對化學教學中“模型認知”的認識與思考*

劉 媛，張紅鴿，尚永輝，韓銀鳳**

(1.寶雞文理學院，化學化工學院，陜西 寶雞 721013；2.咸陽師范學院，化學與化工學院，陜西 咸陽 712000)

在新課程改革的引領下，依據(jù)時代發(fā)展需求、國家戰(zhàn)略要求以及個人發(fā)展需求，教育部于2018年發(fā)布了《普通高中化學課程標準(2017年版)》(以下簡稱《課標》)。本次《課標》修訂的重要突破點之一在于提出和構建了化學學科核心素養(yǎng)體系，其決定著教學目標、學習目標、教育考試評價目標，體現(xiàn)了教育改革的理念及價值取向。化學學科核心素養(yǎng)共包含5個方面，其中，“證據(jù)推理與模型認知”是化學核心素養(yǎng)的思維核心之一，同時也是廣大教師感到困惑的難點。因為在此之前，國內(nèi)眾多科學教育研究者和教師對模型的了解主要停留在實物層面，對模型分類的認識主要聚焦在物理模型、數(shù)學模型和概念模型這三類上，對每一類的界定并不十分清晰一致[1]，導致有很多中學教師對模型的認識停留于表層含義，不清楚模型的本質(zhì)，對模型分類混亂，缺乏對模型的價值認識，因此難以真正實現(xiàn)以素養(yǎng)為本的教學。為了使教師更深刻地認識“模型認知”素養(yǎng)的重要性，本文在分析目前中學化學學科領域內(nèi)“模型”和“建模”研究現(xiàn)狀的基礎上進一步探討了化學模型的定義、化學模型分類，并提出了模型在化學教學中應用的教學策略，為化學模型的理解和應用提供了一定參考。

1 研究現(xiàn)狀

為了解近年來“模型”及“建模”在化學教育領域內(nèi)的研究現(xiàn)狀，文章選取了《化學教學》《化學教育》《化學教與學》《中學化學教學參考》4種中學化學教育的重點期刊作為研究對象。在CNKI網(wǎng)站，以“模型”或“建模”為主題詞，共檢索出近10年來中文文獻1834篇，利用 CiteSpace 軟件中的“LLR”聚類算法對模型和建模領域內(nèi)的關鍵詞進行聚類分析，總結(jié)研究主題(見圖1)，聚類輪廓性指標Mean Silhouette S=0.9519大于0.5，網(wǎng)絡模塊度Modularity Q=0.8462大于0.3，說明聚類顯著且結(jié)構可信度高。

圖1 關鍵詞聚類圖譜

基于分析可知，模型和建模在中學化學學科領域內(nèi)的研究主要集中在模型認知視角下的教學研究、建模教學在中學化學中的應用、中學化學復習課中模型的建構與應用研究等三個方面。

1)模型認知視角下的教學研究。從圖1中的教學設計、化學教學、教學策略、化學平衡、電解池等多個高頻關鍵詞可以看出，在中學階段，特別是高中階段，由于理論性知識增多且比較抽象，增大了學生的理解難度，所以教師需要借助更多的模型降低課程內(nèi)容的抽象性，幫助學生理解相關內(nèi)容。因此，有眾多學者基于模型認知進行了教學設計，如陳進前結(jié)合實例，介紹了基于證據(jù)推理解答電化學試題的思維模型[2]。盛韻以“鹽類的水解”第一課時為例，呈現(xiàn)了基于“模型認知”、融合真實情境的教學設計[3]。

2)建模教學在中學化學中的應用。 模型建構是落實 “模型認知” 素養(yǎng)的重要途徑之一。 建模是一個復雜的且具有創(chuàng)造性的實踐活動，對于科學知識的生成以及問題解決能力的培養(yǎng)都至關重要。 張發(fā)新[4]提出通過 “對話”、 創(chuàng)設情境、 從思維的起點出發(fā)等構建化學模型。 王磊[5]等人通過對 “化學反應原理” 模塊的內(nèi)容進行整體梳理和分析，構建了化學反應的認識模型。

3)中學化學復習課中模型的建構與應用研究。復習課的主要任務是通過復習鞏固所學知識，幫助學生加深對已有知識經(jīng)驗的認識和理解，并將知識串聯(lián)起來，使之網(wǎng)絡化、系統(tǒng)化和條理化。許多學者對復習課中的認知模型進行了總結(jié)，如黃鳴春[6]等在“元素周期律·表”復習課中提出了關于元素及物質(zhì)的認識模型，培養(yǎng)了學生的系統(tǒng)化思維，促進了學生的認知發(fā)展。

2 化學模型

2.1 模型的定義

自20世紀90年代初至今，尤其是在教育科學領域，對于理解和發(fā)展建模能力的重要性逐漸在全世界范圍傳播，越來越多的學者也開始對模型及建模進行研究。在化學學科領域內(nèi)，我國教育學者陸軍[7]提出對模型的兩點認識，一是“模型”是“一種重要的科學操作與科學思維方法”，二是“模型”包括實物模型和非實物的形式模型兩類，這個定義主要關注的是模型是一種重要的思維方式以及模型的分類。陳進前[8]認為化學模型是重要的科學模型，是人們對化學領域中的研究對象作科學研究后所得結(jié)果的表述與解釋，是重要的化學方法，這個定義強調(diào)了模型是一種重要的科學方法。在我國化學教科書中對模型的定義也進行了界定，以2017人教版高中化學必修1教材為例，其給出的模型定義為：“在對研究對象進行實驗觀察和證據(jù)推理的基礎上，利用簡化、抽象和類比等方法，將反映研究現(xiàn)象的本質(zhì)特征形成一種概括性的描述或認識思路，這就是模型”[9]。這個定義主要關注了三方面的內(nèi)容：模型是在相關研究的基礎上對原型的一種簡化；模型是對事物本質(zhì)特征的反映；以及模型是一種系統(tǒng)化的思維模式。

國外的教育學者吉爾伯特 (J.K.Gilbert)認為，科學中的模型最初是為了某種科學意義而構建的關于某種現(xiàn)象的表征，模型可以是現(xiàn)實的理想化，抽象的可視化以及復雜事物的簡單化，是對現(xiàn)象進行科學解釋和預測的基礎[10]。這個定義除了關注模型是對某種事物的簡化，還強調(diào)了模型的功能。 吉雷 (Giere)認為模型是在實驗活動與科學理論的互動中所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物[10]。 這個定義強調(diào)了模型是理論和實踐的產(chǎn)物。

綜上所述，國內(nèi)外對于模型定義尚無統(tǒng)一的定論，但都認為：模型是為了某種特定的目的，利用簡化、抽象、類比等方法，對事物的本質(zhì)進行表征，將抽象思維外顯化。 其表征形式是多樣化的 (如圖像、 文字等)，以達到不同的目的和功能 (如解釋性、 預測性)。

2.2 化學模型分類

在化學學科中，模型的表示形式多種多樣，對模型進行分類便于我們更清楚的認識模型，了解模型的特點。化學教學中應用的模型種類很多(見表1)。

表1 化學模型分類表

圖2 分散系與微粒直徑、半透膜孔徑、濾紙孔徑大小的關系

圖3 反應過程與物質(zhì)的焓關系圖

圖4 原電池思維模型

由上表可知，不同研究人員對化學模型存在諸多不同的分類。模型分類的多樣性為研究對象的多重表征提供了可能性，單一的表征方式往往只能獲得研究對象的局部信息，而多重表征能夠從不同層面描述研究對象，從而加深學生對對象的認識和理解。例如我們可以使用符號模型和結(jié)構模型同時對水分子進行表征，幫助學生從不同角度認識水分子。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(lián)系并能夠在不同表征水平上轉(zhuǎn)換，獲得對知識本質(zhì)的理解[15]。化學模型分類的多樣性為中學化學的教學和學習提供了指導和幫助，但是必須要結(jié)合具體的學科知識，不可機械套用。學生理解運用模型學習并非一定要把模型畫在紙上，或者拿在手上，而是學生通過對模型的理解學習，對所學內(nèi)容形成獨特的理解和認識。

陳進前[16]提出：除了要了解化學中的模型分類，還應學習化學認識模型。化學認識模型是指導學生對學習化學知識、研究化學問題的一種系統(tǒng)化思維模式，可在“研究什么、怎么研究、要完成哪幾類任務、從哪些角度研究”等為學生提供策略性指導。化學知識點繁多，記憶量大，學生如果學習方法不當，容易對化學學習產(chǎn)生厭煩，壓力大等不良情緒，因此系統(tǒng)化的思維模式對化學學習是必不可少的，教師應在課堂教學中著重向?qū)W生介紹化學認識模型。

2.3 模型在化學教學中的應用

《課標》中對于“模型認知”素養(yǎng)的要求是：“能認識化學現(xiàn)象與模型之間的聯(lián)系，能運用多種認知模型來描述和解釋物質(zhì)的結(jié)構、性質(zhì)和變化，預測物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果；能依據(jù)物質(zhì)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”[17]。其中，模型建構是中學生模型認知能力要求的最高水平。Halloun[10]將建模過程闡述為五個步驟，分別是模型選擇、模型構建、模型驗證、模型分析和模型應用，以此來進行科學活動。邱美虹[10]提出建模的四個步驟：模型開發(fā)、模型評估、模型應用和模型重建。我們在實際的教學實踐中，應針對不同的內(nèi)容進行模型建構。結(jié)合以往學者對于建模的研究，我們提出基于模型認知的教學策略如下：

第一步：情境導入

在進行情境導入時，需依據(jù)教學內(nèi)容、學生的認知水平及生活經(jīng)驗選擇合適的情境載體，既可以從教材中選擇素材，也可以從日常生活以及工業(yè)生產(chǎn)中選擇素材。除此之外，也可根據(jù)具體情況將化學史料引入化學教學中，將史料作為探究歷史問題的證據(jù)，不但能夠激發(fā)學生學習化學的興趣，而且也能夠培養(yǎng)學生的思維能力和探究精神。

第二步：模型選擇/原型分析

在選擇原型時，需注意選取合適的研究對象，研究對象所包含的要素需完整、獨立，且符合學生的認知發(fā)展，另外，由于化學學科涉及較多微觀知識，增加了學生的理解難度，所以在教學活動中可以利用信息技術輔助教學，降低學生對于化學知識的理解難度。

在進行原型分析時，應從多角度分析認識對象的特征、構成要素及其相互關系。

第三步：模型建構

在進行模型建構時，綜合應用觀察、分析、比較、歸納、概括等方法抽象出原型的本質(zhì)特征，然后進行簡化和表征。

第四步：模型應用

在模型應用階段的核心任務就是要發(fā)揮模型在科學認識過程中的描述、解釋和預測等功能，并且在這個過程當中可以評價學生的建模水平。

第五步：模型完善

在新的情境中應用所建構的模型，通過一些認知沖突來更新學生對研究對象的認識，從而更新和完善模型。

3 結(jié)語

教育改革進入關鍵時期，落實要靠教學實踐，教師要堅持以核心素養(yǎng)為導向的教學。模型方法是重要的科學研究方法，構建有效的科學模型有助于提升學習效率，培養(yǎng)學生的科學實踐能力和創(chuàng)新意識。模型認知素養(yǎng)的提高不是一蹴而就的，它是一個長期的，不斷發(fā)展進階的過程，需要廣大教育工作者的共同努力。