談“模型”“化學模型”和“模型認知”過程

郝向英 劉平 吳燕妮 陳志勝 王趙志 唐青

“模型認知”是一種科學的思維方法，既是“化學科核心素養”，也是高中數學、物理和生物的核心素養之一，建構和應用模型的方法在學習、工作和科研中作用重大，應用廣泛！但是，我們在與中學化學教師和化學師范學生接觸過程中，發現很多教師和同學對“模型”“化學模型”認識模糊，不知道中學化學中哪些內容屬于“化學模型”，對“模型認知”的過程也沒有系統的認識;在教學中無意識地應用了“模型認知”的一些方法，其實在寫“教學設計”時根本沒有考慮過這方面的內容。因此，本文就“模型”“化學模型”和“模型認知”過程這幾個方面做一點系統的探討，以達拋磚引玉之作用。

一、模型及分類

模型又稱為“模子”、模板或模具。從廣義上講：如果一件事物能隨著另一件事物的改變而改變，那么此事物就是另一件事物的模型。用通俗的話說是選擇或制造一個模板，以后照著這個模板學習、思考、研究及工作就更加的方便、快捷及科學。模型可分為形式模型、思維模型和操作模型，其分類見下表。

與化學科相關度較高的幾種模型是：“實體模型”“數學模型”“理論模型”及“操作模型”中的基本操作、典型操作流程和典型計算步驟。

二、認識化學模型

要培養學生的“模型認知”素養，首先就要化學教師要認識與化學科相關的各種模型。只有認識、理解了化學模型，了解了“模型認知”的過程，才可能應用化學模型進行教學，讓學生理解化學模型并能應用“模型認知”方法學習化學知識。

1.形式模型

（1）實體模型：實體模型是指我們在生產生活和教育科研中實際存在的、具有一定體積和重量的物理形態和按一定比例放大或縮小的物件、圖形等。在化學中可以分為實驗裝置模型、工業設備模型和分子原子模型。

①實驗裝置模型：典型實驗裝置就是一種能演變出多種構形相似、功能相近的變形裝置的模型。例如：初中化學的“固+固加熱反應裝置”“固+液反應裝置”，高中的“氣體吸收裝置”，由它們可以演變出多種變形裝置。

②工業設備模型：是縮小版的工業設備。如教學中使用的煉鐵高爐模型、污水處理廠和換流閥水冷設備模型等，這些把大型工業設備縮小做成便于學生觀察的道具就是“工業設備模型”。

③分子、原子模型：分子模型可以是球棍式、比例式模型。

④物質關系模型：在化學中主要指物質性質關系（如思維導圖）或轉化關系圖和“元素價——類圖”等。在教學中板書或讓學生畫這兩種轉化關系圖，有利于學生將碎片化的物質性質知識結成網絡、形成牢固的記憶。

2.思維模型

思維模型分為數學模型、理論模型和推理模型。數學模型還可以細分為公式模型、方程模型、算法模型和圖象模型，推理模型分為歸納推理、演繹推理和類比推理。

（1）數學模型：數學模型分為公式模型、方程模型、算法模型和曲線模型。理科類的各種公式就是模型的一種，這些公式往往可以推論出其它變形公式。

（2）理論模型：化學中有著各種各樣的理論模型，如原子分子論、元素周期表與元素周期律、化學平衡理論、電解質及電離理論、電化學理論、熱化學理論（化學反應與能量變化、反應熱、中和熱、蓋斯定律等）、電化學理論（原電池、電解池等）、原子軌道和分子軌道（由薛定諤方程計算得出的結果）、化學鍵理論、分子間作用力、雜化軌道理論、分子軌道理論、價層電子互斥理論、晶體結構理論等，都屬于理論模型。而理論模型的建立通常是運用了推理模型，推理須遵循的基本邏輯，它是由一個或幾個已知的判斷（前提）推出新判斷（結論）的過程。推理模型可分為歸納推理、演繹推理和類比推理。

3.操作模型

典型規范的操作方法或步驟就是操作模型。在化學教學中的實驗基本操作、典型實驗規范操作步驟或流程、典型計算步驟和教學模式，都是操作模型。例如：實驗室蒸餾裝置和氯氣的制取裝置的安裝、制取和拆卸的規范步驟，工業生產流程（如自來水生產流程），化學計算要求表達的計算步驟都是。教學策略中的教學模式，如“自學點撥式”“激疑探究式”“點撥反饋式”、洋思中學的“先學后教”、杜郎口中學的“10+35”、魏書生的“六步教學法”、邱學華的“先練后講，先試后導”、東盧中學的“講學稿或導學案”及“翻轉課堂”等，都是教學實操模型。

三、不同知識“模型認知”的方式和過程

學生思維發展必須符合科學知識和思維發展的規律，不同知識塊在引導學生思維發展過程中，模型認知的方式和過程也略有不同。教師要了解這些思維過程的不同點，恰當地應用在教學之中。

1.實驗模型的建構和應用

實驗模型的建構和應用經過了具體問題、分析問題、構建模型、理解模型和應用模型幾個環節，思維逐步深入，能力要求也不斷提高。由知識表征過渡到行為表征，最后形成抽象表征。

2 .物質關系模型的建構和應用

物質關系模型可以是轉換關系圖和二維價類圖，它的建構運用了由特殊到一般的歸納推理過程。先選定具體物質，再通過發散聯想鈉的各種化合物，用箭頭將含該元素的單質和各種化合物聯系起來，或在價類二維坐標中定點寫出和連接，從而建構出物質轉化關系模型。

3.理論模型的建構和應用

（1）歸納推理：以歸納推理方式建構理論模型及應用的過程見下圖（以質量守恒定律為例）。

（2）演繹推理：以演繹推理方式建構理論模型及應用過程見下圖（以原子理論模型為例）。

（3）類比推理：以類比推理方式建構理論模型及應用過程見下圖（以勒沙特原理例）。

（4）其它模型：限于文章篇幅，以下幾類模型不再畫出二維圖，只展示它們的思維過程：

公式模型：測量數據—→發現規律—→建立公式—→發現誤差—→修正建立公式模型，

例：平衡時各物質濃度→濃度商是定值→平衡常數公式→與方程系數有關→平衡常數公式;

方程模型：具體方程式—→一類方程—→發現規律—→方程模型—→應用：

例：鹽酸與燒堿反應→酸堿反應→只有H+與OH-反應→離子方程式→離子方程式書寫;

曲線模型：具體反應—→實驗數據—→坐標描點—→曲線模型—→推廣應用：

例：酸堿中和反應→pH數據→坐標描點→中和滴定曲線→氧化還原滴定曲線;

典型計算步驟模型：計算原理→計算各步驟→重復練習→計算步驟模式;

教學模式：教學方法→教學步驟→關鍵步驟→教學模式→應用推廣。

只有理解了模型，才能應用模型，直至在更高的層次上創造新的模型。在化學教學中一些簡答題，如用化學平衡原理解釋合成氨的條件選擇、用溶度積和沉淀溶解平衡原理解釋沉淀的溶解與轉化、用雜化驗軌道或價層電子互拆理論解釋分子的性質或空間結構等，教師要求學生抓住關鍵詞先表達什么、再表達什么，也是一種模型認知，即特定內容的“語言表達模型”;處理問題思維方式、人才能力維度和一些學習方式也是模型，如“是非原則模型”“艾森豪威爾矩陣模型”“認知扭曲原理模型”“肯定式探詢模型”“雙重回路學習模型”“個人能力模型”等。所以化學核心素養中的“模型認知”非常重要，需要我們廣大化學教師認識、發現、體會并運用到教學中，使學生通過“學科知識→學科方法→思維方法”的認知過程，形成“模型認知”的意識和能力。

責任編輯 徐國堅