基于“模型认知”的化学教学策略

徐宾

[摘 要]

“证据推理和模型认知”是化学核心素养的一个维度，模型认知是学生学习化学的重要方式之一。教学中引领学生模型认知，可以借助模型，认识微观结构；利用模型，聚焦核心知识；依托模型，梳理知识体系；建构模型，掌握反应规律；参照模型，解决化学问题。

[关键词]

高中化学；模型认知；教学策略

高中化学核心素养中将“证据推理与模型认知”作为一个维度专门表述，说明了“证据推理与模型认知”对于培养学生关键能力的重要性。证据推理主要是指根据观察和实验等方面获取的物质及其变化的信息（证据），通过基于证据推理的方法形成科学结论；模型认知是指对研究的物质及其变化等方面的问题提出假设，根据观察和实验得到的信息，通过抽象和模型思维，用简化的、形象化的模型，再现物质及其变化的本质、内在特性和一般规律，并通过实验验证来完善模型。证据推理所形成的科学结论是简单的模型认知，模型认知离不开证据推理，证据推理是建构模型的前提。

一、“模型认知”的内涵

尽管我们对“模型”和“认知”并不陌生，但“模型认知”作为一个专门词语，还是一个新词汇。“模型”一词来源于拉丁文，初始含义是样本、标准和尺度，中文原意即规范。“认知”是指人类认识客观事物、获得知识的活动，包括知觉、记忆、学习、言语、思维和问题解决等过程。人们为了某种特定目的而对认识对象所做的简约化描述就是“认知模型”，简称为“模型”，而在“模型认知”一词中“模型”和“认知”属于偏正关系，“模型”是修饰语，“认知”是中心词。所以，“模型认知”可以理解为“基于（借助于）模型的认知”。

化学研究的对象是分子、原子层次的物质，且存在物质的多样性、不同物质结构的独特性和环境对物质及其变化影响的复杂性等特点，人类运用化学方法探索物质世界时，常常对大量实验事实进行比较分析、归纳概括后，还需要通过抽象和简化的方法建构模型，再现物质及其变化的基本规律，这样的认识过程就是“模型认知”。可见，模型是一种认知工具，模型认知是一种科学的认知方式。

為了研究和学习的方便，人们将模型分为实物模型和思想模型。实物模型如晶体结构模型、球棍模型等；思想模型包括理论模型（如有效碰撞理论、杂化轨道理论等）、符号模型（如元素符号、原子结构示意图、结构式、化学方程式等）和数学模型（如理想气体状态方程、平衡常数表达式等）。

二、基于“模型认知”的化学教学策略

模型是对原型的模拟，或对原型所做的抽象化、简约化、形象化的描述，是原型的精髓所在，突出了认识对象的本质特征和一般规律。化学教学中引领学生模型认知的过程中就是对认识对象去粗取精、去伪存真的过程，是对化学知识高度浓缩、高度提炼、高度概括的过程，是对物质的微观世界进行精准定位、高倍放大的过程，从而使重要的本质性知识形成清晰的知识框架，纳入学生已有的知识体系中。

（一）借助模型，认识微观结构

化学是研究物质的组成、结构、性质及其变化规律的科学，分子、原子看不见摸不着，微观结构更是抽象，这在客观上增加了学习的难度。为了增强学生学习感知的“实体感”，我们往往需要借助模型来帮助学生认识原子、分子以及晶体的微观结构，从而降低学生学习的难度。

例如，甲烷是最简单的有机物，分子结构虽然简单，但对烷烃同系物甚至对所有有机物碳架的理解具有基础性的作用。甲烷分子中4个H原子和1个C原子的空间位置关系怎样？仅从它的电子式或结构式上无法判断，怎样让学生“看见”甲烷的分子结构？教学中教师可以为每个合作学习小组提供一些不同颜色的圆形小水果、橡皮泥和牙签，象征性地表示氢原子、碳原子和碳氢键；提供4个小气球和一些棉线，4个小气球吹气后扎在一起用于表示4个碳氢键在空间的生长方向。每个小组学生动手尝试建构甲烷的分子结构模型，分析讨论哪种结构模型更具合理性。在学生的模型初步建构以后，教师再提供“甲烷与氯气发生取代反应后生成的二氯甲烷（CH2Cl2）只有一种”的事实信息，引导学生检验或修正自己建构的模型。通过这样的模型认知活动，学生对甲烷的球棍模型或比例模型就有了清晰的认识，对甲烷的分子结构也会有深入的理解，为进一步学好有机化学知识奠定了基础。

（二）利用模型，聚焦核心知识

无论是化学核心素养还是化学课程标准，最终都必须通过化学课堂教学来实施，都必须通过学生对化学知识的学习过程来体验和养成。化学核心知识是支撑化学学科体系的主干性知识，是有利于学生迁移与应用的关联性知识，也是高考化学常考的知识点。课堂教学中聚焦核心知识，建构认知模型，有利于引起学生对核心知识的关注，领悟核心知识的关键所在，促进学生深度学习。

例如，教学“氧化还原反应”时，通过创设问题情景，依据从具体反应的“得氧失氧”入手，到反应前后元素化合价的变化，再到电子转移的主线进行探究。虽然层次清晰，逻辑性强，但学生对学习过程中出现的一系列概念容易混淆，解决问题的思维起点难以把握。教学中如果能引导学生建立如下模型：

宏观（特征）：化合价变化

微观（本质）：电子转移（得失或偏移）

表示方法（规律）：双线桥法 （失-高-氧-还原剂，得-低-还-氧化剂）

通过模型理清概念之间的相互关系，聚焦氧化还原反应的本质，掌握问题解决的一般思路，对巩固所学知识可以起到事半功倍的效果。

（三）依托模型，梳理知识体系

认知科学实验证明，结构化的知识便于学生记忆、概括和理解，有助于解决问题。化学教学中利用模型梳理知识体系，可以使零散的知识条理化、系统化和结构化，有利于降低学习的难度，提高学生学习的质量和效果。

例如，学习“化学键”知识时，学生对于离子键、共价键、极性键、非极性键、配位键等概念混淆不清，不能正确判断原子、原子团之间的成键类型。教学中如果能从成键电子的来源类型为切入口，将这些化学键的概念、形成条件、元素种类等建立树状分类法模型，有利于学生理顺各类化学键之间的关系，形成清晰的概念网络图，加深记忆，灵活运用。

（四）建构模型，掌握反应规律

了解发生的反应和正确书写化学方程式，是解决化学问题的基础。化学反应虽然千变万化，其实都蕴含着一定的规律，学生之所以对化学方程式感觉千头万绪，无所适从，就是没有掌握化学反应的一般规律，没有用“规律”来理解发生的反应。教学中运用建模法，揭示反应类型和反应规律，有助于帮助学生透过现象看本质，克服学习的畏难心理，改变死记硬背的学习方法，让化学反应变得“有规可循”，让书写化学方程式变得“有法可依”，从而提高学生书写化学方程式以及分析问题和解决问题的能力。

例如，初中化学对单质、氧化物和酸碱盐之间的关系，即俗称的“八圈图”不做要求，但是高中化学中仍需要这些知识做铺垫，怎样做好初高中的衔接？笔者在教学中对出现的化学反应，均按反应类型或反应规律进行建模，从模型的视角归纳初中所学的化学反应并认识和理解高中新学习的化学方程式，教学效果非常显著。比如书写NaHCO3与Ca（OH）2反应的离子方程式，总有相当一部分同学感到困难。如果用建模法帮助学生建立了“酸式盐+碱=盐+水”、“盐+碱=新盐+新碱”的反应模型，不管两者量的多少，学生都能很快地正确书写出两者反应的化学方程式或离子方程式。

（五）参照模型，解决化学问题

化学核心素养的培养，离不开经历化学问题解决的过程。教学实践表明，学生在解决化学问题时使用频率最高的解题策略是模型匹配策略。利用这种策略解决化学问题，需将问题与模型进行匹配，一般经历“问题表征、模型匹配、模型构建、模型检验、模型应用”几个阶段。如下图所示：

分析问题是解决问题的首要环节，根据问题的特点和要求把求解的问题明确化。在这基础上运用学生已有的知识经验在头脑里进行模型搜索，如果有与问题解决相匹配的模型，就运用此模型来解决问题；如果没有已知的模型与之匹配，那就要参照某种相似的模型对其进行改造，或者将几种模型进行整合，或者自主进行全新的模型构建，并在进一步检验之后解决问题。参照模型不是照搬模型，而是基于模型又不囿于模型，体现出模型的典型性、基础性和开放性特征，学生只有做到心中“既有型又无型”，才能将知识学“活”用“活”，才能在具体实践中培养和发展适应个人终身发展和未来社会发展所需要的必备品格和关键能力。

例如，2017年江苏省高考化学第16（4）题中电解Na2CO3溶液，原理如图所示：

阳极的电极反应式_______，阴极产生的物质A的化学式为_______。

学生在解答此问题时，首先联想到的是電解池模型以及离子的放电顺序，因此，有相关的模型相匹配，但又不能完全套用。阳极产生O2，应该是H2O中的OH-放电生成的，随着电解的进行，水的电离平衡被破坏，阳极区会产生大量的H+，而产生的H+又不能与CO32-大量共存，它们会迅速结合生成HCO3—。通过将电解池模型与离子共存模型相整合，使问题迅速得到解决。这样的思维过程其实就是依据模型、发展模型、创造性地使用模型的过程。

当然，化学核心素养是一个整体，不应该也不可能割裂开来进行培养。模型认知可使知识的本质变得清晰，能使化学知识或解决化学问题的“基本套路”以结构化或简约、形象的形式储存于大脑中，便于学生快速地检索、提取和应用，因而是学生学习化学的重要方式之一。

[参 考 文 献]

[1]吴星.对高中化学核心素养的认识[J].化学教学，2017（5）.

[2]陈群，董军.高三化学复习中建模思想渗透的实践与研究[J].中学化学教学参考，2013（4）.

（责任编辑：张华伟）