我國高中化學教科書中模型的變化研究

江奇芹 薛亮 董亞男

摘要：結合相關文獻完成了化學模型的概念界定和類別劃分，圍繞模型的類別、模型的表征內容、模型的多重表征、模型演變史四個維度，運用內容分析法對我國2000年至今人民教育出版社出版的三套高中化學教科書必修模塊的模型內容進行分析，獲得高中化學教科書模型編寫的變化趨勢，為化學模型教學提供些許參考和建議。

關鍵詞：高中化學;化學教科書;化學模型;模型教學

文章編號：1008-0546（2021）03-0014-05 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.003

一、問題的提出

模型在科學工作中具有重要意義，Gilbert認為科學模型具有三個功能：可以使物體和抽象概念簡單化;能夠使復雜現象可視化;可以提供對科學現象的解釋和預測[1]。作為科學研究的一個基本工具，近40年來，模型逐漸成為科學教育工作者所熱衷的話題，其在科學教育領域的價值也日益凸顯。美國先后頒布的《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念、核心概念》《下一代科學標準》同時在“跨學科概念”和“科學和工程實踐”兩個維度突出“模型與建模”，并將其選人學生學業成就的評估標準[2]。模型是化學的重要組成部分[3]，化學學科中的很多概念或理論都需要以模型作為知識建構和傳遞的媒介?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017版）》更是將“模型認知”納人化學學科五大核心素養框架，要求學生能通過模型的運用和建構獲得化學問題的解決，以此形成具有化學學科特征的思維方法。

化學教科書是教師課程教學的主要依據，也是學生重要的化學學習資源，教科書中模型編寫與使用的差異直接影響教師的模型觀點[4]，進而影響化學模型教與學的質量。目前國內針對化學教科書中模型的分析研究數量有限，已有的研究包括化學教科書中模型種類、功能和角色的探討[5，6]、國內不同版本化學教科書中的模型對比分析[7，8]、國內外化學教科書中的模型比較[9]，關于不同年限化學教科書中模型的比較研究還未涉及。本研究通過對2000年至今人民教育出版社出版的三套高中化學教科書必修模塊中的化學模型進行分析比較，以期獲得教科書中模型編寫的變化情況，為化學教育工作者盡快適應新教材和開展模型教學提供參考。

二、化學模型及其分類

科學模型是人們按照科學研究的特定目的，在一定的假設條件下，用物質形式或思維形式再現原型客體的某種本質特征，如客體的某種結構、功能、屬性、關系、過程等[10]?；瘜W模型是重要的科學模型，是科學模型在化學領域的具體表現。

化學模型按其呈現水平和形式可分為四類：實物模型、想象模型、符號模型和數學模型[11]。實物模型是按照對象的外形或結構進行放大縮小、抽象、簡化，對原型進行模擬制成實物（如化工生產模型、化學教學實驗）。想象模型是在思想中針對原型的主要矛盾和關鍵特征抽象出來的微觀的模型（如分子結構模型、原子軌道模型）。符號模型是將特定的化學符號按特定的組合方式，揭示原型的組成和變化規律的模型（如元素符號、化學方程式）。此外，化學學科中也通過數學表達式和表示數學關系的圖表和表格解釋復雜的化學現象和規律，即數學模型。以上三類模型分別對應“宏、微、符”三個表征水平（數學模型可視為從符號模型中分離出來的），體現了化學學科的本質特征，以此標準作為研究基礎更能反映化學教科書編寫的特點。

三、研究對象和方法

1.研究對象

人教版高中化學教科書面向我國大部分地區，其更新與發展順應了課程改革的方向。課程由必修和選修內容組成，其中必修課程以培養全體學生的科學素養為主旨。因此本研究以2002年版、2004年版、2019年版的人教版高中化學教科書必修模塊中的化學模型為研究對象，具體包括2002年版的《全日制普通高級中學教科書》第一冊（必修）;2004年版的《普通高中課程標準實驗教科書》必修1、必修2;2019年版的《普通高中教科書》必修第一冊、必修第二冊。

2.研究方法

本文主要采用內容分析法，是一種用于教科書研究的常用方法。內容分析法通過把一些定性資料轉化為定量數據，并對其進行描述、統計分析，由此得出對某一研究對象或研究事實的科學判斷[12]。借助該研究方法，本研究擬從模型的類別、模型的表征內容、模型的多重表征、模型的演變史四個維度完成教科書中模型的數量化統計分析。需要指出，本研究的分析范圍僅限于教科書各單元或各節（即正文部分），緒言、課后習題、復習題及附錄部分不列入統計范圍。

四、我國高中化學教科書中模型分布的數量統計

1.模型類別維度

基于化學模型的分類標準對教科書中模型進行統計?；瘜W模型出現1次則在其所屬類別中記作1個，若同一模型在不同位置出現2次則在其所屬類別中記作2個。此外，在對符號模型進行計數時，對教材中多次出現的起陳述說明作用的化學式、化學方程式、元素符號、離子符號等（如“向盛有2mL Na2S04稀溶液的試管中加入2mL BaCl2稀溶液”）不列入模型統計范圍。具體見表1。

由表1可知，2002年至2019年三套教科書必修模塊中化學模型的總量均達到400+。從模型分類來看，02年版教科書必修部分的實物模型為59個，04版和19版在此基礎上略有增加，分別為64和67個;三套教科書的想象模型數量有明顯的轉折，02年版和19年版分別為34和42個，04年版統計值僅有28;符號模型的數量在三套教科書中分別為322、343、361，呈現均勻緩慢的上升趨勢;而三套教科書中的數學模型無明顯差異。具體到各年限的教科書，02年版中實物模型、想象模型、符號模型、數學模型各自的占比為13.7%、7.9%、74.5%、3.9%;04年版四類模型的占比為14.3%、6.2%、76.4%、3.1%：19年版的百分比依次為13.8%、8.6%、74.3%、3.3%。各套教科書中不同模型的比例存在嚴重傾斜，如符號模型的比重均達7成以上，而數學模型占比僅為3%左右，這也體現了化學學科的特點。

2.模型表征內容維度

原型客體作為模型的表征對象，除了具體的實物，原型還包括觀點、概念、事件、過程和系統等[13]。因此，化學領域的相關問題都可以成為化學模型的表征內容，結合化學學科特點，可將高中化學相關問題歸類概括為物質、結構、變化和STS四個部分[14]，“物質”是指身邊的化學物質，“結構”包括物質的組成和結構，“變化”包含物理變化和化學變化，“STS”是指化學中與生活、社會有緊密聯系的內容?；瘜W模型出現1次則在對應的表征內容記作1個，若同一模型在不同位置出現2次則在所表征的內容中記作2個。具體見表2。

由表2可以看出，02年版至19年版教科書中以“物質”和“變化”為原型內容的化學模型數量遠遠多于其他兩類，而“STS”模塊的化學模型在02年版和04年版中僅為個位數，19年版也才達到13個。具體而言，三套教科書中“物質”模塊的化學模型數量逐漸增多，介于129～160之間，表征“變化”的化學模型在數量上略有起伏，04年版教科書中數量最高，達到194個，19年版教科書中減少至188個;相比于02年版教科書中“結構”部分的12個模型，04年版的模型數量是其3倍，而19年版的模型數量又上升至04年版的2倍之多，達到73個。在“STS”模塊，02年版和04年版教科書模型數量分別為3和6，19年版則增加到13個，高于04年版的2倍。

3.模型多重表征維度

模型不是對原型的復制，而是研究者根據研究目的對原型的部分信息進行的抽象簡化，研究目的或角度不同，針對同一原型建構的模型也有差異。因此，模型與原型并非一一對應關系，同一化學事物可以用不同的模型來表達，即擁有多種表征模型。本研究認為，多重表征模型可以是實物、想象、符號三種水平模型的混和表征，也可以是同一水平下不同模型的混和表征。根據該標準對化學教科書中的多重表征模型進行統計，以多重表征模型所代表的化學知識的數量為計量單位，若出現兩個及以上模型表征的化學知識則記為1處。具體見表3（如同一化學知識同時用實物、想象、符號模型進行表征則記為“實+想+符”，若同時用想象、符號模型進行表征則記為“想+符”，若同時用一類模型的不同形式進行表征：如氮氣的符號模型包括化學式、電子式、結構式，則在“符號”中進行統計）。

由表3可知，02年版、04年版、19年版三套教科書中的多重表征模型知識總數分別為31、50、67。從多重表征模型的所屬水平來看，02年版至19年版教科書中二水平表征模型數量最多，在三套書中的百分比達到83.9%、70%、76.1%;其次是單水平表征模型，其占比依次為19.4%、30%、23.9%;而三水平表征模型數量極為稀少，02年版教科書中僅有1處，04年版和19年版則完全沒有。在二水平表征模型中，三套教科書中均未出現實物模型與想象模型的混和表征，實物模型與符號模型或想象模型與符號模型的混和表征數量則逐漸增多;對單水平表征模型而言，三套教科書中都不存在多種形式的實物模型，多重表征的想象模型也僅有1～2處，符號模型的多重表征較多，且數量逐步上升。

4.模型演變史維度

教科書中呈現的化學模型是當前化學或科學界所達成的共識模型，這類科學模型往往是以眾多歷史模型為基礎逐步發展形成的[15]。化學模型的演變過程記載了化學知識產生和發展的軌跡，標志著人類對于化學本質的探索持續深入?；瘜W教科書中關于模型演變史的呈現主要采用文字、符號、圖像三種形式，進行數量統計時，若關于模型演變史的內容出現1次則在相應的呈現形式中記為1處。具體見表4。

由表4可知，02年版至19年版三套教科書中關于模型演變史的呈現非常稀少，分別有2處、1處、4處。具體來講，02年版教科書中的2處模型演變史內容分別以文字、文字和圖像的形式呈現;04年版教科書以文字和圖像形式共同呈現了1處模型演變過程;19年版教科書包括3處文字描述和1處圖文并茂的模型演變史內容。三套書中均未出現符號形式的模型演變史內容。

五、統計結果分析

1.模型總量逐漸增加，想象模型數量明顯增多

由統計數據可知，2000年至今的三套教科書必修模塊中化學模型的總量逐步增加，19年版的數量已達到487。具體到四類模型，除數學模型數量存在極小差異之外，19年版教科書中其他三類模型數量相對于前兩版均為最高值。由此可見，在教科書的更新與發展中，模型越來越受到編寫者的重視，其在化學教育中的功能也逐步被挖掘。值得注意的是，不管從模型數量還是模型所占百分比而言，三套教科書中“想象模型”分布有明顯變化，相比于02年版，04年版教科書數量減少6個，而19年版數量約為04年版的2倍。想象模型是對原型的微觀表達，而化學學科正是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質和變化規律，以想象模型作為連接研究者與客體的橋梁，能夠實現抽象客體的“可視化”，有助于學生認識化學物質及其變化的本質。教科書中想象模型數量的顯著增長表明了其在化學教學中的價值。

2.不同模塊的化學模型逐步遞增，“結構”和“STS”模塊模型數量顯著增加

除了“變化”模塊中模型數量出現微小轉折之外，三套教科書中各模塊的模型數量均呈現上升趨勢，其中，“物質”模塊模型數量增長趨勢較為緩慢，而“結構”和“STS”部分的模型數量則按倍數增加（需要指出的是，02版與04版教科書中“結構”模塊模型的明顯差距部分來自于“有機物知識”的引入，但04版與19版教科書模型數量的差異與內容無關）。通過模型來表征物質的“結構”（如甲烷、乙烯的球棍模型），學生能夠從微觀上認識化學物質的組成，掌握物質的性質，逐步形成“結構決定性質”這一學科核心思維。以“STS”為內容的模型（如氮循環示意圖、青篙素的合成）能幫助學生從宏觀上認識化學與科技生產、社會生活間的聯系及其所扮演的角色，體會化學學科的應用價值。因此，模型在化學各部分內容的教學中都發揮著重要作用。

3.多重表征模型數量逐漸增加

總體來說，02年至19年版教科書中多重表征模型的數量呈逐步上升的趨勢。除了04年版和19年版教科書中同時采用實物、想象、符號模型的多重表征模型數量減少1處，其它的多重表征模型數量都持續增多。其中，實物模型大多指實驗裝置圖、實驗現象或化工流程圖，限于教材容量，同一化學問題往往只呈現一種實物模型，其通常與符號模型共同表征一個化學過程或問題，有助于學生從理論和實踐兩個層面認識化學。這也解釋了為何三套教科書實物與符號模型的混和表征占比較高，而實物模型與其它模型的混和表征為零的不均衡現象。由統計數據可知，對同一知識進行多重表征對于學生的化學學習具有重要意義，這也與相關研究結果相呼應，即多重表征或類比模型的合理使用不會增加學生的認知負荷，反而可以幫助學生有效地消除特定的另有概念[16]。

4.模型演變史的內容數量呈現上升趨勢

數據統計結果表明，雖然三套教科書中關于模型演變史的描述較為稀少，但有明顯的上升趨勢。02年版教科書中有2處，記錄了元素周期表和原子結構模型的發展史;04年版減少至1處，呈現了苯分子結構演變的過程;19年版教科書中增加至4處，分別對元素周期表、原子結構模型、氧化還原反應概念和苯分子結構模型的發展過程作出描述?；瘜W模型的演變史蘊含豐富的科學價值和人文價值，有助于學生深入地理解化學知識，掌握科學的研究方法，樹立正確的科學態度。三套教科書的對比數據也說明了模型演變史內容對于化學教學的積極作用。

六、關于高中化學模型教學的建議

1.增加對想象模型的運用，以降低抽象概念的難度

化學學科中包含大量的抽象知識，如化學平衡、氧化還原反應、物質的微觀結構等，這些內容也成為學生化學學習的絆腳石。新版教科書增加了想象模型的使用，例如針對“電解質的電離”，書中分別呈現固體NaCl、NaCl溶液和熔融的NaCl在電極中微粒的排列組成及運動狀態，以說明固體NaCl為何不能導電，解釋電解質在水溶液或熔融狀態下導電的根本原因，即產生了自由移動的離子。由此可知，想象模型能從微觀角度實現抽象概念的簡單化和可視化，從而減少學生的認知困難。但從統計結果可知，教科書中想象模型的數量仍然較少，因此教師在教學中要適當補充，例如講解化學平衡、氧化還原反應等概念時，可以借助動畫模擬幫助學生進行理解。

2.加強對多重表征模型的使用，以強化學生的知識理解

科學模型并不是實物的精確復制，而是基于不同理論視角對客體關鍵信息的建構表征[17]。例如“水分子”以電子式表達能夠展現電子（對）分布情況，化學式能更加突出組成分子的原子種類和個數比，比例模型則能夠清晰呈現其空間結構。因此，單一模型往往只能表征對象的局部信息，多個表征模型的使用有助于學生對知識的全面認知。例如以講解苯分子構型時，引入苯的比例模型和更易幫助學生理解苯分子體系內共扼大π鍵的存在。值得注意的是，化學學科跨越了宏微符三個領域，教師在教學中要更加注重實物模型、想象模型和符號模型的混和表征，引導學生認識三者的聯系并能夠在不同表征水平上轉換，獲得對知識本質的理解。

3.注重對模型發展史的介紹，以促進學生對模型方法的掌握

化學模型的演變史說明模型所表征的科學知識并非是準確無誤、永恒不變的。例如在原子結構一節，教科書以道爾頓模型、湯姆孫原子模型、盧瑟福原子模型、波爾原子模型和電子云模型說明人類對原子結構的認知變化。但書中僅僅呈現出模型演變的結果，教師有必要對原子結構模型之間的變遷過程進行補充。以盧瑟福原子模型為例，教師需要重點介紹。粒子散射實驗的過程和現象，同時引導學生思考該實驗現象是如何證明原子結構類似于核式模型而非棗糕模型。以此促進學生對模型的理解：模型并不是知識本身，而是支持人們思考的重要工具;模型的建構和修改必須以事實為基礎。教師應鼓勵學生在學習中積極使用模型方法獲取知識，更要為學生提供自主建構模型的機會，引導學生學會反思和修訂既有模型，培養學生的證據推理和模型認知能力。

4.綜合使用不同版本教科書和教學資料，以優化課堂教學

相較于之前兩個版本，雖然人教版新版教科書必修模塊中化學模型數量有所增加，但模型在內容和呈現上略有差異。如02年版教科書呈現了固體、液體、氣體分子之間距離的比較示意圖以幫助學生對“氣體摩爾體積”概念的理解，而04和19年版教科書必修模塊則刪掉了該模型。在課堂教學中，教師則有必要借助該模型對“為什么1mol任何氣體的體積相等，而固體和液體體積卻存在差異”作出解釋。再比如04年版和19年版教科書僅以想象和符號模型描述了NaCl溶液的導電原因，而02年版教科書還增加了燈泡實驗作為實物模型，這也可以納人實際課堂中。此外，由于教科書知識的基礎性和容量的有限性，僅以書中的模型內容開展教學遠遠不夠。因此，教師需要參考不同版本教科書，包括蘇教版、魯科版，以及其他教學資料，進一步豐富、優化課堂教學。

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*通訊聯系人，E-mail：xueliang@snnu.edu.cn