淺談化學模型要素的識別與生成策略

張鈞如 李佳 李曉燕 汪朝陽

摘要： 模型要素的理解和應用能幫助學生學習和建構化學模型。在分析梳理“組成結構”模型、“作用力”模型、“變化規律”模型和“狀態”模型要素的基礎上，歸納出自上而下式與自下而上式兩種要素識別方式，進而提出“合理選擇要素識別方式”“明晰要素表示方式”“引導學生親歷要素識別及生成的思維活動”和“要素多維表征”等模型要素的生成策略，以原電池模型、原子結構示意圖和電離理論模型等例子闡明策略的具體應用。

關鍵詞： 化學模型; 模型要素; 要素識別; 思維活動; 教學策略

文章編號： 1005-6629（2021）03-0029-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

“模型認知”是化學學科核心素養之一，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，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[1]。Sins認為建構模型會歷經“從現象中識別模型的要素”“推理分析出要素之間的相互關系”“形成完整的模型”這幾個環節[2]。可見，認識研究對象的構成要素與要素間關系是建構模型的關鍵環節，而分析、推理是認識要素和要素間關系不可缺少的思維方法。

現有研究[3～5]大多基于較為宏觀的模型教學框架展開，如何細致地落實模型教學的各環節還需更加深入地探討。此外，從模型要素的角度關注模型教學的研究相對較少，如研究學生識別模型要素及其關系這一環節所使用的思維方式以及幫助學生識別模型要素的教學策略等。因此，有必要基于模型的分類和模型要素的含義分析不同模型的要素，提出幫助學生識別與生成模型要素的教學策略。

2? 模型要素

2.1? 模型及其分類

在一些學者的研究中，模型被定義為一種“描述”[6]“模擬”[7]或“圖畫”[8]。可見，模型是一種表征系統[9]，其根本屬性在于表征研究對象，指出研究對象的關鍵特征或要素及其相互關系，具有描述、解釋或預測功能。從內部結構來看，可以認為模型由要素及要素間的關系組成。

不同模型關注不同的研究方向，有的模型主要研究物質的組成或結構，即關注微粒或粒子的空間位置、大小、數量、連接等方面的特征，如化學式、結構式、原子結構示意圖、晶體結構模型、有機分子的球棍模型等，可歸類為“組成結構”模型。有的模型主要研究微粒間的相互作用力，即關注微粒內部或外部的電荷和電荷間的相互作用，如共價鍵、離子鍵、金屬鍵、氫鍵等，可歸類為“作用力”模型。有的模型主要研究物質的運動變化或物質性質的變化規律，即關注物質變化過程的特征和物質性質間的相似性、差異性，如氧化還原理論模型、有效碰撞理論模型、電離理論模型、電化學模型、勒夏特列原理、蓋斯定律、元素周期律等，可歸類為“變化規律”模型。需說明的是，元素周期律雖包含對原子結構的描述，但更強調元素性質隨結構變化而呈現的遞變規律，故將其劃分為“變化規律”模型。有的模型主要研究物質或物質變化過程中的某些狀態，即關注穩定條件下特定狀態的某些特征，如阿伏伽德羅定律、化學平衡狀態模型、化學平衡常數、過渡狀態理論模型等，可歸類為“狀態”模型。

2.2? 模型要素

研究對象由許多元素構成，在這些元素中，有一部分能說明它的本質和特征，對研究對象的變化、功能起顯著性的影響，在抽象和概括成模型時會被保留，這些元素即為模型的要素。

不同模型的要素不盡相同，馮品鈺認為理解晶體結構須知道微粒種類、微粒間相互作用、微粒的堆積方式以及它們之間的相互關系，故將這三者視為晶體結構模型的要素[10]。陳前進指出結構式的要素包括構成原子和價鍵結構，化學平衡模型的要素包括變化的條件、變化限度、定量和定性描述等[11]。王磊團隊認為原電池模型的要素包括電極反應物、電極產物、過程和反應現象、失電子場所、電子導體、離子導體和得電子場所等[12]。

由模型要素的含義和不同學者對模型要素的概括可以看出，模型要素應具有必要性、簡約性和抽象性等特點。基于此，初步指出部分重要化學模型的要素，見表1。

各類模型的研究方向（關注點）為明確模型要素提供了一定的參考。例如，“作用力”模型關注微粒內部或外部的電荷和電荷間的相互作用，而離子鍵這個“作用力”模型包含正離子、負離子、靜電作用力等要素，前兩個要素是電荷，后一個要素是電荷間的相互作用。“狀態”模型關注穩定條件下的特定狀態，而阿伏伽德羅定律這個“狀態”模型包含同溫同壓、氣體體積、分子間距等要素。其中，“同溫同壓”是一種穩定條件，“氣體體積、分子間距”均是氣體狀態下的某些特征。

模型的分類雖可為研究模型要素提供幫助，但模型要素與各類模型的關注點并非完全吻合，不同的模型具有各自的特性，歸納各個具體模型的要素時需要進行“定制化”的考量。

3? 模型要素的識別方式

3.1? 自下而上的識別方式

人們從具體事物出發，將這些事物的本質特性以及影響其性質、變化的因素抽離出來并概括為模型要素的過程，即為自下而上式的模型要素識別方式。整個過程具有從具體到一般的特點，涉及猜想、歸納推理、抽象概括等思維活動。比如，學生通過組裝不同材料制作簡易電池后，推理出原電池必需的構成部分，識別原電池模型的要素;通過搭建球棍模型識別甲烷分子空間結構的要素“109°28′鍵角”等過程均運用了自下而上的模型要素識別方式。

自下而上的識別方式需要學生親歷模型形成的整個過程，側重于建構模型的過程性，對學生分析推理等能力的提高大有裨益。以該種方式落實模型教學，所對應的模型認知能力水平更接近于“模型建構水平”。在確認模型要素及其關系、形成模型過程中，需要給予學生充分的時間思考，課堂耗時相對較長。

3.2? 自上而下的識別方式

直接指出模型的要素，引導學生結合具體事例，用演繹推理等方法驗證和梳理要素間關系的過程，即為自上而下式的模型要素識別方式。整個過程具有從一般到具體的特點，涉及演繹推理、類比、分析等思維活動。例如，影響鹽類析出的因素很多，學生難以從數量龐大的事例中分辨出主要的影響因素與次要的影響因素。因此，可直接指出溶解度、濃度兩個要素，鼓勵學生從溶解度、濃度與鹽類析出關系的多組數據中深入認識模型要素及要素間的關系，形成多組分體系析出的規律模型。

自上而下的識別方式明確地給學生指出模型要素，幫助學生快速通過模型認識研究對象，但需要學生將概括性的抽象內容具體化、形象化，較關注模型理解和運用的過程。以該種方式落實模型教學能使學生的模型能力更接近于“模型認識水平”或“遷移運用水平”。

4? 模型要素的識別及生成策略

4.1? 合理選擇要素識別方式

選擇合適的模型要素識別方式對落實模型教學有導向作用，可為課堂教學的思路框定方向。確定哪種模型要素識別方式最為合適，需從知識內容本身、學生的基礎和課標的能力水平要求等三個方面考慮。

從知識內容考慮，當其抽象程度很高，難以從宏觀現象判斷其內在本質的特性時，宜采用自上而下的識別方式。而通過經驗歸納就能識別出模型要素時，可采用自下而上的識別方式。從學生基礎考慮，當學生具備能夠支持其識別模型要素及其相互關系的知識經驗時，宜采用自下而上的模型要素識別方式;反之，應采用自上而下式的要素識別方式。從課標的能力水平要求來看，若要求學生能通過模型認識或解釋某些現象，即把模型視為解釋工具時，可采用自上而下的模型要素識別方式;若要求學生能建構模型，側重培養學生的建模能力時，宜采用自下而上的模型要素識別方式。

4.2? 明晰要素的表示方式

認知模型可以用語言、符號、圖像、動畫模擬等形式表達出來，這些表達形式與真實事物形象的接近程度不同，部分的表達形式還隱含一些約定俗成的人為規則。因此，學生識別模型要素及要素間的關系后不一定能以正確的模型形式表達出來。比如，學生知道原子結構包括核外電子與原子核，知道核電荷數、核外電子層數以及每個電子層的電子數等，卻仍可能無法形成原子結構示意圖這一模型，因為他們不明確電子層用弧線表示、原子核及核電荷數用圓圈和帶正號的數字表示等人為規則。因此，教師要讓學生清楚如何用特定的表達形式表示要素，避免學生將注意力放在為什么弧線只畫一半、弧線之間的間距大小等無關細節上，從而真正體會原子核結構的意象。

4.3? 引導學生親歷要素識別與生成的思維活動

識別與生成模型要素作為模型建構的基本環節之一，與歸納推理等思維活動密不可分。教師需創設恰當的學習任務或條件，引導學生主動參與、主動進行歸納推理等思維活動，通過任務的完成識別出模型要素，進而生成模型要素及其要素間的關系。下面以“列舉事例，歸納要素”這種任務活動為例來闡述如何幫助學生親歷要素識別與生成的思維活動。

列舉事例（提供證據）是創設條件的基本手段之一，所提供的事例和提示性的語言可驅動學生自主歸納事例的相似之處與相異之處，經概括、分析后提煉為模型要素或梳理成要素間關系。所舉事例可分為正例與反例。其中，正例是指有目標現象發生的例子，反例是指沒有目標現象發生的例子。教師要對正例和反例的各個方面進行考量，保證以下幾點：

（1）正例與正例之間除關鍵特點相同外，無其他共同之處;

（2）正例與反例之間除關鍵特點不同外，無其他不同點;

（3）例子要符合直觀、典型的特點，可以是生活生產的常見現象，也可以是實驗過程中觀察到的現象;

（4）例子呈現的個數要適當，不宜過多。

在呈現具體事例后，通過提示性語言引導學生綜合使用求同法和求異法。認識模型要素或要素間的關系。其中，求同法的基本思路為： 許多現象在不同的情況下發生了，而在這些情況中，只有一個條件是相同的，那么這個條件就是現象發生的原因。這里的邏輯形式為[13]：

事例條件或元素發生的現象

正例1A B Ca

正例2A D Ea

正例3A F Ga

結論A是a的原因

求異法的基本思路為： 前一個事例出現了某現象，后一個事例沒有出現某現象，則后一個事例中缺少的條件即為現象發生的原因。這里的邏輯形式為[14]：

事例條件或元素發生的現象

正例1A B Ca

反例2B C無

結論A是a的原因

為了讓學生更容易發現事例的異同，更靈活地使用求同法和求異法，可以將具體事例置于邏輯形式的表格中加以呈現，讓學生順利推理出結論。例如，在高一階段，為幫助學生識別原電池模型的“電解質溶液”這一要素，可以提供多種裝置作為正反事例（見表2），學生通過對比這幾個事例來推理具有怎樣特點的溶液才能使裝置產生電流。其中，事例①②的共同點是電解質溶液，無其他明顯的共同特征（均為酸溶液、均為鹽溶液、陰離子或陽離子相同、陰陽離子個數比相同結論？是裝置產生電流的條件之一。

歸納推理等思維活動不僅能讓學生有效掌握學習的內容，還能讓學生在活動過程中嘗試運用推理分析技能，增強對推理能力的信心，形成建模和用模的能力。學生在課堂上進行的推理實踐越多，親歷識別模型要素和自主建構模型的經驗越多，這種認識事物的方式就越容易遷移到其他問題情境和應用到日常生活中。

4.4? 要素多維表征策略

通過語言表述、視覺模擬以及框線圖概述三種方式來表征模型要素和要素間關系的策略稱為“要素多維表征策略”。若學生能運用語言將其腦海中的認知表達出來，這代表他們很可能對相關內容已經有一定的記憶或者理解[15]。因此，可以鼓勵學生用語言口頭表達他們腦海當中初步建立的模型（包括概況與細節），讓學生在表達的過程中清晰要素及要素間的關系，對模型有更深刻理解。同時，還能診斷與評價學生的模型認知情況。

其次，運用動畫模擬、圖像等視覺鮮明的工具加深學生對模型（包括要素和要素間關系）的印象（如圖1）。在觀察動畫或圖像的過程中，學生會自行對比腦海中形成的模型與展示的動畫或圖像模型之間的異同，修正相異構想并落實對模型細節的認識。

上述兩種維度的表征都是將模型具體化、細致化，以幫助學生消除可能存在的疑惑，最后一個維度則通過“框”和“線”將要素和要素間的關系以高度簡潔、凝練的形式呈現出來，它能總結并明確模型的基本框架，是學習者對模型在認識上的升華，我們將這樣的圖稱為“框線圖”（如圖2）。

下面以電離理論模型的建構為例，闡述要素多維表征策略的使用：

[語言表述]鼓勵學生用語言表達對該模型的認識： 電離前，化合物中的陰陽離子或原子因相互作用力而緊密結合。化合物溶于水后，其內部的陰陽離子或原子之間的相互作用力被水分子破壞，原本緊密結合的陰陽離子或原子形成自由移動的水合離子。加熱熔融時，化合物內部的陰陽離子或原子之間的相互作用力在能量的作用下被破壞，原本緊密結合的陰陽離子或原子變成自由移動的陰陽離子。

[視覺模擬]教材已呈現離子化合物NaCl的電離過程模型圖，對于共價化合物（如HCl）的電離過程，可通過圖1的視覺模擬圖呈現。

[框線圖概述]總結并明確電離理論模型的要素及要素間關系，見圖2。

5? 啟示

對教師而言，從要素這一角度對化學模型展開分析能為科學地確立目標模型提供幫助;從要素的識別與生成這一角度理解學生在模型認知活動中所要經歷的思維活動、學習的重難點或進階過程，能為設計合理且具有針對性的教學策略提供思考方向。同時，可增強教師對模型教學全程的整體把控能力。

對學生而言，以每個模型要素的識別與生成作為模型學習的任務單元，經過引導和提示進行思維活動，最終完成各個要素的識別和生成，是真正落實模型教學的關鍵，也是發展學生的分析推理能力和模型認知能力的重要方式。

現階段，研究者對模型要素的關注較少，模型要素如何確定、是否科學合理等問題還沒有系統化的探討。在模型認知活動中，除歸納推理外，還涉及到演繹推理、類比推理、分析等思維活動的展開，設計更多教學策略幫助學生掌握進行思維活動的訣竅、識別與生成模型要素、親歷模型建構的過程等，也需要更為深入地探索。

參考文獻：

[1]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.

[2]Sins Patrick， Savelsbergh Elwin， Van Joolingen Wouter. The difficult process of scientific modelling： an analysis of novices reasoning during computerbased modelling [J]. International Journal of Science Education， 2005， 27（14）： 1695～1721.

[3]顧建辛. 關于化學核心素養培育的微觀思考——原電池教學中的“證據推理與模型認知”[J]. 化學教學， 2017， （11）： 34～38.

[4]陸軍. 化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J]. 化學教學， 2017， （9）： 19～23.

[5]王換榮， 陳德坤， 陳進前. 化學核心素養之構建模型認知在教學中的應用[J]. 現代中小學教育， 2019， 35（1）： 45～49.

[6]康同輝. 高中生化學模型認知能力研究[D]. 沈陽： 沈陽師范大學碩士學位論文， 2019.

[7]查有梁. 教育建模（第2版）[M]. 南寧： 廣西教育出版社， 2000： 5.

[8]錢學森. 論科學技術[J]. 科學畫報， 1957， （4）： 99.

[9]劉儒德. 建模： 一種有效的建構性學習方式[J]. 心理科學進展， 2003， （1）： 49～54.

[10]馮品鈺， 何彩霞. 發展學生模型認知的化學教學實踐——以“離子晶體”為例[J]. 教育與裝備研究， 2018， 34（4）： 29～33.