“模型認知”是重要思維方式

摘要： “模型認知”是重要的化學學科思維方式，要從化學模型、化學認識模型等視角理解“模型認知”的內涵。從化學模型視角看，“模型認知”包含運用化學模型化學表征的能力、運用化學模型解釋和論證的能力、運用化學模型預測和驗證的能力、構建和優化化學模型的能力等;從化學認識模型視角看，“模型認識”包含運用化學認識模型將知識功能化，基于化學認識模型發展學生的自我評價、自我調控能力等。

關鍵詞： 模型認知; 化學模型; 化學認識模型; 化學學科核心素養

文章編號： 10056629（2020）05000907

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 理解“模型認知”應該有多種視角

1.1 部分已有研究

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“2017年版課標”）提出的5方面化學學科核心素養中包括“證據推理與模型認知”，因此“模型、模型認知”等引起了化學教學研究者和一線教師的關注，提出一些觀點： 陸軍[1]提出，模型包括實物模型和形式模型兩類，形式模型包括數學模型、圖像模型和語義模型等，化學學科核心素養中的“模型認知”是指“基于模型的認知”，這種觀點為一線教師的教學實踐指出了一種方向;楊玉琴[2]提出，“模型認知”能力是指能夠運用模型描述化學研究對象、解釋化學現象和規律、預測可能的結果，并能夠建構模型展示自己對化學事實的理解和解釋能力，這為評價提供了一種思路;馮品鈺、何彩霞[3]提出，“模型認知”分為兩大方面，一是利用模型認識事物及其變化，二是通過建構認知模型建立解決問題的思考框架，前者指科學模型，后者指科學認知模型，這為多視角理解“模型認知”打開了通道;羅炳杰提出[4]，“模型”是研究對象的替代物，是按比例或特征制成與實物相似的物體或圖型，認為數軸模型、坐標模型、思維模型等是中學化學教學中常見的模型;吳克勇等提出[5]，化學學科中的模型可分為物質模型（包括天然物質模型、人工物質模型）和思想模型（包括想象模型、符號模型和數學模型），模型具有描述功能、解釋功能、預見功能和判斷功能，模型認知是指人們利用模型認識事物或通過建模解決問題。

已有研究主要集中在化學教學中相關模型的分類、化學學科核心素養中的“模型認知”的內涵兩個方面，為一線教師學習和理解提供了有價值的視角。對于化學教學中相關模型分類方面，大多是從表面形式上確定分類依據（如分成實物模型、非實物模型等），聯系模型的本質特征來考慮的比較少。對于“模型認知”內涵的解讀，不同研究者提出觀點差異較大。

1.2 “2017年版課標”中關于“模型認知”的描述

“2017年版課標”在化學學科核心素養之一“證據推理與模型認知”中提出：“知道可以通過分析、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，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”[6];對應的課程目標中提出：“能認識化學現象與模型之間的聯系，能運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果;能依據物質及其變化的信息建構模型，建立解決復雜化學問題的思維框架”[7]。化學學科核心素養的水平要求中與“模型認知”相關內容如表1所示。

我們認為，“2017年版課標”中的“證據推理與模型認知”主要指向科學思維，所以應該從化學學科思維方法、思維過程層面切入理解“模型認知”，“模型認知”應該是化學學科中最基礎的、最核心的思維方式之一。

1.3 理解“模型認知”應該有多種視角

“2017年版課標”中關于“模型認知”的描述有商討余地，有些方面迫切需要專家進一步明確。如，化學學科核心素養中的“模型認知”有哪些內涵？若將“模型認知”看成是“基于模型的認知”，那么其中模型是專指科學模型下的化學模型嗎？這些疑問一定會給一線教師帶來困惑，會直接影響到化學教學中這類素養的培養。

我們認為，“模型認知”有豐富內涵，要深入理解其內涵應該有多種理解視角。基于“2017年版課標”，結合當前中學化學教學實際，至少可以從化學模型（屬科學模型層面）和化學認識模型（屬認知心理學層面）兩個視角來理解。如，“認識化學現象與模型之間的聯系”“識別物質模型與理論模型”“運用理論模型解釋或推測物質的組成、結構及變化”等，要從化學模型視角理解;“建立認知模型”“運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構、性質和變化”等應該從認知心理層面的化學認識模型視角來理解;“運用模型解釋化學現象”“對模型和原型的關系進行評價以改進模型”等內容需要從上述兩種視角來理解。當然，還可能有其他理解角度。

2 化學模型——理解“模型認知”內涵的第一個視角

2.1 化學模型

模型是表示尺度、樣本、標準的意思，模型是認識科學的工具之一。模型可用以表征現象、概念、過程、事件等，它能以不同的表征方式來呈現（如圖像、文字等），以達到不同的功能與目的（如解釋性、描述性等等）。化學模型是重要的科學模型，是人們對化學領域中的研究對象作科學研究后所得結果的表述與解釋，是重要化學方法。常見有實物形態的化學模型（如分子結構模型、晶體結構模型等），也有思想形態的化學模型（如化學平衡理論、化學鍵理論等）。很明顯，模型、科學模型和化學模型有從屬關系，從屬關系中主要體現了對應研究對象的范圍。

大家知道，化學教學中建構化學模型、研究化學模型就是為了解決化學問題，化學教學中對化學模型進行分類，是為了讓學生更好地學習理解化學知識，促進學生更好地研究和解決化學問題。中學化學教學中的化學模型，以研究對象作為分類依據主要有以下三類：

第一，微粒結構類。這類化學模型中表達的要素有微粒的構成、空間結構、相互作用等，如電子式、電子云、分子結構模型、晶體結構模型、氫鍵結構模型等都屬于這種類型;

第二，變化過程類。這類化學模型中表達的要素有變化的條件、變化的原理、變化后的產物等，如化學平衡狀態、鋼鐵吸氧腐蝕模型、鋼鐵析氫腐蝕模型等屬于這種類型;

第三，結構與變化的關系類。這類化學模型主要表達結構與變化關系的規律，如元素周期律、有機物分子中基團之間相互影響理論等。

化學模型是物質的結構、組成、變化、性質等相關的實際問題或實際情境的抽象和概括。抽象和概括的目的就是為了抓住主要因素、忽略次要因素，突出本質要素。抽象與概括的結果不能改變問題的本質特征[9]。化學模型是對化學問題和現象的假設與解釋。通過假設將本質要素相同的一類化學問題建構成化學模型來表達，進而用所建構的化學模型來理解、解釋或解決這一類化學問題。

2.2 化學模型的教學功能

科學家其實往往是通過直接研究模型而間接地研究現實世界的[10]。“2017年版課標”中提出的“模型認知”相關內容中，大部分跟科學模型層面下的化學模型緊密相關。從化學模型視角深入理解“模型認知”內涵，就是要理清化學模型的化學教學功能，可歸納如下：

第一，化學模型具有表征功能。電子式、電子排布式、核外電子的軌道表示式、結構式、分子模型、晶體模型等，也是化學模型符號化（化學方程式、離子方程式、電極反應式等也屬于這種類型），它們構成了一個形式簡潔、內涵豐富的化學符號體系，這是實現“宏觀微觀符號”相結合的化學表征基礎，可以認為模型認知中包含著“化學符號表征能力”。

第二，化學模型具有解釋功能。化學模型是人們經過抽象和概括或假說得出的一種理解原型的心理圖式，化學模型本身就是一種理論解釋模型，是解釋、論證的理論工具。如，解釋物質的結構、性質、能量變化等相關的實際問題時離不開化學鍵模型、氫鍵模型、范德華力模型等，模型認知中應該包含“運用化學模型進行解釋、論證化學實際問題的能力”。

第三，化學模型具有預測功能。如，根據氫鍵模型可預測哪些物質可能形成分子內氫鍵、哪些物質可能形成分子間氫鍵，并進一步解釋形成氫鍵后對物質性質的影響等;根據元素周期律可以預測元素的性質及相關物質的結構、組成和性質等。模型認知中應該包含“運用化學模型作出預測、驗證的能力”。

第四，化學模型具有重演功能。化學教學中，師生共同構建化學模型的過程，實質就是重演了化學前輩研究化學問題、探索化學規律、建立化學理論歷程，在重演過程中學生在獲得科學方法的同時，還可以充分體驗科學精神。

從化學模型視角看，模型認知就是“基于化學模型學習化學、解決化學實際問題”。我們認為，從化學模型視角理解化學學科核心素養下的模型認知，應該包含如圖1[11]所列內容。

總之，科學模型的特點是“原型的假設產物”“原型的替代物”，從化學模型視角理解“模型認知”，就是“基于科學模型來認知原型”，即運用化學模型作化學表征，運用化學模型解釋、論證、預測和驗證等。

3 化學認識模型——理解“模型認知”內涵的第二個視角

3.1 化學認識模型

化學認識模型是指導學生對學習化學知識、研究化學問題的一種系統化思維模式，可在“研究什么、怎么研究、要完成哪幾類任務、從哪些角度研究”等為學生提供策略性指導。化學教學中，面對知識繁多、問題關系復雜、研究過程曲折的實際，對各個領域進行“認識的系統化加工”顯得特別重要。用模型化方法處理化學認識發生和發展的過程，提取其中認識要素和規律，用該領域中的核心知識、重要認識角度和思路、主要任務類型、認識發展進階等建構成化學認識模型，基于此開展學習和研究活動是促進思維發展的重要途徑。

在化學教學中，王磊教授領銜團隊的研究成果中提出了現已成為中學化學教學經典的元素化合物認識模型（如圖2[12]）、電化學認識模型（如圖3[13]），都是圍繞認識發展這條主線由以下4方面構成： （1）認識對象（或化學學習和研究對象），知識本體維度;（2）化學問題（問題維度）;（3）能力活動中的任務類型（任務維度）;（4）認識維度，這是認識模型的關鍵，是化學核心知識有沒有充分發揮認識功能的關鍵表現維度。

化學認識模型中的研究范圍可大可小，涉及的化學問題、任務類型可以是一類或多類，這些都要根據教學中學生認識發展的需要而定。根據所屬研究領域對高中教學中常見化學認識模型進行分類，大致可分成以下三類： （1）所屬領域是化學學科一個“大模塊”，常見有元素化合物、有機化合物、化學實驗、化學反應原理等所對應的化學認識模型（如圖2就是跟元素化合物這個“大模塊”匹配的化學認識模型）;（2）所屬領域范圍是某一單元（如圖3就是跟電化學單元相匹配的化學認識模型）;（3）專門指向某一類問題（圖4[14]是專門用于預測有機物性質的化學認識模型）。

常見的化學認識模型中包含的要素有多有少，有的只是一個簡潔流程，有的構成要素比較完整，據此大致可以分成兩類： （1）包含認識對象、化學問題、任務類型和認識方式四個要素的化學認識模型（如圖2、 3所示）;（2）只有一個或幾個要素的化學認識模型（圖4只是一個研究流程）。

認識模型是指導學生學習化學、研究化學問題的一種系統化思維模式，在“要研究什么、怎樣進行研究、任務類型是什么”等方面為學生提供策略性指導。化學認識模型有多種特征，為了更好發揮化學認識模型的教學功能應注意以下特征：

第一，化學認識模型的系統性特征。如圖2、 3對應的化學認識模型中包含多種要素，都是由認識系統、知識系統、問題系統、任務系統等多個系統構成的大系統。基于化學認識模型去學習和研究，是一個有序的、有進階的系統化認識過程，有利于學生形成系統化思維模式。如基于圖2對應的元素化合物認識模型研究各種元素化合物（無論是熟悉的物質，還是陌生的物質）相關問題時，相關的化學問題都可歸納成“性質、轉化”兩類問題，都可以從物質類別、化合價、元素周期律等認識角度形成研究思路……

第二，化學認識模型對教和學都具有監控性、評價性特征。這是特別值得重視的特點，監控包括自主選擇合適的任務類型、自我調整研究順序和研究目標、自我評價研究成果和發展水平等。可以說，化學認識模型又是學生對學習過程進行自我監控、自我調整的抓手。例如，當學生遇到“電解氯化鈉溶液制取ClO2”問題時，他可以根據圖3先從裝置維度分析、再從原理維度研究……教師可根據學生“有沒有自覺的認識角度、單角度還是多角度、有沒有穩定的推理思路、所完成的任務屬于低層級還是高層級的”等方面進行評價。

第三，化學認識模型具有“綱目性”特征。從教和學的角度看，化學認識模型是外顯的“綱”、又是內隱的“目”，既可以起到“舉綱張目”的作用，也可以起到“收目成綱”的作用。如基于圖3所示的認識模型解決電化學問題時，可抓住裝置維度、原理維度兩個核心認識角度，打開原理維度（一級認識角度）后可以明確其中的二級角度有現象、過程、電極反應物、電極產物等等，再打開電極反應物（二級認識角度）又可分為氧化反應極（負極、陽極）和還原反應極（正極、陰極），具體的電極反應式書寫時還要考慮水溶液條件下（酸性溶液、堿性溶液中）、無水條件下等不同情況思考……理順這種關系，就形成了比較流暢的分析和推理思路。

3.2 化學認識模型的教學功能

教學中，化學認識模型是一種具有傳遞功能的認識成果，是師生之間、同學之間交流過程中可以相互傳遞的符號化智慧;解決化學問題過程中，化學認識模型是學生手中可以操控的接近理想化的方法，又是學生開展化學思維活動的基本單位、是交流思維成果的工具。

化學認識模型的建構和運用過程可用圖5表示，由此分建構、運用兩方面來理解“模型認知”的內涵。

化學認識模型建構的過程是輸入過程，但輸入的不僅僅是知識，還有認識系統、問題系統、任務類型系統等，這些都是超越具體知識的，需要學生概括出來的，所以這個輸入過程是學生深度加工的過程，是使知識認識化、結構化的過程。在化學認識模型建構過程中，要根據特定的認識對象提煉認識角度、認識思路和認識深度。當然，對于學生來說，知識的認識化過程是有階段性的，與學生基礎和教學進度等實際情況有關。例如，對于元素化合物，必修課程中主要是基于類別通性、基于核心元素化合價、基于元素周期律來認識，到選修課程中還要發展到基于物質結構、基于反應原理等認識方式[15]。

化學認識模型的建構是一個建立聯系通道的過程。以建構元素周期律表認識模型為例，主要就是引導學生建立“原子、元素和物質之間聯系（形成元素決定物質的觀念），結構、性質和位置之間的聯系（形成結構決定性質的觀念），不同元素之間的聯系（形成基于元素認識物質的核心角度）”，所以在元素周期律表的新課教學和單元復習教學中可以跟學生一起建構如圖6所示的元素周期律認識模型，在后續的適當階段還可以將圖6所示認識模型進行優化升級。

運用化學認識模型解決問題的過程是一個高級輸出過程。學生在基于認識模型分析和解決化學問題時，認識模型在認識思路、思維方法上具有調節功能。或者說，在認識模型的運用過程中，外顯在認識模型中的認識方法可以內化為學生的元認知，提升學生自覺調用認識角度、自動檢索思維方法、自我監控問題解決過程的能力。浙江富陽中學邵傳強老師以“預測并驗證富馬酸亞鐵（CHCHCOOCOOFe2+）的化學性質”為題開了一節復習課，面對這個任務時有較多的學生表現了較高的認識素養，較快確定任務中涉及“無機化合物、有機化合物”兩個研究領域，提出要從“亞鐵鹽→中間價態、羧酸鹽→弱酸鹽、碳碳雙鍵”等角度作出預測（說明先前教學中教師重視引導學生建構了相關的認識模型）。

可以說，化學認識模型是培養和發展多種關鍵能力的“主機”！教學中，可以為學生發展“發現問題、提出問題能力”建構化學認識模型，也可以為學生發展“實驗探究能力”建構化學認識模型，還可以為學生發展“對元素化合物性質的預測和驗證能力、對預測和驗證有機化合物性質的能力”等建構化學認識模型，結合關于物質性質的實驗探究過程，也可以跟學生一起建構圖7[16]所示的“研究物質性質的化學認識模型”，讓學生運用此化學認識模型探究重要物質的化學性質。

從化學認識模型視角理解化學學科核心素養下的模型認知的部分內涵，主要包含以下幾個方面： 運用化學認識模型將知識認識化、思路化、功能化，運用化學認識模型“挽補能力缺陷的能力”，學習過程中運用化學認識模型進行自我評價、自我調控等（如圖8所示）。

總的來看，作為化學學科核心素養的“模型認知”，一是基于化學模型的認知，即通過化學模型，識別研究對象的組成要素及要素間的關系，通過化學模型理解事物及其變化的本質特征和規律，在使用化學模型描述、解釋現象，預測性質與變化等功能;二是基于化學認識模型的認知，在認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系的基礎上，構建化學認識模型，為解決復雜問題提供思考框架，形成解決問題的思路與方法。

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