模型認知素養的化學學科命題分析與教學建議

【作者簡介】徐超成，高級教師，副校長，浙江省中學化學教學分會理事，浙江省教科研先進個人，浙江省校本研修先進個人，杭州市優秀教師，杭州市教壇新秀，杭州市學科帶頭人，杭州市教育工匠，主要研究方向為教學案例研究。

【摘 要】證據推理與模型認知是高中化學學科核心素養之一，它在化學試題命制中占據重要地位。文章以2023年全國各地部分試題為例，從學業質量標準角度對核心素養導向下的模型認知素養試題的模型識別、模型表征、模型建構、模型應用等四個方面進行評析，總結其考查特點與規律，并對教學提出建議，有助于師生更好地把握和理解模型認知素養的考查。

【關鍵詞】核心素養；模型認知；高中化學；命題分析

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）將化學學科核心素養分為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五個方面［1］3。模型認知是化學學科核心素養的思維中心，在化學學科核心素養中占據重要的位置。

一、模型認知的內涵

1.概念內涵

模型認知是一種在思維過程中運用模型的方法，它以感性認識為基礎，以理性化思維為過程，運用近似、簡化的摹寫方式，揭示化學原型客體的本質和規律。化學基本規律和理論大多有賴于模型才能建立，可以說，化學的發展過程就是模型的建立、運用和修正的過程。創建能夠解釋真實世界現象的模型是從事科學活動的核心素養，學生積極參與建模活動是化學學習的重要步驟，表現為通過分析、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，建立認識模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律［1］4。

2.模型認知素養水平劃分

《課程標準》對各個核心素養進行了水平劃分，筆者依據《課程標準》的水平劃分，對模型認知素養水平進行了細分，具體見表1［2］。

二、模型認知的命題實踐

基于化學學科核心素養的測試題的命制，教師需要明晰測定的學科核心素養維度及其水平，清楚化學學科的知識內容和結構，選擇基于測試目標與測試學科內容相關聯的情境，在情境中設計問題，對學生解決問題的結果進行預測。命題的框架是測試編制的藍本，模型認知命題要從真實情境、評價問題、知識目標等要素加以落實，形成模型認知素養命題框架，如圖1所示［3］。

模型認知素養可以解構為模型識別、模型表征、模型建構、模型應用等四個要素。

1.利用核心知識考查模型識別素養

考查內容是測評結果和使用效度的重要依據，命題選擇的內容以學科核心知識為基礎，化學核心知識有氧化還原反應、能量守恒、化學平衡、電化學原理等。模型識別素養試題的命制把化學核心知識融入化學試題中，考查化學物質模型和理論模型的識別，通過對關鍵要素進行提取和分析，建立起化學事實與化學模型間的對應關系。試題命制著力于分析化學核心知識，抽象、概括出科學認知模型，并以此解決化學復雜問題。

【例1】（2023年高考全國甲卷化學第12題）用可再生能源電還原CO2時，采用高濃度的K+抑制酸性電解液中的析氫反應來提高多碳產物（乙烯、乙醇等）的生成率，裝置如圖2所示。下列說法正確的是（? ）

A.析氫反應發生在IrOx-Ti電極上

B. Cl-從Cu電極遷移到IrOx-Ti電極

C.陰極發生的反應有：2CO2+12H++12e- [? ? ? ? ? ? ? ]C2H4+4H2O

D.每轉移1mol電子，陽極生成11.2L氣體（標準狀況）

【命題思路分析】本題以可再生能源電還原CO2為真實情境立意，真實情境屬于變式情境。評價問題為應用圖示信息，分析解讀信息任務，利用示意圖，把CO2還原再生為C2H4、C2H5OH。評價問題中，除了電極判斷、氧化還原反應視角，還有基于溶液中離子平衡分析物質性質的視角。試題各選項均明晰了分析角度，因此，屬于“給定分析角度”類問題解決任務。即考查學生在具體的信息情境下將所學知識與圖表信息結合進行判讀、決策的能力。學生需要對原電池的正負極、電極反應方程式、離子的移動方向進行識別。本題是對模型識別素養中學業質量水平2的考查。

2.構建驅動任務考查模型表征素養

素養發展水平的高低要通過行為來表現，而行為表現在各種任務的完成情況中展現出來。試題命制中可以設置針對化學問題、現象等具體任務的化學模型，借以考查學生描述、加工問題的能力；也可以編制描述化學現象或反應的化學概念模型。試題力求體現化學表征的特點和化學模型的通用性、直觀性。任務設置建立起化學事實與化學模型間的對應關系，并加以表征。

【例2】（2023年江蘇高考化學第15題節選）化合物I是鞘氨醇激酶抑制劑，其合成路線如下：

（4）寫出同時滿足下列條件的C的一種同分異構體的結構簡式：______________。堿性條件水解后酸化生成兩種產物，產物之一的分子中碳原子軌道雜化類型相同且室溫下不能使2%酸性KMnO4溶液褪色；加熱條件下，銅催化另一產物與氧氣反應，所得有機產物的核磁共振氫譜中只有1個峰。

【命題思路分析】本題以鞘氨醇激酶抑制劑為真實情境立意，基于有機物醇、鹵代烴、酯等性質和有機反應類型等核心知識，設計了限定條件下的同分異構體書寫、合成路線等多元驅動問題任務，以此考查學生有機反應原理，讓學生依據已學知識、題中所給反應信息和分子式信息對官能團、結構簡式、有機反應方程式、合成路線、限定條件下的同分異構體進行表征。第（4）問中，從已知化合物C的同分異構體堿性條件水解后酸化生成兩種產物，產物之一的分子中碳原子軌道雜化類型相同且室溫下不能使2%酸性KMnO4溶液褪色，可以推測該水解產物為苯甲酸；另一水解產物加熱條件下，銅催化該產物與氧氣反應，所得有機產物的核磁共振氫譜中只有1個峰，由此確定醇為2-丙醇。學生對此進行模型表征，寫出符合條件的同分異構體，屬于模型表征素養中學業質量水平3的考查。第（6）問中，有機合成路線的設計從目標產物出發，依據題給原料及信息模型，進行關聯分析或逆向分析模型設計出合成路線并加以表征，是對模型表征素養中學業質量水平4的考查。

3.設置信息情境考查模型建構素養

無情境，不命題。試題命制把生產生活與化學相關的信息（工藝流程、實驗方案、電化學反應原理、實驗數據等）融入化學試題中，考查獲取信息的能力，從試題提供的信息識別出有效證據，獲取關于物質的組成、結構、性質、變化的規律，并分析解讀證據。命制模型認知素養試題時呈現的信息不能僅對原始信息進行簡單“移植”，而是要對原始信息再加工，如可以對高中化學相關的化學知識加以“包裝”，以多種形式呈現。另外，試題的命制側重思維的指向性，要體現模型建構，以及化學知識的本質。構建模型的過程既是學生科學探究的過程，也是學生更好地理解化學關鍵模型、認識化學知識本質的過程。

【例3】（2023年1月浙江選考化學第19題節選）“碳達峰·碳中和”是我國社會發展重大戰略之一，CH4還原CO2是實現“雙碳”經濟的有效途徑之一，相關的主要反應有

Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）[]2CO（g）+2H2（g） [Δ]H1=+247kJ·mol-1，K1

Ⅱ：CO2（g）+H2（g）[]CO（g）+H2O（g） [Δ]H2=+41kJ·mol-1，K2

請回答：

（4）CH4還原能力（R）可衡量CO2轉化效率，R=[Δn（CO2）Δn（CH4）]（同一時段內CO2與CH4的物質的量變化量之比）。

①常壓下CH4和CO2按物質的量之比1∶3投料，某一時段內CH4和CO2的轉化率隨溫度變化如圖3，請在圖4中畫出400～1 000℃之間R的變化趨勢，并標明1 000℃時R值。

【命題思路分析】本題以“碳達峰·碳中和”為真實情境立意，基于溫度對化學平衡影響的規律等核心知識，設計了不同溫度下R的變化趨勢，并標明1 000℃時R值等評價問題，考查學生的化學平衡模型建構。學生利用過程模型提供的信息，結合坐標圖進行數據分析并作圖，建構模型。利用平衡模型的核心知識和建構的化學模型分析化學反應問題并作出坐標圖，是對模型建構素養中學業質量水平4的考查。

4.基于學科理解考查模型應用素養

化學學科理解不僅指對化學學科知識的理解，還指對化學思維方式的理解，是一種指向化學學科知識的結構化思維方式的認識。試題通過多種途徑和方法考查學生的化學學科理解能力。學生要基于知識內在結構進行完整性理解，還要基于知識結構化進行關聯性理解［4］。模型應用在于學生需要定性、定量地提取并分析化學模型中的關鍵要素，從而獲得正確結論，考查的是學生的模型應用能力——利用模型解決具體問題的能力。比如解釋化學事實、判斷反應產物、預測新現象等。試題命制減少死記硬背的知識，增加探析化學本源的問題，體現模型應用素養考查，以及化學知識的本質。

【例4】（2023年全國乙卷化學第35題節選）中國第一輛火星車“祝融號”成功登陸火星。探測發現火星上存在大量橄欖石礦物（MgxFe2-xSiO4）。回答下列問題：

（3）一種硼鎂化合物具有超導性能，晶體結構屬于立方晶系，其晶體結構、晶胞沿c軸的投影圖如圖5所示，晶胞中含有_______個Mg。該物質化學式為_______，B—B最近距離為_______。

【命題思路分析】本題以火星車“祝融號”探測發現火星上的橄欖石礦物為真實情境立意，晶胞、晶體結構為知識目標，根據硼鎂化合物的六方晶體結構特點考查晶胞中原子個數，通過晶胞結構分析計算具體化學式，最后再次應用晶體模型知識考查B—B最近距離。試題融合晶胞模型的特點，基于化學知識的學科功能、化學知識的邏輯關系和化學結構知識本源，將化學知識關聯起來，形成有機的整體，用模型建構的思想解決問題，使學生理解科學的本質。本題是對模型應用素養中學業質量水平4的考查。

三、模型建構存在的問題

審視當前教師的教學行為，化學模型建構存在的問題主要有以下幾個方面。

1.注重被動接受，忽視主動建模

教師對模型的認識不到位，實踐過程存在盲目性，在教學上不能得心應手，學生也是一知半解，使得建模在化學教學中效果不明顯。很多教師反映模型內容繁雜松散，不夠系統，模型往往較為抽象，難以搭建。雖然學生自主建模能夠有效提高思維，但需要消耗大量課堂時間。針對學生解題能力提升對學生進行僅有的幾次模型訓練收效甚微，大多數學生感到學習效率低下，部分學生甚至當成游戲，不如教師直接傳授效率高。因此，師生均不喜歡建模，而是喜歡傳統的接受式教學，注重被動接受，忽視主動建模。

2.重視書面應答，輕視科學建模

教師在專業知識上難免有不足，而高考要求相對高，對核心素養的考查停留在解題上，使得學生在模型方法的使用上難以恰到好處。模型教學一方面遭教師冷落，另一方面，學生隨著年級的增加越來越重視分數，注重刷題和學習解題技巧，熱衷于答案或結果，而認為建模過程可有可無。

3.追求應試能力，缺乏實驗建模

模型方法能夠有效地提高學生的綜合思維能力，模型思維對于化學探究分析問題有事半功倍之效。但是一線教師由于課堂時間緊張往往會生硬地直接傳授定律、公式等，讓學生直接記憶，導致學生對公式等都是一知半解，對模型的應用更是生搬硬套，模型教學思維能力的要求形同虛設，學生對模型的多樣性、動態性等都無法形成正確的感覺體驗。

四、模型建構產生問題的原因

1.模型理論不系統，課堂建模收效微

《課程標準》中雖然已經系統提到證據推理與模型認知的內容，但教師對化學模型理論未形成系統的認知。在教學中，教師雖然嘗試用模型教學，但因模型理論欠缺，課堂教學中建模效果甚微。

2.模型方法不熟悉，模型教學遭冷遇

由于教師沒有掌握系統的化學模型建構理論，因而在教學中不能熟練地運用化學模型教學方法，或偶爾使用，或干脆放棄模型教學，模型教學在高中化學教學中幾乎處于“冷宮”。

3.模型思維不重視，課堂教學效率低

化學模型教學具有一定的思維方式，但很多教師在教學中只是機械地使用化學模型，停留于模型認知表層，更多的是記憶層面的傳授，沒有讓學生了解模型的本源知識，也沒有啟發學生進入模型思維層面，導致課堂效率低下。

五、培養模型認知素養的教學建議

根據現在模型認知存在的問題和產生問題的原因，以及《課程標準》中學業水平考試命題建議的要求，結合模型認知素養常考的試題，在化學課堂教學中，教師可以依據不同知識建構概念模型、規律模型、實驗模型、思維模型等四種不同的教學模型（如圖6）。

1.建構概念模型，理解化學概念本質

化學涉及許多概念教學，概念模型能揭示事物的本質特征，具有直觀性、抽象性、概括性的特點。概念模型以圖示、文字、符號等形式對化學反應的機理與本質進行描述與規定，是對物質性質和變化進行的概括與抽象。

建構概念模型的要領是根據大量事實情境，激活學生原認知，讓學生產生疑問，使學生利用已有認知結構的概念，進行猜想與假設，以概括的方法建立一個模型，抽象出一類事物的本質屬性（如圖7）。如對于強弱電解質、酸、堿、鹽等概念模型的建構，教師可以先用定義確定新概念的本質屬性，然后引導學生進行實驗檢驗，最后解決問題。

2.建構規律模型，掌握化學規律本源

規律模型建構是指在高中化學教學中通過建立化學規律模型來解決學生化學學習過程中的化學實際問題。客觀世界中紛繁復雜的化學元素是有規律的，化學教學中，教師把表面看似沒有規律的化學知識，運用抽象思維發現化學規律，找到化學規律模型，應用于化學教學，提高課堂效率。

學生對生活中的現象只能說較為熟悉，但未必明白其本質，對化學現象的理解不僅做不到熟悉，甚至可能有錯誤的認識。這就需要教師進行情境創設，引導學生產生疑問，并根據事實與經驗建立假設。學生則根據已有知識結構，在教師的適當引導下建立新模型，開展實驗，尤其是要通過控制變量等方法，開展實驗探究，對自己建立的模型進行檢驗。然后教師提供實例，引導學生進行模型解釋與應用（如圖8）。

3.建構實驗模型，揭示化學學科特點

實驗模型建構是根據高中化學實驗的特點，依據高中化學實驗中的相似原理，對實驗進行建模、用模。從心理學來說，每個人都存在好奇心。高中生的心理特點表現為對化學實驗有一種天然的好奇心，在好奇心的驅動下，學生對化學的興趣也會增加。

物質的性質有化學性質、物理性質等。學生根據學習需要設計實驗方案對物質相關性質進行探究，記錄實驗數據和現象，同時分析探究和預測的一致性與差異性，得出實驗結論，并能用實驗模型對物質性質進行合理解釋（如圖9）。

4.建構思維模型，凝練化學思維過程

思維模型是人腦借助活動建立起來的有關知識概念的框架和網絡。它的建構是對化學物質通過價-類二維模型來解決化學問題的過程。思維結構隨著事物的發展和人的認識發展而發展，同時思維模型對人的認識具有重要作用。思維是一個系統的結構［5］，思維模型就是思想的基本過程，學生要通過建構化學思維模型來解決化學思維問題，將化學性質通過化學思維模型表達出來。

對于陌生物質我們可從元素化合價、物質類別等不同維度分析，通過建立化合價、物質類別分析思維模型，假設物質性質并探究證明，最后用模型加以解釋（如圖10）。

綜上所述，模型認知在學業質量評價中有著重要地位，在全國各地的化學高考卷中已有充分體現，教師在平時教學中應注重建構各類認知模型，增進學生的化學學科理解，實現“教—學—評”一致性。

參考文獻：

［1］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］徐超成. 高中化學學科證據推理與模型認知素養的考查［J］. 浙江考試，2023（9）：33-37.

［3］俞建鋒，林肅浩. 核心素養導向下化學評價題的命制模式與實踐［J］. 化學教學，2018（4）：19-22.

［4］徐超成，陳進前. 增進化學學科理解的三個思考方向［J］. 中學化學教學參考，2021（19）：1-5.

［5］胡衛平，魏運華. 思維結構與課堂教學：聚焦思維結構的智力理論對課堂教學的指導［J］. 課程·教材·教法，2010（6）：32-37.

（責任編輯：羅小熒）