初中化學中模型的內涵、分類及考查分析

艾璐

摘要：通過查閱文獻資料，闡述了模型的內涵。基于前人對化學學科的模型分類研究，將初中化學內容中的模型分為概念模型、結構模型和過程模型三類，并結合中考試題對每一類模型的考查進行了梳理和分析，便于在初中化學教學中培養學生模型認知的能力，提升學生的模型認知素養。

關鍵詞：初中化學;模型;中考試題

文章編號：1008-0546（2022）07-0007-07中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.07.002

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中多次提及“模型”這一詞語，且把“證據推理和模型認知”認定為五大化學學科核心素養之一。它既適合高中化學，又涵蓋初中化學，原因在于提升學生的模型認知素養，不是一蹴而就的，而是一個漸進式的螺旋式上升的過程。因此，在初中化學學科的教學和評價過程中要進一步加強對模型的認識，梳理模型的內涵、分類和考查評價思路。

一、模型的內涵

趙萍萍、劉恩山[1]梳理了大量關于科學教育的模型定義及功能的研究文獻，對模型給出的定義為：模型是事物的表征。

從表征的事物來看，吉爾伯特（J.K.Gilbert）和博爾特（C.J.Boulter）認為：模型是一種觀點、一個實物、一個事件、一個概念、一個過程或者一個系統的表征[1]。這個定義明確指出了模型所表征的事物，除了具體的實物之外，還可以是觀點、事件、概念、過程和系統。以初中化學課程為例，模型可以表征抽象的觀點，如原子核與電子之間的相互吸引力等;模型可以表征具體的實物，如高爐、石油分餾塔等;模型可以表征一個事件，如用α粒子轟擊金箔等;模型可以表征一個概念，如溶解度、反應類型等;模型可以表征一個過程，如金屬鐵與稀鹽酸反應生成氫氣的過程等;模型可以表征一個系統，如自然界中的氧循環或碳循環系統等。

從表征的功能來看，吉爾伯特認為模型作為科學理論與現實世界之間的橋梁，具有以下三個功能：可以使抽象的事物具體化、可視化;可以將復雜的現象或事物簡單化;可以為科學的解釋和預測提供依據[1]。施瓦爾茨（C.V.Schwarz）認為模型有兩大類的功能，一是用來描述、解釋、預測現象;二是用于人們之間溝通觀點，幫助人們產生新的觀點[1]。基于以上兩種觀點，可以看出模型在科學研究中的功能主要聚焦在兩個方面：一是可以使所表征的事物具體化、可視化和簡單化，可以對事物進行描述、解釋和預測;二是有助于人們溝通彼此的觀點，幫助人們進行推理、問題解決，形成新的觀點。化學是從分子、原子等微觀層面去研究物質的組成、結構、性質、應用及其變化規律的科學。微觀粒子不可直接觀察，物質性質及其變化規律十分抽象、復雜，利用模型，可以使微觀粒子可視化，抽象事物具體化，復雜問題簡單化，有利于人們對事物進行描述、解釋和預測，深化對事物的理解。同時，在理解的基礎上，不斷進行分析和推理，形成新的觀點。如化學史中人類對原子結構的認識歷程就是利用模型不斷對原子結構進行描述、解釋、預測和推理的過程。

從表征的方式來看，邱美虹認為模型用以表征現象、概念、過程、事件或是物件等，它可以不同的表征方式來呈現（如圖像、文字等多元方式），以達到不同的功能與目的（如解釋性、描述性等）[2]。博爾特和巴克利（B.C.Buckley）認為模型表征的方式包括實物方式、語言方式（被聽到的和被讀到的）、視覺方式、數學方式、動作方式，以及以某一方式為主體融合其他方式的混合方式[1]。化學的研究對象是物質及其變化，與物質及其變化有關的許多觀點、實物、事件、概念、過程和系統，常具有抽象性和復雜性的特點。為了使觀點、實物、事件、概念、過程和系統更加具體化、簡單化，在對其進行描述、解釋、預測、分析和推理時，常用圖形、符號、文字、圖像、圖線、數軸、數學表達式、坐標系、表格等方式來表征。而在初中化學教學中，以某一方式為主體融合其他方式的混合方式，也是使用較多的一種表征方式。

例1（2018年常州中考題） 利用鐵炭混合物（鐵屑和活性炭的混合物）處理含有 Cu（NO3）2、Pb（NO3）2和Zn（NO3）2的銅冶煉廢水。在相同條件下，測量總質量相同、鐵的質量分數不同的鐵炭混合物對水中重金屬離子的去除率，實驗結果如圖1所示。

圖1是以坐標系為主體融合文字、符號、圖線的混合表征方式。坐標系的橫、縱坐標分別為鐵炭混合物中鐵的質量分數、重金屬離子去除率;符號是 Cu2+、 Pb2+、Zn2+;圖線有虛線、實線。

從表征的屬性來看，博爾特和巴克利認為模型可以是定性或定量的，且定性又可分為靜態和動態，定量也可分為靜態和動態[1]。定性與定量結合，是化學學科的重要思想方法。定性模型，側重于解決“質”的問題，常用符號、文字等方式來表征;定量模型，側重于解決“量”的問題，常用圖線、數字等方式來表征。初中化學教學中，以圖像、符號、文字、圖形等方式表征的模型屬于靜態模型，如物質制備的裝置示意圖等。動態模型主要是人們自身或利用計算機軟件對事物進行的動態表征，如用ChemLab軟件制作的仿真模擬化學實驗裝置等。

綜上所述，對于“什么是模型”這一問題，從模型表征的事物、方式、屬性和功能四個維度整體分析后可得出如圖2所示的模型內涵。

二、模型的分類

在高中化學教育領域，不同學者或教師從不同的角度基于自己的研究成果或教學實踐對模型進行了分類。李鵬鴿[3]等基于表現形式把模型分為實物模型、符號模型和思維模型吳克勇;、蔡子華[4]按照模型代表和反映原型的方式，把模型分為物質模型和思想模型。物質模型包括天然物質模型和人工物質模型;思想模型包括想象模型、符號模型和數學模型。陸軍[5]認為模型包括實物模型和非實物的形式模型兩類，形式模型又包括數學模型、圖像模型和語義模型等情況。單旭峰[6]結合理論模型、實物模型和思維模型的分類方法，將中學化學學科的認知模型從內容和形式上分為概念模型、結構模型、過程模型、數學模型和復雜模型。以上對模型的分類，可以給初中化學教學提供參考和幫助，但不能機械套用。如初中化學課程未涉及到較復雜的物質模型和理論模型，且學生從分子、原子等微觀層面去理解物質的組成、結構、性質、應用及其物質變化規律的認識還處于起步階段，故初中化學教學中很少會涉及數學模型和復雜模型。基于前人的研究成果，根據模型的內涵及初中化學課程的特點，結合理論模型、實物模型和思維模型的分類方法，筆者認為初中化學學科的認知模型從表征內容和表征方式上可以分為以下三類。

1.概念模型

概念模型屬于理論模型，常用文字或符號等方式來表征。其具體內涵是將化學現象或化學經驗事實抽象歸納，揭示化學學科本質特征的理性知識。例如元素符號、化學式、化學方程式、反應類型、物質分類、溶解度等都屬于這類理性知識。

2.結構模型

結構模型屬于實物模型，是按實物比例進行放大或縮小的模型，主要關注的是實物的外部特征和內部結構，常用圖形方式來表征。其具體內涵是將抽象的物質結構和復雜的裝置結構以簡化的方式呈現出來，便于解釋事物內部結構的關系、功能及運作機制等。結構模型主要包括物質結構模型和裝置結構模型。例如原子結構示意圖屬于物質結構模型，高爐屬于裝置結構模型。

3.過程模型

過程模型屬于理論模型和思維模型的結合體，常用圖像或圖形等方式來表征。其具體內涵是用圖形或圖像方式表示反應過程中的微粒組合，表示反應或生產過程中某個物理量的變化過程，表示反應或生產過程中含有某元素的物質之間的轉化過程。過程模型主要包括變化過程微觀模型、變化過程量化模型和物質轉化過程模型。

三、對模型的考查分析

一般而言，對模型的考查要求有三個層次水平：模型理解、模型應用、模型建構[3]。模型理解是最低水平，處于認知模型的淺層次階段;模型建構是最高水平，學生需要有較強的建模能力。綜合考慮初中階段學生的模型意識還不強、初中化學課程內容具有啟蒙性和基礎性特點等因素，在中考中，對模型的考查評價主要體現在模型理解基礎上的模型應用，要求學生能夠在理解相關化學知識和方法的基礎上，利用自己已經掌握或者試題中提供的模型解釋化學現象、發現變化規律、揭示反應本質和預測反應事實等。

1.對概念模型的考查分析

“形成一些最基本的化學概念”是初中化學課程知識目標的主要內容。目前，中考試題對概念的考查逐步淡化了概念的簡單記憶和重現，更多注重概念的理解和運用。這主要體現在四個方面：

其一，突出不同概念的比較，尋找不同概念的異同，考查學生對概念內涵和外延的理解情況。如例2中要求學生在對四組化學概念進行比較的基礎上，建立起每組概念的包含或不包含模型。

例2（2019年無錫中考題） 表1 中有關X、Y表示的概念之間存在如圖3所示的“包含”關系的是（）

其二，將概念植入真實、鮮活的生產生活情境中，考查學生在理解概念的基礎上運用概念進行分析和推理以實現問題解決的能力。如例3中要求學生基于單質和氧化物的概念并根據反應前后原子數目不變的原理去分析和推理發生的化學反應。

例3（2019年南京中考題） 我國的鉬礦儲量非常豐富，用輝鉬礦（AMS）制備鉬的過程如圖4所示，其中過程Ⅱ分兩個階段（見圖5）。

其三，將化學概念與元素及其化合物知識有機融合在一起，一方面考查學生理解和運用概念的能力，另一方面考查學生對元素及其化合物知識是否形成網絡化和系統化的理解。如圖6（2019年雅安中考題）就要求學生從化合價和物質類別兩個維度去認識 Fe 元素及其化合物性質。

其四，設置一些教材中未涉及的陌生概念的定義，考查學生在已學概念基礎上對陌生概念的理解和應用情況。如中考試題提供氧化還原反應的概念，讓學生判定初中階段的四大反應類型是否屬于氧化還原反應;根據氧化物的概念，判定哪些物質屬于氯化物或硫化物;提供物質產率、含氧物質產氧率、物質分解率、反應轉化率等新概念，讓學生利用新概念來描述、解釋物質的化學變化及規律。如例4中引入δ（分布分數）的陌生概念，讓學生在理解概念的基礎上分析CO 的分布分數先增后降的原因。

例4（2019年蘇州中考題） 當溫度、壓強分別超過臨界溫度（374.2℃）和臨界壓強（22.1 MPa）時的水稱為超臨界水。現代研究表明：超臨界水能夠與氧氣以任意比例互溶，由此發展了超臨界水氧化技術。550℃時，測得乙醇（C2H6O）的超臨界水氧化結果如圖7所示。

注：δ（分布分數）表示某物質分子數占所有含碳物質分子總數的比例。問：CO 的分布分數先增后降的原因是。

2.對結構模型的考查分析

（1）物質結構模型

從微觀角度分析宏觀現象及物質性質是化學學科的重要方法。為了使抽象的微觀粒子可視化、具體化，常常需要建立微粒的認知模型。初中階段，物質結構模型主要分為原子結構模型和分子結構模型。

①原子結構模型

初中階段，原子結構模型常以微粒結構示意圖為主，考查學生是否能根據原子結構示意圖確定出元素在元素周期表中的具體位置;是否會利用比較質子數（或核電荷數、原子序數）和電子數的大小去判斷結構示意圖是屬于原子還是離子;是否能認識到元素種類與質子數之間、元素原子的化學性質與最外層電子數之間的聯系等。這類試題難度雖不大，卻是幫助學生建立微粒觀和元素觀的非常重要的內容之一。

②分子結構模型

分子結構模型常用圖形描述，學生通過分析分子結構模型，要能認識到不同物質的性質或用途有何異同，要能判定出構成分子的原子種類，要能寫出物質的分子式等。如例5中要求學生通過尋找不同分子結構中的“過氧基”來確定不同物質具有相同的用途。

例5（2003年常州中考題） 過氧化氫是一種常用的殺菌消毒劑，其原因是過氧化氫分子中含有一種叫作“過氧基”（圖8 中①的虛線框標出的部分）的結構。據此推測下列②～④的物質中，可用作殺菌消毒劑的是。（填序號）

（2）裝置結構模型

化學是一門以實驗為基礎的科學，初中生應認識常見的實驗儀器，學習基本的實驗技能，掌握基礎的化學實驗，同時要了解工業生產中一些特定的工業設備。從化學學科知識內容上看，裝置結構模型分為實驗儀器結構模型和工業設備結構模型。

①實驗儀器結構模型

實驗儀器結構模型就是根據實驗儀器的外形和結構特征，按比例放大或縮小的模型。其考查的要求為：其一，學生要能在認識實驗儀器裝置的基本結構和功能的基礎上，熟悉“課程標準”規定的七項基本實驗技能，掌握“課程標準”規定的八個基礎化學實驗[7];其二，圍繞某一實驗目的，學生能準確分析出較復雜的組合實驗裝置中各種實驗儀器內的物質的作用和功能，明晰每一步實驗操作背后的原因;其三，為了達到某一實驗目的，學生能合理選用實驗儀器，并能利用其組裝成一套實驗裝置安全進行實驗。隨著“課程標準”的深入實施，中考試題淡化了孤立、純粹地對實驗儀器、實驗技能和基礎化學實驗進行單一考查，更多注重將實驗儀器、實驗技能和基礎化學實驗融合在一起進行綜合考查，體現試題的開放性、實踐性和探究性。這主要體現在兩個方面：

第一，突出實驗裝置的多功能性。如圖9（2007年常州中考題）中的實驗儀器結構模型既可用于制取氣體，又可用于驗證物質性質。

第二，突出實驗儀器的組合應用。如圖10（2019年荊門中考題）中把具有制取、除雜等不同功能的實驗儀器組合在一起用于探究 CO2氣體與金屬 Mg 的反應。

②工業設備結構模型

工業設備結構模型就是根據工業設備的外形和結構特征，按比例放大或縮小的模型。初中階段，工業設備主要以煉鐵設備、石油分餾塔為主。有時，試題會通過呈現學生比較陌生的工業設備的關鍵信息，提供簡化結構圖，讓學生根據設備結構和反應原理分析實際工業生產過程。如圖11（2018年常州中考題）表示的是豎爐煉鐵的設備結構模型。

3.對過程模型的考查分析

（1）變化過程微觀模型

變化過程微觀模型常用變化前后的微觀示意圖描述。該模型所包含的知識內容有：物理變化前后分子種類不變，分子空隙改變。化學反應的本質就是原子間的重新組合，反應前后原子種類和數目不變，原子是化學變化中的最小微粒。復分解反應的本質就是離子之間結合生成水或沉淀或氣體等。其考查的要求是學生在理解模型所包含的內容基礎上，解釋相關化學現象，了解化學變化的本質特征，揭示化學變化的內在規律。如圖12（2019年雅安中考題）表示的是使用特殊的催化劑讓CO2和H2轉化為A或B等有機物的微觀示意圖。

（2）變化過程量化模型

變化過程量化模型是指在變化過程中某兩個物理量之間的關系變化圖表。該模型常用二維坐標圖或表格來描述。從定性和定量的認識維度看，變化過程量化模型可分為定性量化模型和定量量化模型。

①定性量化模型

該模型中的物理量之間不存在數學關系，不能列

出具體的數學表達式來闡述物理量的變化趨勢。利用該模型可以進行定性分析。如例6中的“壓強—時間”曲線圖和“溫度—時間”曲線圖都屬于定性量化模型。

例6（2019年新疆中考題） 小明將未打磨的鋁片和稀鹽酸放入密閉容器中，用傳感器探究反應過程中溫度和壓強的變化，如圖13所示。

②定量量化模型

該模型中的物理量之間存在數學關系，可以列出具體的數學表達式來闡述物理量的變化趨勢。利用該模型可以進行定量計算。如圖14（2011年常州中考題）表示一定體積的氣體 X 和不同體積的氧氣反應（若反應生成水，水為液態），橫坐標表示通入的氧氣體積，縱坐標表示反應后氣體的總體積（反應前后的溫度與壓強相同，同溫同壓下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數）。

（3）物質轉化過程模型

奧蘇貝爾的學習理論認為，采用建模思想，將化學問題中次要的、非本質的信息舍去，可使本質的知識變得更為清晰，更容易納入學習者已有的知識框架中，使教師在教學時，正向遷移變得更容易[8 ]。物質轉化過程模型就是將復雜的化工生產過程以簡明的“工藝流程圖”形式呈現出來的一種模型。一個規范的“工藝流程圖”主要由四部分內容構成：

①生產時所使用的物質，如原材料、加入的試劑等。

②生產時所采用的操作，如分離、提純、除雜等。

③生產時的反應及操作順序，常用箭頭表示先后順序。

④反應及操作的條件，如調節pH、溫度、壓強、電解、煅燒等。

由于不同的化學工業生產過程中所包含的化學知識也不同，所以結合實際的生產情況，試題可能會讓學生分析：

①“工藝流程圖”中加入的試劑是什么？有什么作用？哪些試劑可以循環使用？

②采用的操作名稱是什么？這樣操作的目的或依據是什么？

③生產時發生的化學反應是什么？反應后得到的溶液或固體中含有什么物質？

④反應及操作需要什么條件？選擇此條件的原因是什么？……

解此類題時，學生要建立“兩個明確”的思維模式：明確反應機理→明確物質走向，具體內容見圖15。

以“工藝流程圖”形式呈現的物質轉化過程模型，具有較強的綜合性，有利于考查學生綜合分析問題和解決問題的能力，是中考試題中備受青睞的一種考查方式。如圖16（2019年廣州中考題）表示利用富釔稀土（含Y2O3約70%，含Fe2O3、CuO、SiO2等約30%）生產大顆粒氧化釔的一種工藝流程圖。

另外，為了突出化學學習的趣味性，在考查物質轉化的知識時可以引入游戲，制定游戲規則，讓學生在理解相應游戲規則的基礎上深化對物質轉化的認識。如下棋游戲中的“吃子”和“連吃”規則、撲克游戲中的“對出”“單補”和“串出”規則、領取獎杯游戲中的“上階梯”規則、積木游戲中的“搭建”規則、走出“化學村”游戲中的“尋路”規則等。如例7中通過制定車廂的相鄰規則和“旅客”上車規則來考查物質的反應及轉化。

例7（2019年江西中考題） “復興號”化學動車組五節車廂A-E分別代表初中化學教材中五種常見物質，如圖17所示，“→”表示相鄰車廂的物質間轉化關系（所涉及反應均為初中常見的化學反應）。其中 A 是用于醫療急救的氣體;B 是黑色固體;D、E 是顯堿性的不同類別的物質，且 D 廣泛用于玻璃和洗滌劑生產。

四、結束語

“課程標準”單獨設立“科學探究”主題，并明確提出了發展學生科學探究能力的內容和要求，這說明科學探究是初中化學課程的重要內容之一。科學探究可以幫助學生了解科學研究過程并將科學知識運用到實際生活情境中，而模型正是科學探究的重要成果之一。因此，從對模型的考查形式角度分析，在考查時，試題還可以采用“將模型滲透于科學探究的具體步驟中”這一思路進行設計。學生解答此類試題的過程，既是學生利用模型理解化學現象本質的過程，也是發展學生科學探究能力的過程。

另外，從對模型的考查要求角度分析，由于“課程標準”中的不同化學知識主題對學生提出的能力要求不同，所以，在考查時，針對不同的化學內容要選擇合適的模型，確立不同模型的考查原則。對于概念模型，主要定位在理解階段，要讓學生在準確理解概念的基礎上，利用概念分析和解決化學問題。對于結構模型，主要定位在理解和應用階段，讓學生應用物質結構模型形成“結構決定性質”的認識，讓學生以裝置結構模型為載體去應用物質及其變化中的化學知識。對于過程模型，也主要定位在理解和應用階段，利用微觀模型考查學生對化學變化本質特征和內在規律的理解，利用量化模型考查學生定性和定量認識化學變化的能力，利用物質轉化模型讓學生初步形成“一定條件下物質可以轉化”的觀點。

參考文獻

[1] 趙萍萍，劉恩山.科學教育中模型定義及其分類研究述評[J]. 教育學報，2015，11（1）：46-53.

[2] 邱美虹，劉俊庚.從科學學習的觀點探討模型與建模能力[J]. 科學教育月刊，2008（314）：2-20.

[3] 李鵬鴿，等.模型認知素養及其在化學概念教學中的落實[J]. 教學與管理，2018（2）：64-66.

[4] 吳克勇，蔡子華.模型認知釋讀[J]. 中學化學教學參考，2017（9）：11-14.

[5] 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.

[6] 單旭峰.對“模型認知”學科核心素養的認識與思考[J].化學教學，2019（3）：8-12.

[7] 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2011年版）[S]. 北京：北京師范大學出版社，2012.

[8] 許美蓮.基于模型認知的高三化學復習[J]. 化學教學，2019（2）：75-79.