基于模型分析与解决问题的三个水平

雷范军 王怀文 高苗兰

摘要： 梳理国内外文献中模型的内涵和功能，以2018年高考全国理综I卷三道化学试题为例，从建模难度角度探讨了分析问题与解决问题的初、中和高三级水平，即利用类比模型方法分析解决传统的阿伏伽德罗常数问题、利用建模分析解决陌生烃的同分异构体种数问题、利用认知模型分析解决复杂问题的水平。同时，对普通高中化学课堂教学中实施建模教学提出若干建议。

关键词： 模型分析; 高考化学; 建模教学

文章编号： 10056629（2018）12008404中图分类号： G633.8文献标识码： B

模型和建模可以用来建构知识和使用知识[1]，是化学学习中不可或缺的能力[2]。模型对学生化学知识的建构、发展分析与解决问题的能力具有重要的作用，模型认知是化学学科核心素养五个方面的思维核心。模型的内涵是什么？具有哪些功能？如何应用模型分析与解决难度由低到高的真实问题？这些都是2017年版课标实施时不得不弄清楚的问题。本文以2018年高考全国理综I卷三道化学试题为例，探讨应用模型分析与解决问题的三个水平，希望对普通高中化学建模教学和学生模型认知素养的发展有所启发。

1 利用类比模型方法分析与解决传统的阿氏常数问题

模型作为一种重要的科学研究方法，是“人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的概括性的描述”[3]。能够成为模型的事物必须是与它要模拟的事物具有一些性质、属性或特征的相似性，类比模型就是这种观点的突出反映[4]。只有找出事物之间的相似性，才有可能把一种事物当成另一种事物的模型，因此门槛不高、难度不大，不妨视之为基于模型分析与解决问题的初级水平。

答案： B。

模型作为认识事物本质属性和相互关系的一种科学方法，可以用来解释物质变化的现象和过程，但不是任何事物都能成为其他事物的模型。以相似性为建模的前提，明显存在不足。其他条件（内因、外因）相同，只改变一个变量分析与解决问题时，适用于类比模型，同时改变两个或多个变量时就会错判或误判。例如增大H2SO4的浓度，未必能加快铁片与硫酸溶液的反应速率，因为硫酸变浓时不仅外因（浓度）改变，而且内因（置换反应与钝化原理不同）也会改变。

2 建模分析解决陌生有机物的同分异构体数目问题

模型是“与真实物体、单一事件或一类事物相对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”[5]。建模是从复杂的现象中抽取能描绘该现象的元素或参数，并找出这些元素或参数之间的正确关系，建构足以正确描述、解释该现象的模型。由于其门槛更高、难度更大，可视为基于模型分析与解决问题的中级水平。

答案： C。

建模教学有助于矫正传统教学方法中的许多不足，如知识的碎片化、学生的被动性等，其优于传统教学的效果得到很多研究证实[7]。建模活动中，学习者必须根据已有的知识经验，使用所给的材料和工具探究所面对的新情境，建构对当前情境的理解，并将自己的这种理解以结构化形式表达出来。建模教学需要合理组织结构化的教学内容，包括基于知识关联的结构化、认识思路的结构化、核心观念的结构化，充分认识结构化对于学生发展化学学科核心素养的重要价值，逐步提升认识思路的结构化水平。

3 利用认知模型分析与解决复杂问题

21世纪以来，有关模型表征作用的研究已经成为模型研究的主攻方向，《美国科学教育框架》提出模型是“一个有解释或预测能力的一个系统的任何表示”[8]，Driel与Valk（2007）认为模型是“所研究的目标事物的一种呈现方式”[9]。模型是对客观事物或过程的一种表征方式，是利用证据进行科学解释的一种工具，它将已有知识与新的证据联系起来，将客观事实与人的心智活动联系起来[10]。认知模型是上述观点的集中反映，但建立和应用门槛很高、难度很大，因此可视为基于模型分析与解决问题的高级水平。

例3 （2018全国Ⅰ，28节选）采用N2O5为硝化剂是一种新型的绿色硝化技术，在含能材料、医药等工业中得到广泛应用。回答下列问题：

（1） 1840年Devil用干燥的氯气通过干燥的硝酸银，得到N2O5。该反应的氧化产物是一种气体，其分子式为。

（2） F. Daniels等曾利用测压法在刚性反应器中研究了25℃时N2O5（g）的分解反应：

当学生或科学家们面对一个客观的物质现象或变化过程时，复杂的组成因素使他们难以把握其本质和规律。通过对物质现象和变化过程建构认知模型，抓住主要因素，忽略对象系统中的非本质因素，从而将复杂的物质现象和变化过程进行抽象的概括和简化，进而可以图画、图表、计算式等具体直观的形式进行形象化的表征，促使学生对其本质的深度理解和认识。

综上所述，模型既能理解为建构真实对象的替代物，也能通过思维的结构化来体现，还能基于一定视角表征真实世界。只有拓宽了模型的内涵和功能，才能立足普通高中化学课堂教学的具体实践，探索建模教学的路径和策略，提升学生的模型认知素养。

参考文献：

[1]Ibrahim Halloun. Schematic modeling for meaningful learning of physics [J]. Journal of Research in Science Teaching， 1996， 33（9）： 1019～1041.

[2]邱美虹.模型与建模能力之理论架构[J].科学教育月刊， 2008，（306）： 2～9.

[3]雷范军.新课程教学中强化训练化学模型方法初探[J].化学教育， 2006， 27（4）： 16～19.

[4]闫莉.整体论视域中的科学模型观[D].太原： 山西大学博士学位论文， 2005： 1～6.

[5]戢守志等译.美国国家科学教育标准[M].北京： 科學技术文献出版社，1999：

[6]雷范军，钟珊，罗秀玲.有机物高区分度同分异构体的判断[J].化学教学， 2017，（9）： 80～83.

[7]张静，郭玉英.物理建模教学的理论与实践简介[J].大学物理， 2013，（2）： 25～30.

[8]National Research Council. A Framework for K12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas [M]. Washington， D.C.： The National Academies Press， 2012.

[9]孙可平.科学教学中模型/模型化方法的认知功能探究[J].全球教育展望， 2010， 39（6）： 76～81.

[10]张晋，毕华林.模型建构与建模教学的理论分析[J].化学教育， 2017， 38（13）： 25～29.