學科核心素養視域下化學模型的再認識

劉存芳　郭豫梅　吳睿　劉民利　張強　田光輝

［摘 要］“模型認知”是重要的化學學科核心素養，也是化學學習的思維方式，更是培養學生科學思維能力的工具。課程標準對模型認知的高度關注與模型使用率偏低的不平衡影響“模型認知”素養的落實。剖析模型認知與科學教育的關系，厘清對模型本體的認知，探究化學模型的概念、類型、功能、建構方法等，有助于強化學生對模型的認知和發揮模型在教學中的作用。

［關鍵詞］學科核心素養；模型認知；化學模型

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）08-0067-04

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中根據化學學科核心素養對高中學生發展的具體要求，提出高中化學的課程目標，反映出化學學科育人的基本要求，并確定化學學科核心素養包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”［1］。化學學科核心素養關系著化學學科的理念、思想、觀念和價值取向。許多教師對化學微粒觀、變化觀、平衡觀等思想觀念以及科學探究、證據推理等方法已通達諳練，對創新意識、科學態度、社會責任等的培養目標也能落實，唯獨對模型認知還停留在表面，沒能對其內涵有更精準的把握。全面理解模型認知是教師開展建模實踐和模型教學的基石，是發展學生核心素養的保障。《普通高中化學課程標準（實驗稿）》中“模型”一詞出現了9次，2017年版出現了84次，2020年修訂版也出現了84次，體現了課程標準對模型的高度關注。為了能更好地開展模型教學，本文對模型認知及化學模型進行深入剖析。

一、模型認知與科學教育

（一）模型認知在科學教育中的必要性

科學哲學觀認為，模型在人們對自然世界的科學理解方面發揮著關鍵作用，并以各種方式支持著科學教育。因此，有必要了解科學和科學教育中的模型的特點。哲學家亨佩爾在闡述模型在科學解釋中的重要性時，指出在經驗科學中提供的解釋性解釋有時是用待解釋現象的“模型”來表述的。人們已意識到在學校里以模型為基礎的教學和科學的學習方法的重要性，且已有定性證據表明：基于模型的教學方法在不同學科領域和年級水平上對科學學習產生良性影響。在科學課堂上，教師用模型演示事物是如何運作的，并解釋復雜的科學知識，讓學生參與模型的探索、表達、建構、應用、修改等多樣化的建模活動，可使學生對模型本質的理解、對建模過程的參與和在科學學習方面取得的成績成正相關。有關模型的哲學立場和實踐證明，教師應大力開展以模型為基礎的教學，而清晰的模型框架和建模是關鍵。

（二）不同學科課程標準對模型認知的要求

模型與建模研究已成為國際科學教育的重要課題之一，許多國家的科學教育標準均強調模型與建模的作用并將其納入學業要求中。我國最新頒布的高中課程標準把科學建模列為物理、化學、生物等多個學科核心素養中科學思維的關鍵要素［2］。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出：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［3］。《普通高中數學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出：數學模型搭建了數學與外部世界聯系的橋梁，是數學應用的重要形式。數學建模是應用數學解決實際問題的基本手段，也是推動數學發展的動力。學生應學會用數學模型解決實際問題，積累數學實踐的經驗［4］。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》提出：能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題［5］。可見，我國最新頒布的高中課程標準以模型與建模作為發展學生學科核心素養的重要途徑與方法，如何在教學中聯系實際問題運用模型與建模來培養學生的理性思維、提高學生的問題解決能力、發展學生的學科核心素養是教育教學研究的熱點，其前提是對模型與建模的充分認知。

二、模型本體

（一）不同學者對模型的認知

模型是科學實踐的重要元素，不同的學者對模型有著不同的認知。吉爾伯特（Gilbert）等人認為模型是一個由物體或符號組成的系統，代表著另一個系統的某些方面；溫斯特（Windschitl）等人認為模型是世界某些方面如何運作的表征；施瓦茨（Schwarz）等人將科學模型定義為體現部分科學理論的表征；德瑞爾（Driel）等人認為科學模型是所研究的目標事物的一種呈現方式。《美國國家科學教育標準》提出：模型是與真實物體、單一事件或一類事物對應的而且具有解釋力的試探性體系或結構［6］。不同學者從不同的認知視角對模型提出了不同的定義，它們的共同之處是：模型是對其他事物的表示。

（二）模型的內涵和屬性

模型所代表的東西種類繁雜、內涵豐富，包括可觀察的或不可觀察的物體和現象以及它們的屬性和狀態、自然過程、事件的順序和世界如何運作的想法等。有學者認為，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，諸如關于客體的某種結構（整體的或部分的）、功能、屬性、關系、過程等，包括物質形式的科學模型和思維形式的科學模型（也稱思想模型）［7］。依據該觀點，模型可分為兩類：一類是對物體的外部形態或結構進行展示的物質形式的科學模型，即物質模型，這類模型乍一看是某些對象的簡化或擴大版，如航天飛機模型、火山石膏模型、乙烯分子結構模型以及人體器官模型等。另一類是思維模型，是對研究對象、現象、過程、思想或它們的系統等進行分析推理、概括抽象，并用新穎的方式來表達的抽象概念和理論實體。如牛頓的萬有引力定律，可看作是經過觀察、實驗、抽象、梳理、表達建構起來的理論模型；理想氣體狀態方程，可看作是理想氣體狀態參數p、V、T與n之間關系的一種數學模型；化學平衡移動原理，可看作是一個定性解釋、說明或預測化學平衡點的理論模型，其高度抽象概括了外界條件改變時的化學平衡移動規律。這些理論模型、數學模型均屬于思維模型。此外，根據表現形式的不同，模型還可以分為語言模型、符號模型、圖表模型、數學模型等。

（三）模型的外延

從認識論角度看，模型是對所研究的對象、現象、過程、思想、系統的表示，表示的目標對象可以是各種實體，也可以是研究對象、現象、過程、思想、系統。從方法論角度看，模型是一種方法，是揭示事物本質特征和相互關系的一種認知表示，是認識真實世界的一種手段，也是培養學生科學思維能力的有力工具。總而言之，模型是研究者通過對所研究的對象的觀察與實驗，發現事實與提取信息，經過思考、聯想、分析、概括、抽象建立起的對事物去冗返簡、精準反映事物本質的表示。

三、化學模型

新課標強調模型認知與模型方法的應用。化學教師只有全面審視、認知、剖析、掌握和應用化學模型，才能更好地發揮其作用。

（一）化學模型的概念

化學模型是揭示物質的組成及其化學變化的本質特征和相互關系的一種認知、一種表示、一種表征，是認識化學物質及其世界的一種方法，是培養學生化學思維能力的有力工具。如原子結構示意圖就是一種簡潔明了的反映原子結構的化學模型。“原子是化學變化中的最小粒子”就是通過多個實驗事實、多次分析推理以及剔除弱相關，概括、抽象、總結出化學變化中原子的本質特征的原子概念模型。電子躍遷、碳原子sp3雜化、C60結構，以及質量守恒定律、化學平衡移動原理等都屬于歷經無數次的實驗，通過分析、推理、概括、抽象等建立起來的化學模型。

（二）化學模型的類型

1.物質模型與思維模型

根據模型的表現形態來分類，化學模型可分為物質模型與思維模型。把反映物質外部形態或結構的模型歸為物質模型，如根據時間軸發展建立的系列原子結構模型：道爾頓原子實心球模型、湯姆孫葡萄干面包模型、盧瑟福原子行星模型、玻爾量子化原子模型、現代電子云模型等；分子結構模型中的球棍模型和比例模型；晶體結構模型中的原子晶體模型、離子晶體模型、分子晶體模型、金屬晶體模型，以及把化學能轉化為電能的原電池模型、硫酸制備吸收塔模型、石油分餾塔模型等。把經過觀察、實驗、聯想、分析、抽象、概括等思維過程建立起來的模型歸為思維模型，如各種化學概念、規律與理論。概念類有化學變化、物理變化、氧化還原反應、置換反應、復分解反應、化學反應速率、化學平衡、水解反應、化學鍵、離子鍵、共價鍵等；規律與理論類有質量守恒定律、金屬活動性順序、酸（堿、鹽）的通性、阿伏加德羅定律、元素周期律、有效碰撞原理、化學平衡移動原理等。

2.語言模型、符號模型、結構模型、圖表模型和數學模型

根據模型的表征方式來分類，化學模型還可分為語言模型、符號模型、結構模型、圖表模型和數學模型。語言模型是指用語言形式表征的模型，如化學變化、物理變化、氧化還原反應等概念模型，質量守恒定律、元素周期律、化學平衡移動原理等理論模型，酸（堿、鹽）的通性等規律模型。符號模型即用符號表示的模型，如化學式、分子式、化學方程式、電離方程式、離子反應方程式、電極反應方程式等。結構模型是反映事物的外部形態與結構的模型，如原子結構模型、分子結構模型和反映物質結構的各類晶體結構模型。圖表模型即用圖表形式表征的模型，如溶解度表、金屬活動性順序表、元素周期表等，還有溫度、壓強、體積等外界因素對化學反應速率的影響的T（p、V）-ν圖，涉及化學相關知識的思維導圖、概念圖等。數學模型是指對實際問題進行分析與高度抽象后建立的數學表達式，如[m溶質=m溶液×a%]、[n=m/M=V/Vm=N/NA]等。

3.概念模型、理論模型、結構模型和方法模型

根據模型的研究內容來分類，化學模型可分為概念模型、理論模型、結構模型、方法模型等。概念模型、理論模型、結構模型前面均有論述，此處不再贅述。方法模型是指化學教與學的過程中，教師與學生研究化學問題時針對某類型問題經過反復實踐高度抽象概括出的解決方案或方法。在教學方法上，教師會針對不同的學生群體、不同的教學內容研究出不同的教學模式；在學習方法上，學生會通過反復實踐反思提煉出一類問題的解決方法，如多題一解的“一解”就是一類問題的解決模型。這些由教師或學生建立起來的方法體系，均屬于方法模型。例如“元素單質及化合物性質”教學中倡導運用實驗探究式教學，該教學模式包括創設情境、提出并明確問題、提出猜想與假設、設計實驗方案、進行實驗研究、記錄數據、分析討論、得出結論或建立認知模型等要素。

（三）化學模型的功能

化學模型是將復雜的物質現象、過程進行高度抽象概括與簡化，使原本無序、雜亂的化學相關事物有序化和系統化。遇到新事物時可用已有認知模型去評估，找出相應的模型類別，再對新事物進行描述、預測或解釋說明。如學生初次接觸氯氣時會產生疑問：氯氣是什么樣的物質，有怎樣的化學性質，有何用途，日常生活中常見嗎？教師可先引領學生運用化學方法模型認識新物質的性質，即先根據“結構決定性質”分析氯氣的結構特點，預測其可能性質；再觀察、書寫、描述氯原子的結構模型，并根據原子最外層電子數“少易失，多易得”的理論模型，預測氯氣是一種活潑非金屬；最后借鑒氧化還原反應理論模型以及依據氯原子易得電子，預測氯氣有強氧化性。可見，有了模型就有據可依，解決問題就有了方向和策略，充分體現了化學模型的功能。

（四）化學模型的建構

對于不同的模型、教學內容，不同的學生以及不同的地域，教師在教學時應因人而異，因地制宜，選擇適宜的模型建構方法。下面以“乙醇分子結構模型的建構”為例展示三種教學方法，即講授演示教學法、模型探究教學法和類比探究教學法，具體如表1所示。

三種教學方法各有千秋。運用講授演示教學法時，教師直接給出乙醇分子結構模型，讓學生簡單觀察、識記，屬于傳統的“講—聽—記”教學范式。運用模型探究教學法時，教師并不直接給出乙醇分子結構模型，而是提示學生運用已有認知模型思考、討論與交流，搭建乙醇可能的分子結構模型，進而設計實驗方案，開展實驗探究，最后經過計算、分析、推理來確定乙醇的分子結構。整個教學過程中，教師引導學生體驗多種學習活動，自主建構模型，體現了自主、合作、探究等以學生為主體的學習方式，注重學生證據推理、模型認知、科學探究、創新意識、宏觀辨識、微觀探析、科學態度等化學學科核心素養的培養。運用類比探究教學法時，教師根據教學內容之間的相似性或同類性，引導學生類比探究，遷移應用已有的認知模型，化陌生抽象為熟悉具體，激發學習的主動性。這三種教學方法各有優點，但模型探究教學法更能體現學生的主體地位，更注重學生化學學科核心素養的培養。化學模型建構是一門藝術，充滿了創造性，只要是有利于學生知識技能獲得、學習活動過程體驗、情感態度價值觀形成、核心素養發展的，均可靈活選用。

（五）模型認知的作用

模型既是化學學科的重要知識內容，也是培養學生化學思維能力的重要工具。“模型認知”是化學學科的重要素養，是一種運用模型方法研究和學習化學的重要思維方法，是學科核心素養的思維特征。模型認知的重心是“認知”，即借用“模型”這一方式方法認知化學學科相關內容。“模型認知”是在已有認知模型的基礎上經過感知、記憶、思考、判斷、推理等邏輯思維活動形成對化學物質及現象的新認知，并用語言、圖表、結構或數學方法抽象概括描述出來形成對化學物質及現象的新認知模型的過程。新的認知模型可再用于溝通、預測、解釋、說明新的物質及現象，進而建構更新的認知模型。在“模型認知”思維模式下學習，學生的化學學科素養會隨著其知識水平的提高螺旋式遞增。

四、結束語

發展學生學科核心素養，落實立德樹人，是我國教育的基本任務，作為自然科學之一的化學學科是主要陣地。化學教學應圍繞發展學生化學學科核心素養展開，其中包括對認知模型的建構、演繹和實踐，進而落實“模型認知”素養，更好地發揮模型認知在教學中的作用。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］［3］? 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社， 2020.

［2］? 張靜，郭玉英.從模型進階到思維發展：物理建模教學設計與實踐［J］.課程·教材·教法，2020（2）：113-118.

［4］? 中華人民共和國教育部.普通高中數學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［5］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［6］? （美）國家研究理事會.美國國家科學教育標準［M］.載守志，金慶和，梁靜敏，譯.北京：科學技術文獻出版社，1999.

［7］? 孫小禮，韓增祿，傅杰青.科學方法：上冊［M］.北京：知識出版社，1990.

（責任編輯 羅 艷）