我国高中化学教科书中模型的变化研究

江奇芹 薛亮 董亚男

摘要：结合相关文献完成了化学模型的概念界定和类别划分，围绕模型的类别、模型的表征内容、模型的多重表征、模型演变史四个维度，运用内容分析法对我国2000年至今人民教育出版社出版的三套高中化学教科书必修模块的模型内容进行分析，获得高中化学教科书模型编写的变化趋势，为化学模型教学提供些许参考和建议。

关键词：高中化学;化学教科书;化学模型;模型教学

文章编号：1008-0546（2021）03-0014-05 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.03.003

一、问题的提出

模型在科学工作中具有重要意义，Gilbert认为科学模型具有三个功能：可以使物体和抽象概念简单化;能够使复杂现象可视化;可以提供对科学现象的解释和预测[1]。作为科学研究的一个基本工具，近40年来，模型逐渐成为科学教育工作者所热衷的话题，其在科学教育领域的价值也日益凸显。美国先后颁布的《K-12科学教育框架：实践、跨学科概念、核心概念》《下一代科学标准》同时在“跨学科概念”和“科学和工程实践”两个维度突出“模型与建模”，并将其选人学生学业成就的评估标准[2]。模型是化学的重要组成部分[3]，化学学科中的很多概念或理论都需要以模型作为知识建构和传递的媒介。《普通高中化学课程标准（2017版）》更是将“模型认知”纳人化学学科五大核心素养框架，要求学生能通过模型的运用和建构获得化学问题的解决，以此形成具有化学学科特征的思维方法。

化学教科书是教师课程教学的主要依据，也是学生重要的化学学习资源，教科书中模型编写与使用的差异直接影响教师的模型观点[4]，进而影响化学模型教与学的质量。目前国内针对化学教科书中模型的分析研究数量有限，已有的研究包括化学教科书中模型种类、功能和角色的探讨[5，6]、国内不同版本化学教科书中的模型对比分析[7，8]、国内外化学教科书中的模型比较[9]，关于不同年限化学教科书中模型的比较研究还未涉及。本研究通过对2000年至今人民教育出版社出版的三套高中化学教科书必修模块中的化学模型进行分析比较，以期获得教科书中模型编写的变化情况，为化学教育工作者尽快适应新教材和开展模型教学提供参考。

二、化学模型及其分类

科学模型是人们按照科学研究的特定目的，在一定的假设条件下，用物质形式或思维形式再现原型客体的某种本质特征，如客体的某种结构、功能、属性、关系、过程等[10]。化学模型是重要的科学模型，是科学模型在化学领域的具体表现。

化学模型按其呈现水平和形式可分为四类：实物模型、想象模型、符号模型和数学模型[11]。实物模型是按照对象的外形或结构进行放大缩小、抽象、简化，对原型进行模拟制成实物（如化工生产模型、化学教学实验）。想象模型是在思想中针对原型的主要矛盾和关键特征抽象出来的微观的模型（如分子结构模型、原子轨道模型）。符号模型是将特定的化学符号按特定的组合方式，揭示原型的组成和变化规律的模型（如元素符号、化学方程式）。此外，化学学科中也通过数学表达式和表示数学关系的图表和表格解释复杂的化学现象和规律，即数学模型。以上三类模型分别对应“宏、微、符”三个表征水平（数学模型可视为从符号模型中分离出来的），体现了化学学科的本质特征，以此标准作为研究基础更能反映化学教科书编写的特点。

三、研究对象和方法

1.研究对象

人教版高中化学教科书面向我国大部分地区，其更新与发展顺应了课程改革的方向。课程由必修和选修内容组成，其中必修课程以培养全体学生的科学素养为主旨。因此本研究以2002年版、2004年版、2019年版的人教版高中化學教科书必修模块中的化学模型为研究对象，具体包括2002年版的《全日制普通高级中学教科书》第一册（必修）;2004年版的《普通高中课程标准实验教科书》必修1、必修2;2019年版的《普通高中教科书》必修第一册、必修第二册。

2.研究方法

本文主要采用内容分析法，是一种用于教科书研究的常用方法。内容分析法通过把一些定性资料转化为定量数据，并对其进行描述、统计分析，由此得出对某一研究对象或研究事实的科学判断[12]。借助该研究方法，本研究拟从模型的类别、模型的表征内容、模型的多重表征、模型的演变史四个维度完成教科书中模型的数量化统计分析。需要指出，本研究的分析范围仅限于教科书各单元或各节（即正文部分），绪言、课后习题、复习题及附录部分不列入统计范围。

四、我国高中化学教科书中模型分布的数量统计

1.模型类别维度

基于化学模型的分类标准对教科书中模型进行统计。化学模型出现1次则在其所属类别中记作1个，若同一模型在不同位置出现2次则在其所属类别中记作2个。此外，在对符号模型进行计数时，对教材中多次出现的起陈述说明作用的化学式、化学方程式、元素符号、离子符号等（如“向盛有2mL Na2S04稀溶液的试管中加入2mL BaCl2稀溶液”）不列入模型统计范围。具体见表1。

由表1可知，2002年至2019年三套教科书必修模块中化学模型的总量均达到400+。从模型分类来看，02年版教科书必修部分的实物模型为59个，04版和19版在此基础上略有增加，分别为64和67个;三套教科书的想象模型数量有明显的转折，02年版和19年版分别为34和42个，04年版统计值仅有28;符号模型的数量在三套教科书中分别为322、343、361，呈现均匀缓慢的上升趋势;而三套教科书中的数学模型无明显差异。具体到各年限的教科书，02年版中实物模型、想象模型、符号模型、数学模型各自的占比为13.7%、7.9%、74.5%、3.9%;04年版四类模型的占比为14.3%、6.2%、76.4%、3.1%：19年版的百分比依次为13.8%、8.6%、74.3%、3.3%。各套教科书中不同模型的比例存在严重倾斜，如符号模型的比重均达7成以上，而数学模型占比仅为3%左右，这也体现了化学学科的特点。

2.模型表征内容维度

原型客体作为模型的表征对象，除了具体的实物，原型还包括观点、概念、事件、过程和系统等[13]。因此，化学领域的相关问题都可以成为化学模型的表征内容，结合化学学科特点，可将高中化学相关问题归类概括为物质、结构、变化和STS四个部分[14]，“物质”是指身边的化学物质，“结构”包括物质的组成和结构，“变化”包含物理变化和化学变化，“STS”是指化学中与生活、社会有紧密联系的内容。化学模型出现1次则在对应的表征内容记作1个，若同一模型在不同位置出现2次则在所表征的内容中记作2个。具体见表2。

由表2可以看出，02年版至19年版教科书中以“物质”和“变化”为原型内容的化学模型数量远远多于其他两类，而“STS”模块的化学模型在02年版和04年版中仅为个位数，19年版也才达到13个。具体而言，三套教科书中“物质”模块的化学模型数量逐渐增多，介于129～160之间，表征“变化”的化学模型在数量上略有起伏，04年版教科书中数量最高，达到194个，19年版教科书中减少至188个;相比于02年版教科书中“结构”部分的12个模型，04年版的模型数量是其3倍，而19年版的模型数量又上升至04年版的2倍之多，达到73个。在“STS”模块，02年版和04年版教科书模型数量分别为3和6，19年版则增加到13个，高于04年版的2倍。

3.模型多重表征维度

模型不是对原型的复制，而是研究者根据研究目的对原型的部分信息进行的抽象简化，研究目的或角度不同，针对同一原型建构的模型也有差异。因此，模型与原型并非一一对应关系，同一化学事物可以用不同的模型来表达，即拥有多种表征模型。本研究认为，多重表征模型可以是实物、想象、符号三种水平模型的混和表征，也可以是同一水平下不同模型的混和表征。根据该标准对化学教科书中的多重表征模型进行统计，以多重表征模型所代表的化学知识的数量为计量单位，若出现两个及以上模型表征的化学知识则记为1处。具体见表3（如同一化学知识同时用实物、想象、符号模型进行表征则记为“实+想+符”，若同时用想象、符号模型进行表征则记为“想+符”，若同时用一类模型的不同形式进行表征：如氮气的符号模型包括化学式、电子式、结构式，则在“符号”中进行统计）。

由表3可知，02年版、04年版、19年版三套教科书中的多重表征模型知识总数分别为31、50、67。从多重表征模型的所属水平来看，02年版至19年版教科书中二水平表征模型数量最多，在三套书中的百分比达到83.9%、70%、76.1%;其次是单水平表征模型，其占比依次为19.4%、30%、23.9%;而三水平表征模型数量极为稀少，02年版教科书中仅有1处，04年版和19年版则完全没有。在二水平表征模型中，三套教科书中均未出现实物模型与想象模型的混和表征，实物模型与符号模型或想象模型与符号模型的混和表征数量则逐渐增多;对单水平表征模型而言，三套教科书中都不存在多种形式的实物模型，多重表征的想象模型也仅有1～2处，符号模型的多重表征较多，且数量逐步上升。

4.模型演变史维度

教科书中呈现的化学模型是当前化学或科学界所达成的共识模型，这类科学模型往往是以众多历史模型为基础逐步发展形成的[15]。化学模型的演变过程记载了化学知识产生和发展的轨迹，标志着人类对于化学本质的探索持续深入。化学教科书中关于模型演变史的呈现主要采用文字、符号、图像三种形式，进行数量统计时，若关于模型演变史的内容出现1次则在相应的呈现形式中记为1处。具体见表4。

由表4可知，02年版至19年版三套教科書中关于模型演变史的呈现非常稀少，分别有2处、1处、4处。具体来讲，02年版教科书中的2处模型演变史内容分别以文字、文字和图像的形式呈现;04年版教科书以文字和图像形式共同呈现了1处模型演变过程;19年版教科书包括3处文字描述和1处图文并茂的模型演变史内容。三套书中均未出现符号形式的模型演变史内容。

五、统计结果分析

1.模型总量逐渐增加，想象模型数量明显增多

由统计数据可知，2000年至今的三套教科书必修模块中化学模型的总量逐步增加，19年版的数量已达到487。具体到四类模型，除数学模型数量存在极小差异之外，19年版教科书中其他三类模型数量相对于前两版均为最高值。由此可见，在教科书的更新与发展中，模型越来越受到编写者的重视，其在化学教育中的功能也逐步被挖掘。值得注意的是，不管从模型数量还是模型所占百分比而言，三套教科书中“想象模型”分布有明显变化，相比于02年版，04年版教科书数量减少6个，而19年版数量约为04年版的2倍。想象模型是对原型的微观表达，而化学学科正是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质和变化规律，以想象模型作为连接研究者与客体的桥梁，能够实现抽象客体的“可视化”，有助于学生认识化学物质及其变化的本质。教科书中想象模型数量的显著增长表明了其在化学教学中的价值。

2.不同模块的化学模型逐步递增，“结构”和“STS”模块模型数量显著增加

除了“变化”模块中模型数量出现微小转折之外，三套教科书中各模块的模型数量均呈现上升趋势，其中，“物质”模块模型数量增长趋势较为缓慢，而“结构”和“STS”部分的模型数量则按倍数增加（需要指出的是，02版与04版教科书中“结构”模块模型的明显差距部分来自于“有机物知识”的引入，但04版与19版教科书模型数量的差异与内容无关）。通过模型来表征物质的“结构”（如甲烷、乙烯的球棍模型），学生能够从微观上认识化学物质的组成，掌握物质的性质，逐步形成“结构决定性质”这一学科核心思维。以“STS”为内容的模型（如氮循环示意图、青篙素的合成）能帮助学生从宏观上认识化学与科技生产、社会生活间的联系及其所扮演的角色，体会化学学科的应用价值。因此，模型在化学各部分内容的教学中都发挥着重要作用。

3.多重表征模型数量逐渐增加

总体来说，02年至19年版教科书中多重表征模型的数量呈逐步上升的趋势。除了04年版和19年版教科书中同时采用实物、想象、符号模型的多重表征模型数量减少1处，其它的多重表征模型数量都持续增多。其中，实物模型大多指实验装置图、实验现象或化工流程图，限于教材容量，同一化学问题往往只呈现一种实物模型，其通常与符号模型共同表征一个化学过程或问题，有助于学生从理论和实践两个层面认识化学。这也解释了为何三套教科书实物与符号模型的混和表征占比较高，而实物模型与其它模型的混和表征为零的不均衡现象。由统计数据可知，对同一知识进行多重表征对于学生的化学学习具有重要意义，这也与相关研究结果相呼应，即多重表征或类比模型的合理使用不会增加学生的认知负荷，反而可以帮助学生有效地消除特定的另有概念[16]。

4.模型演变史的内容数量呈现上升趋势

数据统计结果表明，虽然三套教科书中关于模型演变史的描述较为稀少，但有明显的上升趋势。02年版教科书中有2处，记录了元素周期表和原子结构模型的发展史;04年版减少至1处，呈现了苯分子结构演变的过程;19年版教科书中增加至4处，分别对元素周期表、原子结构模型、氧化还原反应概念和苯分子结构模型的发展过程作出描述。化学模型的演变史蕴含丰富的科学价值和人文价值，有助于学生深入地理解化学知识，掌握科学的研究方法，树立正确的科学态度。三套教科书的对比数据也说明了模型演变史内容对于化学教学的积极作用。

六、关于高中化学模型教学的建议

1.增加对想象模型的运用，以降低抽象概念的难度

化学学科中包含大量的抽象知识，如化学平衡、氧化还原反应、物质的微观结构等，这些内容也成为学生化学学习的绊脚石。新版教科书增加了想象模型的使用，例如针对“电解质的电离”，书中分别呈现固体NaCl、NaCl溶液和熔融的NaCl在电极中微粒的排列组成及运动状态，以说明固体NaCl为何不能导电，解释电解质在水溶液或熔融状态下导电的根本原因，即产生了自由移动的离子。由此可知，想象模型能从微观角度实现抽象概念的简单化和可视化，从而减少学生的认知困难。但从统计结果可知，教科书中想象模型的数量仍然较少，因此教师在教学中要适当补充，例如讲解化学平衡、氧化还原反应等概念时，可以借助动画模拟帮助学生进行理解。

2.加强对多重表征模型的使用，以强化学生的知识理解

科学模型并不是实物的精确复制，而是基于不同理论视角对客体关键信息的建构表征[17]。例如“水分子”以电子式表达能够展现电子（对）分布情况，化学式能更加突出组成分子的原子种类和个数比，比例模型则能够清晰呈现其空间结构。因此，单一模型往往只能表征对象的局部信息，多个表征模型的使用有助于学生对知识的全面认知。例如以讲解苯分子构型时，引入苯的比例模型和更易帮助学生理解苯分子体系内共扼大π键的存在。值得注意的是，化学学科跨越了宏微符三个领域，教师在教学中要更加注重实物模型、想象模型和符号模型的混和表征，引导学生认识三者的联系并能够在不同表征水平上转换，获得对知识本质的理解。

3.注重对模型发展史的介绍，以促进学生对模型方法的掌握

化学模型的演变史说明模型所表征的科学知识并非是准确无误、永恒不变的。例如在原子结构一节，教科书以道尔顿模型、汤姆孙原子模型、卢瑟福原子模型、波尔原子模型和电子云模型说明人类对原子结构的认知变化。但书中仅仅呈现出模型演变的结果，教师有必要对原子结构模型之间的变迁过程进行补充。以卢瑟福原子模型为例，教师需要重点介绍。粒子散射实验的过程和现象，同时引导学生思考该实验现象是如何证明原子结构类似于核式模型而非枣糕模型。以此促进学生对模型的理解：模型并不是知识本身，而是支持人们思考的重要工具;模型的建构和修改必须以事实为基础。教师应鼓励学生在学习中积极使用模型方法获取知识，更要为学生提供自主建构模型的机会，引导学生学会反思和修订既有模型，培养学生的证据推理和模型认知能力。

4.综合使用不同版本教科书和教学资料，以优化课堂教学

相较于之前两个版本，虽然人教版新版教科书必修模块中化学模型数量有所增加，但模型在内容和呈现上略有差异。如02年版教科书呈现了固体、液体、气体分子之间距离的比较示意图以帮助学生对“气体摩尔体积”概念的理解，而04和19年版教科书必修模块则删掉了该模型。在课堂教学中，教师则有必要借助该模型对“为什么1mol任何气体的体积相等，而固体和液体体积却存在差异”作出解释。再比如04年版和19年版教科书仅以想象和符号模型描述了NaCl溶液的导电原因，而02年版教科书还增加了灯泡实验作为实物模型，这也可以纳人实际课堂中。此外，由于教科书知识的基础性和容量的有限性，仅以书中的模型内容开展教学远远不够。因此，教师需要参考不同版本教科书，包括苏教版、鲁科版，以及其他教学资料，进一步丰富、优化课堂教学。

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