屬活動性順序模型解釋相似情境的問題，證實模型解決實際問題的效果。同時，進一步確定模型的適用性，見圖3。

3.4? 學習任務四模型調適和重建： 運用金屬活動性順序模型合理處理氯化鈀廢液

模型調適是使用此模型解決新情境下的問題，評估模型的適用度。課程的最后一項任務是對前面所學內容的綜合應用。通過學習建模的歷程解決新情境問題需要學生自主設計實驗解決之前實驗探究中遺留的實際問題，以此培養學生證據推理和模型認知能力。學生依據實際問題中各類物質的不同特征，尋找方法和證據分析建構相應的模型，在解決新情境問題的過程中對已經認識的模型進行調適和遷移。同時，在教師創設的科學探究問題的解決過程中，培養學生可持續發展和綠色發展的觀念。在進一步的學習中，學生將該模型進行修正、強化、延伸結構和功能，使建模變成持續循環的過程（見圖4）。

4? 教學策略與建議

4.1? 以真實情境為背景，注重學生建構科學模型解決實際問題

科學模型的建構需要以事實為依據。教師在教學設計中以真實情境“‘銀樹變‘紅樹”導入課程，并且在教學過程中，學生在真實情境下利用建構關于金屬活動性順序的科學模型解決了“確定金屬鈀在金屬活動性順序的位置”“利用金屬活動性順序確定未知金屬”“回收氯化鈀廢液”三個實際問題。整個學習過程注重從學生已有的知識和經驗出發，在熟悉的生活情境和社會實踐情境中構建相應的科學模型，發展學生解決實際問題的能力。真實、具體的問題情境是學生形成和發展化學學科核心素養的重要平臺，為培養學生化學學科核心素養提供真實的表現機會。用真實情境導入實際問題、用化學知識和方法構建科學模型解決實際問題，從而提升學生學科核心素養，增強學生的社會責任感。

4.2? 以模型建構為過程，培養學生模型認知能力

模型認知能力的高低是學習科學知識的關鍵因素。教學設計中教師通過探究鈀在金屬活動性順序中的位置的過程引導學生建構解決問題的認知模型。知識是由學生主動認知并建構的，教師提供了恰當的情境和不同層次、不同階段的實際問題幫助學生組織、整合知識，利用已有的認知構建新的模型。知識的學習過程和模型的建構過程是相輔相成的，建構模型的過程可以幫助學生整合知識，合理組織學生的認知結構，從化學思維方式的視角學習化學知識，培養學生的模型認知能力。

4.3? 以科學探究為方法，促進學生對構建模型和應用模型的理解

外顯的、可操作的科學探究可以促進學生對模型和模型建構的理解。在教學設計中，共有兩次有意義的科學探究活動，分別是“確定鈀在金屬活動性順序中的位置”和“利用金屬活動性順序確定未知金屬”。提升學生對科學探究的理解可以促進學生更好地認識構建模型和應用模型的意義。科學探究過程中要注重學生對科學探究活動的親身體驗，注重提出問題、做出猜想和假設的重要性，注重依據事實進行判斷并檢驗猜想和假設的正確性。科學探究是通過實驗、觀察等多種手段對證據進行收集、推理和判斷，最終得出結論的完整的具有嚴謹邏輯性的過程，在過程中需要學生體驗、設疑、思考、總結、判斷和反思，并完整地完成模型建構和模型應用的過程，進一步促進對構建模型和應用模型的理解。

4.4? 將真實情境、科學探究和模型建構有機結合，發展學生建模能力

發展具有內隱和外顯兩種特征的建模能力已成為培養學生學科核心素養的重要任務，通過真實情境的設置發展外顯的科學探究能力解決生活生產中的實際問題成為準確把握建模能力的關鍵環節。將真實情境、科學探究和模型建構有機結合解決實際問題，真正實現了教學情境的真實性、研究體系的條理性、實驗過程的探究性、教學內容的綜合性、學生思考過程的創新性等目標。在真實情境問題的解決過程中，利用科學探究的手段引導學生運用已有知識建構模型并應用模型的教學設計思路貫穿整個教學過程，使學生在學習過程中將日常心智模型通過科學模型的建構歷程轉換成科學模型，發展自身的建模能力（見圖5）。

由此可見，在整個學習（復習）過程中，以真實情境為背景，以科學探究為方法，以模型建構為過程，將真實情境、科學探究和模型建構有機結合，真實反映了學生的科學建模過程，發展了學生的建模能力，提高了學生的核心素養。

參考文獻：

[1][10]張志康， 邱美虹. 建模能力分析指標的發展與應用——以電化學為例[J]. 科學教育， 2009， 17（4）： 319～342.

[2][9]翟小銘， 郭玉英. 科學建模能力評述： 內涵、 模型及測評[J]. 教育學報， 2015， （6）： 75～82.

[3]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[4]李鳳. 高中生化學建模能力的測評工具開發及應用研究[D]. 武漢： 華中師范大學碩士學位論文， 2017.

[5]楊玉琴. 化學核心素養之“模型認知”能力的測評研究[J]. 化學教學， 2017， （7）： 9～14.

[6]吳文龍. 以概念演化探討物質三態變化之教科書內容與教學對學童心智模式發展歷程之影響[D]. 臺北： 臺灣師范大學碩士學位論文， 2011.

[7]邱美虹， 鐘建坪. 模型觀點在化學教科書中的角色與對化學教學之啟示[J]. 化學教學， 2014， （1）： 3～6.

[8]趙萍萍， 劉恩山. 科學教育中模型定義及其分類研究述評[J]. 教育學報， 2015， （1）： 46～53.