基于模型認知與建構的高中化學教學策略

李靈敏

摘要：模型認知是化學核心素養的一個維度，對化學教學具有重要功能。教學中合理運用模型認知與建構的教學策略，不僅可以提高學生的化學學科邏輯能力與思維品質，還可以有效保障化學學科核心素養在課堂落地生根，開花結果。

關鍵詞：模型;模型認知;模型建構;教學策略

文章編號：1008-0546（2020）01-0018-03 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.01.005

一、研究背景

模型是一種重要的科學方法，在科學發展中發揮了重要的作用。國外很多教育工作者都大力倡導模型教學，在我國的高中教育研究中，對數學模型教學、物理模型教學、生物模型教學的研究起步較早，相比較來說，化學學科對模型教學的研究較晚。2017年版《普通高中化學課程標準》首次將“模型認知”寫進了高中化學教學課程目標范疇，從此化學教師開始關注模型認知、模型建構等與模型相關的課堂教學設計與實踐。

二、模型認知與建構教學的內涵與功能

“模型”一詞來源于拉丁文，初始含義是樣本、標準和尺度，中文原意即規范。“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。人們為了某種特定目的而對認識對象所做的簡約化描述就是“認知模型”，簡稱為“模型”，而在“模型認知”一詞中“模型”和“認知”屬于偏正關系，“模型”是修飾語，“認知”是中心詞。所以，“模型認知”可以理解為“基于（借助于）模型的認知”，它要求學生通過分析、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，通過它們建構一個具有代表性的模型。

高中化學核心素養將“證據推理與模型認知”作為一個維度專門表述，說明模型認知對于化學教學具有重要功能。其一，簡化描述功能，可以將教材文本中繁瑣的語言描述簡化成理想的圖示、符號、圖表等簡潔的模型化語言;其二，形象解釋功能，可以將一些看不見摸不著的化學微觀結構，基于其內在結構特點利用實物進行模型假想，達到對微觀結構的解釋;其三，遷移推理功能，借助已經建構的模型，利用分析、遷移、對比、推理等思維方式解決化學實際問題，檢驗建構的模型是否成功，在模型應用中提高學生解決實際化學問題的邏輯能力與思維品質。

三、模型認知與建構教學的思路與策略

高中化學部分教學內容具有較強的理論性，如電化學、化學平衡、氧化還原、微觀結構等，與學生的生活經驗有一定的距離，僅僅依賴課本有一定的局限性，教學難度大。基于模型認知功能的研究，教學中合理運用模型認知與建構的教學方式，可使教學內容易于被學生接受，為學生的學習提供有力的思維導向和支撐。

化學教學中引領學生模型認知的過程就是對對象去粗取精、去偽存真的過程，是對化學知識高度濃縮、高度提煉、高度概括的過程，是使重要的核心知識形成清晰的知識框架，納入學生已有知識體系的過程。教學中學生在教師引領下經歷“文本解讀一原型提煉一模型創建”這個過程稱之為“模型建構”，是整個“模型認知”培育的核心，是學生認識發展的關鍵過程。“模型應用”則是模型認知培育的實踐階段，通過分析解決化學實際問題，論證模型建構的成功與否，有助于實現學生對模型、對知識的“再認識、再發現與再建構”。

化學模型認知與建構教學的一般教學策略如圖1所示。

化學的本質不是化學知識，而是產生知識的方法與過程。真實科學探究的核心是科學知識的生成和論證過程，模型認知與建構教學亦是如此。通過解讀教材文本或表征問題進行證據推理提煉原型的過程是教師教學備課的核心，是實施化學模型認知與建構教學策略的起點，課堂上運用各種教法與學法引導學生建構模型是課堂教學的關鍵。模型建構是否合理有效，需要真實情境的化學問題來檢驗與論證，讓學生在模型應用過程中，感受模型“魅力”的同時不斷探究發現新問題，重新認識并修正模型，完善學生的模型認知過程。

四、模型認知與建構教學的分類與應用

基于文獻的研究，高中化學模型可以分為物理模型、數學模型、概念模型三大類，它們還可以細分，具體分類及實例如圖2所示：

1.物理模型的建構和應用

物理模型可分為實物模型和思想模型，實物模型是指借助實物、教具等模型將看不見的微觀粒子宏觀化，增強學生學習感知的直觀感，降低學生的學習難度。思想模型是人的頭腦中經過思考過程建立起來的非物質的、觀念性的東西，如思維方式、學科觀念等，因此，每一節化學課都離不開思想模型的建構。

例如：甲烷結構新課教學

甲烷是最簡單的有機物，分子結構雖然簡單，但對它的學習是整個有機結構體系的奠基石，因此不能簡單地靠講、畫或PPT投影了事。

根據蘇教版化學2教材文本求出甲烷的分子式之后，怎樣讓學生“看見”甲烷的分子結構？教學中教師可以提供牙簽（代表化學鍵）、小番茄（代表氫原子）、土豆（代表碳原子），通過小組合作猜想構建甲烷的球棍模型。

建構的模型是否合理？在學生初步構建模型以后，教師提供信息“二氯甲烷只有一種結構”，引導學生檢驗或修正自己建構的甲烷模型。通過這樣的模型認知與建構活動，學生對甲烷的空間結構有了清晰的認識。

建構的模型是否可以應用？在學生構建甲烷模型之后，教師提供乙烷、丙烷的分子式C2H6、C3Hs，它們的結構又如何呢？學生根據甲烷模型，利用等位原子替換法，自主建構乙烷、丙烷的模型，從而構建烷烴的結構模型認知，為進一步學習有機化學奠定基礎。整個模型認知、建構與應用教學過程可以用圖3表示。

2.概念模型的建構和應用

概念模型主要以概念圖表達，概念圖是美國諾瓦克（Joseph D.Novak）教授等人提出的將基本概念網絡化并以結構圖的形式呈現出來的一種組織和表征知識的教學方式，目的是有效幫助學生理解學科知識。

例如：有機基礎復習課教學

教師設計以“官能團的引入和轉化”為載體，通過問題驅動，學生交流討論，回顧教材文本所學官能團（碳碳雙鍵、鹵素原子、羥基、醛基、羧基等）的引入方法。

引導學生將有機化學一堆碎片化的概念知識進行整合，幫助學生建構各類有機物之間的相互轉化關系概念圖，如圖4所示。

通過概念模型的建構，逐步完善學生認知結構，提升學生對有機知識的系統整合。

模型應用，設計簡單的有機合成進行訓練，強化學生對有機概念圖的深度理解。如：以溴乙烷為原料合成乙二酸乙二酯，無機試劑任選，設計合成路線流程圖，注明反應條件。

學生在有機合成設計過程中，利用已有原料、信息，在官能團引入、轉化的過程中，檢驗或修正概念模型，同時暴露學生思想模型的不足，在逐步改善設計方案中，培養與完善學生的化學學科核心素養。

3.數學模型的建構和應用

數學模型包括坐標、數軸、數式等可以訓練學生運用數學學科工具定量地分析化學問題，讓學生能描述、分析和計算相關核心物理量，提升學生對圖形、圖表的辨識以及對圖文之間的轉換能力。

例如：習題課教學

（1）設計情境

探究某溶液中可能含NaOH、Na2CO3、NaHCO3中的一種或幾種，取樣，分別加入鹽酸，以放出的CO2的量為縱坐標，加入HCI的量為橫坐標作圖（如圖5），據圖定性判斷原溶液中溶質的組成。

五、結束語

借助模型可以認識化學微觀結構，利用模型可以簡化化學核心知識，建構模型可以梳理化學概念體系，參照模型可以解決化學實際問題。學生在經歷“文本解讀→原型提煉→模型建構→模型應用→模型再構”這一模型建構、應用與修正的課堂教學實踐過程中，學生需要借助證據推理來建構與論證自己的模型，而證據推理則需要借助“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“科學探究與創新意識”等素養共同幫助與配合才能完成。因此，進行高中化學模型教學是落實化學學科核心素養的有效途徑和必經之路。

總之，進行高中化學模型認知與建構教學不僅可以提高學生的化學學科邏輯能力與思維品質，還可以有效保障化學學科核心素養在課堂落地生根，開花結果。