“模型認知”測評的目標、要求與命題策略
——化學學科能力的視角

童文昭 鄒國華 楊梓生 楊季冬

一、“模型認知”素養的測評目標

（一）“模型認知”素養的學科內涵

“模型認知”并非化學學科特有的學科素養，在數學、物理等其他學科也同樣存在“模型認知”。 理解該素養的關鍵在兩個方面， 一是化學學科中的“模型認知”與哪些知識內容有關？ 二是“化學模型”具體有哪些？

所謂“模型認知”，可理解為利用模型進行思維的一種方法，就是通過能在一定程度上反映事物本質的“模型”去認識新事物的一種學習或認識方式[1]。課程標準中關于“模型認知”素養的內涵描述是，“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”[2]。由于化學學科的本質是 “從分子、 原子層面認識物質和創造物質”，因此，化學學習中“模型認知”的對象主要體現在物質的結構、性質、變化、現象等方面，即通過建立物質結構、變化等方面的模型，達到認識物質的目的。

關于“化學模型”，現有文獻分類的依據不同，分類結果也比較多樣。 例如， 單旭峰將其分為概念模型、結構模型、過程模型、數學模型、復雜模型等[3]；陸軍將其分為實物模型、數學模型、圖像模型、語義模型[4]；陳前進將其分為微粒結構模型、變化過程模型、結構與變化關系模型等[5]。綜合現有相關文獻及教學實際，本文將“化學模型”歸納為兩類：一類是與物質結構相關的模型， 主要反映物質在微觀結構上的一些理論、形象和特征，如原子結構模型、分子結構模型等；另一類是與物質變化相關的模型，主要反映物質變化過程中的一些概念、原理和規律，如性質規律模型、反應原理模型等。 具體模型分類見表1。

表1 中學常見“化學模型”分類

（二）“模型認知”素養的測評目標

學業水平考試的重要特征就是評價核心素養發展的狀況及學業質量的達成程度[6]。核心素養是一個易被泛化的概念， 為能更準確地刻畫學生核心素養的具體狀況， 高中課程標準研制組負責人王磊根據化學學科活動特點和學習認知規律， 提出了從知識到素養的學科能力進階模型（圖1），并指出，學生在完成學科認知和問題解決活動中的學科能力表現，其實質就是化學學科核心素養在知識、 經驗和能力方面的外顯表現[7]。學科能力進階模型使我們能為不同維度的核心素養界定一個層次分明的測評目標，并為后續將高度概括的“學業質量水平”劃分為角度清晰、 梯度明顯、 要求具體的測評要求提供理論支持。

圖1 從知識到素養的學科能力進階模型

對于“模型認知”素養，課程標準在課程目標中提出的要求是：“能認識化學現象與模型之間的聯系；能運用認知模型描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的結果；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。”[8]從上述學科能力的角度來理解這一要求，可以發現，該要求分別是從模型的認識、應用、建構三個角度提出的，所對應的正是學習理解、應用實踐、遷移創新三個維度的學科能力。 因此，可以將“模型認知”素養測評的總目標確定為：在測評任務的引導下，評價學生對“化學模型”的學習理解、應用實踐和遷移創新等學科能力的表現。 具體目標為：

①學習理解目標： 學生對各類化學模型的辨識、理解和說明的能力表現；

②應用實踐目標：學生應用各類化學模型對化學問題進行分析、推斷和預測的能力表現；

③遷移創新目標：學生利用已有化學模型對陌生復雜情境問題的推理解決能力表現， 以及根據已有信息建構化學模型的能力表現。

二、“模型認知”素養的測評要求

“學業質量水平”是素養評價的依據，但由于課程標準將“宏觀辨識與微觀探析”及“證據推理與模型認知”兩個維度素養揉合在一起，且對“模型認知”素養單獨的描述甚少， 為能更準確地把握 “模型認知”的評價要求，可將上述各類化學模型融入學業質量描述，對“模型認知”素養的學業質量評價要求進行具體化。在此基礎上，再根據三類學科能力的內涵要求，將各水平評價要求進行拆分歸類，可得到如表2 所示內容。 從表2 可以看出，學業質量水平中序號1 內容主要體現了物質結構模型的評價要求，序號2主要體現了化學反應或化學變化模型的評價要求，序號3 主要體現了化學實驗模型的評價要求。 在學科能力的要求上，從水平1 到水平4，隨著化學模型的類型及復雜性的增加， 模型認知的學科能力要求總體呈現了從學習理解轉向遷移創新的趨勢。 各水平的學科能力表現特點如下：

水平1 以學習理解能力要求為主， 包括辨識簡單模型、將模型與化學事實進行關聯、用模型說明化學事實等。

水平2 的學習理解要求較水平1 有所提高，且部分模型提高到應用實踐的水平。如，對原子結構模型的學習理解， 從水平1 的說明常見元素性質提高到水平2 的說明性質變化規律。對反應、實驗等模型則提高到能進行簡單設計的應用實踐水平。

水平3 仍以學習理解和應用實踐能力要求為主， 但因選擇性必修課程大幅增加了化學模型的類型和復雜性，因而不論是學習理解還是應用實踐，能力要求都有較大幅度的提高， 尤其表現在多模型的關聯理解和應用方面。

水平4 在學習理解方面突出了模型的比較和選擇，體現了對化學模型深層次理解的要求；在應用實踐方面， 突出了應用模型進行相關分析和預測，體現了對化學模型綜合性應用的要求；在遷移創新方面，突出了復雜情境中對模型遷移、重構及評價的要求，體現了對化學模型情境化及創造性應用的要求。

需要說明的是，表2 內容僅是基于“學業質量水平” 所述內容確定的模型認知素養的學科能力評價要求，并不代表所有中學化學模型的評價要求。更多的模型及其能力評價要求， 還需要根據不同的課程模塊及內容標準，結合表1，并參考課程標準附錄1“核心素養的水平劃分”進行確定。

表2 “模型認知”素養的測評要求

三、“模型認知”素養測評的命題策略

為實現對核心素養的科學評價， 課程標準提出了以素養、情境、問題、知識為構成要素的四要素命題框架，并指出，素養導向的測評應以情境為載體、問題為任務、知識為工具。對于一個良好的素養測評項目， 上述各個相互影響的構成要素必然是共同指向預設的素養水平。從學科能力角度理解，核心素養發展的關鍵是化學學科能力的發展， 而化學學科能力的內核是知識的認識方式（從學習理解到遷移創新），這需要通過創設特定的情境，設計相應水平的任務（問題）進行考查[9]。 因而，在基于學科能力的素養測評中，教師應根據學段課程內容，充分考慮知識的認識方式與情境、問題的協調統一，為核心素養的科學量化評估提供一個目標明確且指向一致的測評任務。基于這一認識，結合前述知識到素養的學科能力轉化機制，可構建如下圖2 所示的知識、情境、問題三位一體、共同進階的學科能力素養測評模型。以“模型認知”素養為例，隨著素養測評要求的提高，圖中所示測評模型中的核心知識（即“化學模型”）的學科能力要求逐漸從學習理解提高到遷移創新， 而與之匹配的任務情境逐漸從簡單且熟悉的情境提高到復雜且陌生的情境， 問題結構也逐漸從良好結構提高到不良結構。

圖2 基于學科能力的素養測評模型

為了能更科學、合理地對模型認知素養進行測量評價，下面結合高考試題案例，分別對上述測評模型中知識、問題和情境的命題策略進行分析，為日常考試命題提供參考。

（一）突出模型知識的工具價值

知識是解決問題的工具， 也是素養測評的核心內容。為改變過去以知識本體為核心的教學與評價，新課程標準強調了知識的工具屬性， 突出對知識應用層面的要求， 注重對學生運用結構化知識解決實際問題能力的考查。問題解決的過程由發現問題、分析問題、提出假設、檢驗假設四個階段構成。 發現問題是解決問題的第一步， 需要調用已有知識經驗去發現隱藏在情境中的問題； 分析問題則需要利用相關知識對問題進行表征， 明確解決問題所需條件和已有條件的差距；提出假設則需根據分析結果，正確運用相關知識提出解決方案； 驗證假設則需要進行知識推理，驗證解決方案是否正確。 可以看出，上述每一階段都需要不同程度地提取和運用知識， 知識是完成這些步驟的重要“工具”。

對于模型認知素養而言， 根據現代心理學對知識的分類，模型認知屬于程序性知識范疇，是一種認知策略；也就是說，模型本身就是一種帶有實踐屬性的認知工具。 所以，體現模型認知的工具性，重點在于展現化學模型知識的實用功能和實踐性特點，具體表現在運用化學模型這一工具完成問題解決的整個過程：從根據問題調用已有模型或建構新模型，到運用模型分析問題，再到基于模型提出假設，最后驗證假設是否符合模型。落實到具體的設計上，則應著重思考在解決問題的每一階段， 需要哪些化學模型知識、怎么運用這些知識，包括知識的聯結、應用等等，盡可能提升知識運用的靈活性，從而更好地體現化學模型這一核心知識的工具價值。

例1（2020 年全國卷III 第36 題，節選）：

（1）由C 生成D 所用的試劑和反應條件為：

_______________；

（2）M 為C 的一種同分異構體。已知：1 mol M與飽和碳酸氫鈉溶液充分反應能放出2 mol 二氧化碳；M 與酸性高錳酸鉀溶液反應生成對苯二甲酸。M的結構簡式為：_______________；

R' -CH3 -C2H5 -CH2CH2C6H5產率/% 91 80 63

有機合成試題作為模型認知素養考查的重要情境載體， 其顯著的特征就是要求學生能利用所學的或情境所提供的有機物性質模型和結構模型， 解決有機物推斷及合成問題， 突出了模型知識作為工具的重要特征。 例1 中，問題（1）要求能根據酯的結構模型和酯化反應模型，通過C 和D 的結構異同判斷反應試劑及條件， 能力考查對應表2 中水平3 的學習理解要求；問題（2）要求能應用羧酸的性質模型和苯環側鏈與高錳酸鉀反應模型，對“放出2mol 二氧化碳、生成對苯二甲酸”這一信息進行有效轉化，推斷M 的苯環對位上各有一個含羧基的側鏈，再結合總碳氫數推出側鏈為“-COOH”和“-CH2COOH”，能力考查對應表2 中水平3 的應用實踐要求；問題（3）要求能根據所提供的“PCBO”和“”這兩個陌生有機物結構模型從D 到E 的結構變化，建構出“4+2”環加成反應模型（重點在PCBO 的開環位置和“-R'”處在環加成端的位置），進而應用反應模型推測“-R'”對“4+2”環加成反應可能造成“空間位阻”的影響， 能力考查對應表2 中水平4 的復雜推理和遷移創新要求。

（二）合理設計模型認知問題的結構

由于問題解決過程首先是對問題的情境作出反應，再經過分析、假設、驗證等一系列心理操作，最終使問題得以解決。這其中會涉及到三種“問題空間”：問題的初始狀態（已知條件）、目標狀態（期望結果）和解決方案 （利用已知條件達到期望結果的方法），這三種問題空間也就是一個問題的基本結構。 學生解決問題的情況與問題結構的設計緊密相關， 對于一個結構良好問題而言，問題的初始狀態、目標狀態和解決方案都是明確的， 學生解決問題的策略重心會放在利用其結構性知識和具體領域知識尋找解決方案上， 因而適合于學習理解和應用實踐能力的考查。而對于結構不良問題，由于三種問題空間存在一個或多個不明確， 學生解決問題時不僅需要有解決良構問題的知識，還需要更多的認知調節（計劃、監控和評估）及非認知因素（價值觀、情感、情緒）的參與[10]，因而適合于遷移創新能力的考查，如評價類問題、設計類問題等等。

課程標準在素養導向的命題原則中指出， 要根據測試目標設計不同復雜程度和結構合理的測試任務（問題）。 這里的結構合理是指問題結構要與測評目標一致， 而復雜程度主要針對問題情境和解決方案而言，其本質也是問題結構的設計。 因而，要突出問題結構對學科能力的考查，其關鍵在兩個方面：一是問題結構的復雜程度， 包括從問題所呈現的情境信息中獲取已知條件和目標狀態的復雜程度， 以及問題解決方案的復雜程度； 二是問題結構的不良程度，即已知條件、目標狀態及解決方案的缺失程度。具體則要根據待測能力類型和水平層級， 對問題空間進行合理設計。 如已知條件信息怎么給、給多少，問題解決方案是直線式還是彎道式，等等。確保學生完成測評問題時的表現及其背后的思維特征與待測核心素養的學科能力內涵要求相一致。

例2（2020 年全國卷I 第28 題，節選）：

接觸法制硫酸生產中的關鍵工序是SO2的催化氧化，已知：-98kJ·mol-1

（1）當SO2（g）、O2（g）和N2（g）起始的物質的量分數分別為7.5%、10.5%和82%時，在0.5MPa、2.5MPa和5.0MPa 壓強下，SO2平衡轉化率α 隨溫度的變化如圖a 所示。反應在5.0MPa、550℃時的α=_____，判斷的依據是_____。影響α 的因素有_____。

（2）研究表明，SO2催化氧化的反應速率方程為：v=k（α/α'-1）0.8（1-nα'）。式中：k 為反應速率常數，隨溫度t 升高而增大；α 為SO2平衡轉化率，α'為某時刻SO2轉化率，n 為常數。在α'=0.90 時，將一系列溫度下的k、α 值代入上述速率方程，得到v～t 曲線，如圖b 所示。曲線上v 最大值所對應溫度稱為該α'下反應的最適宜溫度tm。t＜tm時，v 逐漸提高；t＞tm后，v 逐漸下降。原因是_______。

圖a

圖b

例2 主要考查了化學反應熱力學和動力學模型的學習理解及應用實踐能力。從問題結構設置看，問題（1）的結構良好，初始狀態清晰（已知可逆反應焓變及平衡轉化率隨壓強、溫度的變化數據），目標狀態明確（指定溫度下的轉化率及判斷依據），解決方案直觀（利用壓強對平衡移動的影響，從圖像中找出相應數據， 進而推斷特定壓強和溫度下的平衡轉化率），能很好地考查學生對化學熱力學模型的學習理解能力。 相比之下，問題（2）則具有明顯的結構不良特征，問題的初始目標籠統（已知的速率方程和變化圖像陌生度和復雜度高，獲取有效信息難），目標狀態不確定（推測在最佳溫度前后，溫度引起反應速率增大和減小的可能原因），解決方案模糊（分析溫度升高平衡轉化率和反應速率的影響， 結合圖像信息判斷速率常數和平衡轉化率雙變量函數關系對速率產生影響時的主要因素和次要因素）。 可以看出，雖然該問題對化學動力學模型的考查主要對應表2 中水平4 的應用實踐要求， 但由于問題的結構不良設計，使得問題解決超越了一般的應用實踐要求，達到遷移創新能力范疇的復雜推理要求。

（三）注重認知情境的真實性與匹配性

作為測評任務（問題）的起點，真實而具體的問題情境既是考查學科核心素養的主要載體， 也是在評價中促進學科核心素養形成和發展的重要途徑。所謂“真實”，就是要求問題背景必須是客觀存在的，非虛構或偽造出來的， 是學生在未來生活或學習中可能遇到的知識應用場景，如生活實踐情境、學術探索情境等。 因而，情境素材即便進行加工改造，也不能脫離客觀事實，如實驗數據、生產工藝等素材。 由于化學是一門與技術、社會、環境密切相關的科學，因此這也是情境“真實性”的主要落腳點——通過化學中的STSE 問題評估學生的化學學科素養。強調情境的真實性，實際上也是對上一輪課改強調STSE 教學的一種深化， 期望通過評價改革促進教學改革的落實，其主要目的是為了避免知識、生活“兩張皮”的脫節現象，突出學科知識的實用價值，培養學生對未來可能遇見的真實問題的分析和解決能力。

恰當的情境能充分反映學生對知識的理解、應用和遷移能力， 為學科能力的合理評估提供重要的參考。對學生而言，由于情境的復雜度和陌生度會直接影響其對測試任務的理解、 知識工具的運用及最終問題的解決。因此，要充分考慮情境復雜度和陌生度與測評目標對應的素養水平及學科能力類型相匹配的問題。在具體操作上，可根據待測素養水平及學科能力的心理操作要求進行合理設計，如低水平、簡單心理操作要求（如學習理解）的測評任務應設計簡單、熟悉的情境，高水平、復雜心理操作要求（如遷移創新）的任務應設計復雜、陌生的情境。

例3（2020 年全國卷II 第26 題，節選）：

化學工業為疫情防控提供了強有力的物質支撐。氯的許多化合物既是重要化工原料，又是高效、廣譜的滅菌消毒劑。回答下列問題：

（1）氯氣是制備系列含氯化合物的主要原料，可采用如圖所示的裝置來制取。裝置中的離子膜只允許____ 離子通過，氯氣逸出口是____ （填標號）

（2）一種有效成分為NaClO2、NaHSO4、NaHCO3的“二氧化氯泡騰片”，能快速溶于水，溢出大量氣泡，得到ClO2溶液。上述生成ClO2的反應屬于歧化反應，每生成1 mol ClO2消耗NaClO2的量為____mol；產生“氣泡”的化學方程式為________________。

（3）“84 消毒液”有效成分為NaClO，不可與酸性清潔劑混用的原因是________________（用離子方程式表示）。

例3 以疫情防控這一貼近生活的情境為背景，在展現化學學科價值的同時， 體現了核心價值的引領作用。 在模型認知能力的考查上，問題（1）考查電化學模型，能力考查對應表2 水平3 學習理解要求，要求學生能根據真實情境分析電化學反應原理和物質轉化。 在問題情境的設置上，與高中教材中的“氯堿工業”高度相似，屬于簡單、熟悉的情境，學生只需理解教材中的相關內容即可做答， 符合學習理解及簡單應用的能力考查要求。 問題（2）和（3）均考查氧化還原反應模型，在問題情境的設置上，問題（2）的“二氧化氯泡騰片” 情境陌生但信息充足且直觀，學生只需結合泡騰片成分和歧化反應兩個信息， 再應用氧化還原規律就能解決問題， 屬于簡單、 陌生情境，符合簡單應用實踐能力考查要求；而問題（3）的情境與高中常見的“84 消毒液與潔廁靈不能混用問題”高度相似，其能力考查屬于對教材知識的簡要辨識和記憶，因而采用了簡單、熟悉的情境設計。

四、結語

學科能力評價從知識認識方式的角度， 對傳統的布盧姆教育目標分類進一步細分和歸類， 為核心素養的評價提供了指向更具體、 層級要求更明確的觀測點。作為一種評價視角，學科能力具有其獨特的價值， 既增進了一線教師對核心素養評價方式的理解，也豐富了核心素養評價實踐的手段。 例如，基于學科能力的核心素養評價理念， 不僅可應用于紙筆測驗，也可用于課堂教學的表現性評價，在實施“教學評一體化”設計中，根據教學內容和所要評價的核心素養類型， 設計對應不同學科能力層次的問題任務，通過現場分析學生對問題的解答情況，判斷其學科能力水平，達到對學生素養水平進行評估的目標。當然， 核心素養的豐富內涵決定了其評價方式復雜而多樣， 一線教師不應局限于某種評價方式或評價模型而進行“標準化”操作，而是應更多地從化學學科核心素養的內涵出發， 思考該評價方式所蘊含的評價理念及其合理性與科學性， 創生更多的評價設計和方案，從不同的角度對核心素養進行考查。