关注模型建构发展模型认知

2021-05-11邹国华童文昭杨梓生

化学教学 2021年3期

关键词：模型认知比较研究模型

邹国华童文昭杨梓生

摘要：新课程以发展核心素养为理念，“模型认知”是化学学科核心素养的组成之一。研究高中新旧必修教材中模型的类型、功能及表征，统计、分析其共性与差异，为新课程的教学提供建议。

关键词：教材; 模型; 模型认知; 比较研究

文章编号： 1005-6629（2021）03-0024-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

化学课程要以发展学科核心素养为主旨，要构建全面发展学生学科核心素养的高中化学课程目标体系，对于教材的编写，新课标提出了“依据化学课程标准，以发展化学学科核心素养为主旨”等五个方面的编写原则[1]。教材编写围绕核心概念，建构认识模型，外显思维过程和方法，有利于彰显核心知识的素养化发展价值，促进知识向能力和素养的转化[2]。新课标将“模型认知”确定为化学学科核心素养之一，但教育界对模型的概念还众说纷纭，其核心要素为：模型是人们为了达到对目标对象进行解释、认识或研究等特定目的，对目标对象所作的一种简化的、直观的、定性的或定量的、文字的或图形的描述[3]。目前，我省包括龙岩在内的五地市（约占全省50%人口）使用鲁科版化学教材，以下将围绕鲁科版高中化学新旧必修教材中的模型展开研究。

1 研究对象与意义

研究选取高中化学课程标准实验必修教科书（鲁科版，必修1、必修2）[4，5]与2019年版高中化学必修教科书（鲁科版，必修第一册、必修第二册）[6，7]为文本，以四本教材正文、各栏目（课后习题和附录均非课堂主要教学内容，因此研究对象不含“练习与活动”“本章自我评价”中的习题与“附录”内容）中的模型为研究对象，统计两版教材中各类模型数量、功能及表征情况，并进行增减、替换等比较研究，分析研究结果，为新课程实施提供参考。本研究对模型的分类、功能及表征的概念界定如下。

1.1 模型的分类

模型有多种分类方式[8～13]，目前尚未形成一致的认识。刘豫东经文献研究，综合前人的分类后，提出以显现形式将模型分为物质模型、符号模型和思想模型[14]，此分类方法能将教材中绝大多数模型纳入研究范围，本研究借鉴此分类法，并继续细化为三类九组（见表1）。

1.2 模型的功能

周赟[15]梳理已有研究成果，认为模型具有描述、解释、预测、系统化功能，本研究亦将从此四方面分析教材中模型的功能，其具体涵义为：

描述功能，是利用模型对物质的结构、变化过程进行简单化、可视化的表征，如晶胞模型、元素符号等都具有描述功能;解释功能，是利用模型解释现象与本质的关系，将观点、证据和结论建立起关联，形成具有科学逻辑的说明，如离子方程式能解释反应现象;预测功能，是利用模型对物质性质、变化进行预测，以帮助人们认识物质，如杂化轨道理论模型可以预测陌生分子的空间结构;系统化功能，是利用模型将零散的知识进行系统整理，以形成有序认识思路，建立起系统性思维，如“价-类”二维模型，有助于整理元素化合物知识。

1.3 模型的表征

教材中模型的表征形式有文字、符号、图像和多重表征四种类型。文字表征，指模型以文字的形式呈现;符号表征，指模型以元素符号、方程式、数学公式等形式呈现;图像表征，指模型以实物图、示意图等形式呈现;多重表征，指模型以文字、符号、图像中的两种及以上形式呈现。

2 研究的思路与过程

2.1 研究思路框架

教材中涉及的模型种类是否多样、有何教学功能、如何呈现，研究这些问题，将有利于教师深度理解教材中的模型，体会教材编写意图，借助模型促进教学。为有序开展模型的类型、功能及表征的研究，借鉴乔羽娇的研究经验[16]，将教材的“章”作为分析单位，结合表1，逐页确定所含模型，并在模型处划“○”。教材中整章内容所含模型确定后，以图1顺序（A1→A2→B1→……→描述功能→……→多重表征）开展研究。新旧必修教材内容相同（相似）的章节先研究，不同部分（旧版必修1第4章）最后研究。

2.2 研究过程与方法

选择的3名研究员具有丰富教研经验，且熟悉教材。研究前，共同学习本研究的模型分类、功能及表征，为研究的开展做好准备。为方便统计、分析并做到可追溯检查，设计表2辅助研究（同一模型出现n次，计为n个）。2名研究员先独立研究，完成每章的一项统计（如A1）后，研究员对比分析结果，存在分歧处进行追溯检查，若两人无法达成共识，由3名研究员共同讨论，确定统计结果。完成两版必修教材各章的模型统计和分析后，进行数据汇总，得出表3～6的数据。

需要说明的是：此处研究的是表1包含的教材中的模型，其他模型（如概念模型）不在本研究范围;模型的功能分析时，一个模型可能具有多重功能，如化学方程式，可具有描述、解释功能，需结合情境分析，若确实兼有此两项功能时，将在两处各计一次，因此功能分析的统计数量会稍多于模型总数;模型的表征分析时，由于某个多重表征的模型可能包含多个符号模型、物质模型，所以此时统计的数量会少于模型总数。

3 研究数据与结果讨论

新教材对旧教材中的碳、铜、铝元素及其化合物、有机高分子等内容进行了不同程度的删减，这势必引起教材中模型的删减，经分析，模型删减主要由此原因引起，以下不再讨论。另外，研究发现元素符号、离子符号、分子式、化学式在教材中数量大，重复率高，此类模型（B1）增减、替換的对比研究存在一定难度，因此只进行了数量统计。

3.1 模型类型研究结果与讨论

通过对新旧教材中模型类型的统计、分析，整理出表3、 4数据。

符号模型在两版教材中数量多，占比大，并主要以元素符号、离子符号、化学式、分子式、化学方程式出现。符号模型占比大的原因：一是化学知识的学习主要以物质的组成、结构与转化关系呈现，并用简洁、确切的化学符号进行表达;二是教材中元素符号、离子符号、分子式、化学式等重复出现。两版教材思想模型占比均高于物质模型的原因是：高一阶段的学生对研究物质的方法、探究问题的思路需要思想模型的引导，故思想模型数量较多;必修阶段涉及的物质结构方面的知识较少，教材中出现的物质模型总体数量不多，故占比较小。

各类模型中，新教材思想模型占比由旧教材的4.98%升至7.74%，是旧教材的1.55倍，其中方法模型增加24个;分子结构特征模型、表示物质间转化的模型，分别增加18、 15个;替换（修改）最多的是方法模型，共17处，分析发现，修改后的模型思维、方法外显，引导性更强，如“要选定一类物质，预测它可能与哪些类别的物质发生反应;然后选出各类物质的代表物，探究它们之间能否发生反应”[17]修改为“1.选择某类物质的代表物;2.选取可能与该物质发生反应的物质类别的代表物;3.预测反应产物及现象;4.设计实验装置及操作步骤，进行实验”[18]，修改后更具有引导性和实操性。因此，新教材更加注重学生思维方法的引导，关注从微观上认识和表征物质的结构。

3.2 模型功能研究结果与讨论

对模型功能（见表5）统计分析发现，不同功能的模型数量差距较大。两版教材中，描述功能的模型占绝大多数，解释功能的模型排第二，可见两版教材均重视运用符号模型、物质模型等描述和解释化学物质及其变化，关注学生对微观结构的理解与表达，注重“宏观-微观-符号-图像”多重表征能力的提升;预测功能的模型数量偏少，教材中较少设计引导学生预测物质性质与变化规律的模型，这类功能的模型有待进一步重视和加强。新教材新增和替换数量最多的是系统化功能的模型，经分析，替换之处主要为“概括·整合”栏目：新教材将原来以问题、填空呈现之处替换为具有引导整理归纳功能的模型，以培养学生及时归纳的习惯，是实现知识结构化的重要途径。如必修1第2章第2节“概括·整合”栏目中，旧教材的4个问题[19]被替换为分析溶液体系的思路模型[20]，该模型有助于学生将本节知识进行系统整理，并形成结构化的认识思路。

3.3 模型表征研究结果与讨论

从模型表征统计结果（见表6）来看，符号是两版教材中模型的主要呈现形式，这与化学学科的本身特点有关。化学符号作为化学特有语言，具有简明直观、概括性强等特点，是表征化学物质及其转化、物理量间关系的重要工具。两版教材以图像表征、多重表征的模型多于文字表征的模型，图像表征具有简洁、直观等优点，多重表征通过符号、图像、文字等混合形式呈现，有助于学生深刻理解模型的内涵，模型以图像或混合形式表征有利于学生对模型的准确理解，因此新教材以图像和多重表征的模型数量增加较多。分析发现，两版教材同一模型未发现表征形式替换的现象，但新教材为了清晰准确传递模型，有将文字、图像等同类形式替换的现象，如“标准状况下1mol气体体积大小的示意图”[21]替换为“标准状况下1mol气体体积与足球体积大小的比较的示意图”[22]。新教材多个模型在旧教材的基础上增加了其他表征类型，如苯等有机分子由原来的文字、符号、填充模型三重表征，增加了球棍模型表征;新教材“萃取与分离”将旧教材文字表征[23]替换成了文字、图像多重表征[24]。

4 结论与建议

4.1 结论

通过上述比较、讨论，得出以下研究结论。

从模型类型角度看，两版教材都关注符号模型基础，注重提升多重表征的自觉性与规范性。必修教材使用对象为高一全体学生，从以往教学来看，高一新生化学式、方程式等符号表征能力处于较低水平。必修教材注重初、高中衔接，关注学生符号模型基础，教材中物质及转化尽可能用简约、规范的符号模型进行表征，为学生提供了很好的“化学语言”环境，促进学生使用符号模型的自觉性与规范性。新教材在过程模型和方法模型上都增加较多，即新教材更关注模型建构，外显思维过程与方法，高一阶段的学生在研究物质的方法、探究问题的思路上有待引导，因此思想模型，特别是方法模型增加，有益于启发学生进行化学问题的探究。

从模型功能角度看，两版教材都注重模型的描述和解释功能，但预测、系统化功能比例较少。预测、系统化功能的模型总数在新、旧教材中占比仅为4.17%、 2.97%，比例有待提高，但相比之下，新教材在编写时增加了预测、系统化功能模型的数量，说明新教材更加注重知识迁移能力、整理归纳能力的培养，教材中通过设置相应的模型，为学生提供思路和方法的引导，以提升预测未知物质性质、整理归纳知识的能力。

从模型的表征来看，两版教材模型均呈现出以符号形式为主的多样化表征，在四种表征形式中以文字形式显性表征的数量最少。两版教材中模型的表征形式多样，但主要以符号形式表征，这与学科特征有关;图像和多重表征，相比于文字而言，可将微观模型可视化处理，新教材增加了图像表征、多重表征模型的数量，希望简洁、直观、准确传递模型，促进学生对抽象知识、规律的理解。

4.2 新课程教学建议

新教材在编写上更加关注认识模型的建构，多角度地诠释了“模型认知”素养，为充分发挥教材中的模型价值，促进学生“模型认知”素养发展，建议新课程教学关注以下几点。

充分发挥教材中模型的功能。从上述分析可知，新教材中模型数量大、种类多，功能和表征形式多样化，这些模型打通了从知識到能力到素养的通道。教学中要分析各类模型的特征，充分发挥模型的教学功能：以方法模型引导学生进行问题探究，以过程模型、理论模型引导学生理解科学本质，以符号模型引导学生科学表征物质及其变化。

丰富教材中物质模型的形式和类型。多种形式表征抽象知识，形成对化学知识的多重编码，有利于深刻理解知识[25]，教材中物质模型的数量不多，且教材的材质、篇幅影响了模型的呈现，而现实的教学却能打破这些限制，可根据需要增加物质模型的形式和类型，如在教材模型图的基础上，可通过展示实物模型、动手搭建结构模型、运用多媒体技术立体呈现微观结构，弥补教材模型的不足，突破教学难点，提升教学效果。

自主建构促进教学的思想模型。教材中思想模型的占比小，高一学生所掌握的学科思维、方法还有待提升，完成各种探究活动需要思维和方法的引导，因此教师可根据需要自主建构方法模型、过程模型，促进探究活动的顺利开展。例如“若想获得纯净氯气，对该装置还需要进行哪些改进？”[26]的探究活动，可建构气体除杂的方法模型：分析混合气体的成分→分析除杂试剂→确定除杂顺序，引导学生自主思考探索除杂方案。

参考文献：

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