谈“模型 ”“化学模型”和“模型认知”过程

文/肇庆学院环境与化学工程学院 郝向英 刘平 吴燕妮 陈志胜 王赵志 唐青

“模型认知”是一种科学的思维方法，既是“化学科核心素养”，也是高中数学、物理和生物的核心素养之一，建构和应用模型的方法在学习、工作和科研中作用重大，应用广泛！但是，我们在与中学化学教师和化学师范学生接触过程中，发现很多教师和同学对“模型 ”“化学模型”认识模糊，不知道中学化学中哪些内容属于“化学模型”，对“模型认知”的过程也没有系统的认识；在教学中无意识地应用了“模型认知”的一些方法，其实在写“教学设计”时根本没有考虑过这方面的内容。因此，本文就“模型 ”“化学模型”和“模型认知”过程这几个方面做一点系统的探讨，以达抛砖引玉之作用。

一、模型及分类

模型又称为“模子”、模板或模具。从广义上讲：如果一件事物能随着另一件事物的改变而改变，那么此事物就是另一件事物的模型。用通俗的话说是选择或制造一个模板，以后照着这个模板学习、思考、研究及工作就更加的方便、快捷及科学。模型可分为形式模型、思维模型和操作模型，其分类见下表。

形式模型思维模型操作模型实体模型虚拟模型实验装置模型工业设备模型分子原子模型虚拟静态模型虚拟动态模型虚拟幻想模型事物关系模型组织结构模型数学模型公式模型方程模型算法模型曲线模型理论模型⇧推理模型归纳推理演绎推理类比推理基本操作典型操作流程典型计算步骤教学模式

与化学科相关度较高的几种模型是 ：“实体模型 ”“数学模型 ”“理论模型”及“操作模型”中的基本操作、典型操作流程和典型计算步骤。

二、认识化学模型

要培养学生的“模型认知”素养，首先就要化学教师要认识与化学科相关的各种模型。只有认识、理解了化学模型，了解了“模型认知”的过程，才可能应用化学模型进行教学，让学生理解化学模型并能应用“模型认知”方法学习化学知识。

1.形式模型

(1)实体模型：实体模型是指我们在生产生活和教育科研中实际存在的、具有一定体积和重量的物理形态和按一定比例放大或缩小的物件、图形等。在化学中可以分为实验装置模型、工业设备模型和分子原子模型。

①实验装置模型：典型实验装置就是一种能演变出多种构形相似、功能相近的变形装置的模型。例如：初中化学的“固+固加热反应装置 ”“固+液反应装置”，高中的“气体吸收装置”，由它们可以演变出多种变形装置。

②工业设备模型：是缩小版的工业设备。如教学中使用的炼铁高炉模型、污水处理厂和换流阀水冷设备模型等，这些把大型工业设备缩小做成便于学生观察的道具就是“工业设备模型”。

③分子、原子模型：分子模型可以是球棍式、比例式模型。

④物质关系模型：在化学中主要指物质性质关系(如思维导图)或转化关系图和“元素价——类图”等。在教学中板书或让学生画这两种转化关系图，有利于学生将碎片化的物质性质知识结成网络、形成牢固的记忆。

2.思维模型

思维模型分为数学模型、理论模型和推理模型。数学模型还可以细分为公式模型、方程模型、算法模型和图象模型，推理模型分为归纳推理、演绎推理和类比推理。

(1)数学模型：数学模型分为公式模型、方程模型、算法模型和曲线模型。理科类的各种公式就是模型的一种，这些公式往往可以推论出其它变形公式。

(2)理论模型：化学中有着各种各样的理论模型，如原子分子论、元素周期表与元素周期律、化学平衡理论、电解质及电离理论、电化学理论、热化学理论(化学反应与能量变化、反应热、中和热、盖斯定律等)、电化学理论(原电池、电解池等)、原子轨道和分子轨道(由薛定谔方程计算得出的结果)、化学键理论、分子间作用力、杂化轨道理论、分子轨道理论、价层电子互斥理论、晶体结构理论等，都属于理论模型。而理论模型的建立通常是运用了推理模型，推理须遵循的基本逻辑，它是由一个或几个已知的判断(前提)推出新判断(结论)的过程。推理模型可分为归纳推理、演绎推理和类比推理。

3.操作模型

典型规范的操作方法或步骤就是操作模型。在化学教学中的实验基本操作、典型实验规范操作步骤或流程、典型计算步骤和教学模式，都是操作模型。例如：实验室蒸馏装置和氯气的制取装置的安装、制取和拆卸的规范步骤，工业生产流程(如自来水生产流程)，化学计算要求表达的计算步骤都是。教学策略中的教学模式，如“自学点拨式 ”“激疑探究式 ”“点拨反馈式”、洋思中学的“先学后教”、杜郎口中学的“10+35”、魏书生的“六步教学法”、邱学华的“先练后讲，先试后导”、东卢中学的“讲学稿或导学案”及“翻转课堂”等，都是教学实操模型。

三、不同知识“模型认知”的方式和过程

学生思维发展必须符合科学知识和思维发展的规律，不同知识块在引导学生思维发展过程中，模型认知的方式和过程也略有不同。教师要了解这些思维过程的不同点，恰当地应用在教学之中。

1.实验模型的建构和应用

实验模型的建构和应用经过了具体问题、分析问题、构建模型、理解模型和应用模型几个环节，思维逐步深入，能力要求也不断提高。由知识表征过渡到行为表征，最后形成抽象表征。

2 .物质关系模型的建构和应用

物质关系模型可以是转换关系图和二维价类图，它的建构运用了由特殊到一般的归纳推理过程。先选定具体物质，再通过发散联想钠的各种化合物，用箭头将含该元素的单质和各种化合物联系起来，或在价类二维坐标中定点写出和连接，从而建构出物质转化关系模型。

3.理论模型的建构和应用

(1)归纳推理：以归纳推理方式建构理论模型及应用的过程见下图(以质量守恒定律为例)。

(2)演绎推理：以演绎推理方式建构理论模型及应用过程见下图(以原子理论模型为例)。

(3)类比推理：以类比推理方式建构理论模型及应用过程见下图(以勒沙特原理例)。

(4)其它模型：限于文章篇幅，以下几类模型不再画出二维图，只展示它们的思维过程：

公式模型：测量数据—→发现规律—→建立公式—→发现误差—→修正建立公式模型，

例：平衡时各物质浓度→浓度商是定值→平衡常数公式→与方程系数有关→平衡常数公式；

方程模型：具体方程式—→一类方程—→发现规律—→方程模型—→应用：

例：盐酸与烧碱反应→酸碱反应→只有H+与OH-反应→离子方程式→离子方程式书写；

曲线模型：具体反应—→实验数据—→坐标描点—→曲线模型—→推广应用：

例：酸碱中和反应→pH数据→坐标描点→中和滴定曲线→氧化还原滴定曲线；

典型计算步骤模型：计算原理→计算各步骤→重复练习→计算步骤模式；

教学模式：教学方法→教学步骤→关键步骤→教学模式→应用推广。

只有理解了模型，才能应用模型，直至在更高的层次上创造新的模型。在化学教学中一些简答题，如用化学平衡原理解释合成氨的条件选择、用溶度积和沉淀溶解平衡原理解释沉淀的溶解与转化、用杂化验轨道或价层电子互拆理论解释分子的性质或空间结构等，教师要求学生抓住关键词先表达什么、再表达什么，也是一种模型认知，即特定内容的“语言表达模型”；处理问题思维方式、人才能力维度和一些学习方式也是模型，如“是非原则模型 ”“艾森豪威尔矩阵模型 ”“认知扭曲原理模型 ”“肯定式探询模型 ”“双重回路学习模型 ”“个人能力模型”等。所以化学核心素养中的“模型认知”非常重要，需要我们广大化学教师认识、发现、体会并运用到教学中，使学生通过“学科知识→学科方法→思维方法”的认知过程，形成“模型认知”的意识和能力。