学科核心素养视域下化学模型的再认识

刘存芳　郭豫梅　吴睿　刘民利　张强　田光辉

［摘 要］“模型认知”是重要的化学学科核心素养，也是化学学习的思维方式，更是培养学生科学思维能力的工具。课程标准对模型认知的高度关注与模型使用率偏低的不平衡影响“模型认知”素养的落实。剖析模型認知与科学教育的关系，厘清对模型本体的认知，探究化学模型的概念、类型、功能、建构方法等，有助于强化学生对模型的认知和发挥模型在教学中的作用。

［关键词］学科核心素养；模型认知；化学模型

［中图分类号］    G633.8        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）08-0067-04

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》中根据化学学科核心素养对高中学生发展的具体要求，提出高中化学的课程目标，反映出化学学科育人的基本要求，并确定化学学科核心素养包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”［1］。化学学科核心素养关系着化学学科的理念、思想、观念和价值取向。许多教师对化学微粒观、变化观、平衡观等思想观念以及科学探究、证据推理等方法已通达谙练，对创新意识、科学态度、社会责任等的培养目标也能落实，唯独对模型认知还停留在表面，没能对其内涵有更精准的把握。全面理解模型认知是教师开展建模实践和模型教学的基石，是发展学生核心素养的保障。《普通高中化学课程标准（实验稿）》中“模型”一词出现了9次，2017年版出现了84次，2020年修订版也出现了84次，体现了课程标准对模型的高度关注。为了能更好地开展模型教学，本文对模型认知及化学模型进行深入剖析。

一、模型认知与科学教育

（一）模型认知在科学教育中的必要性

科学哲学观认为，模型在人们对自然世界的科学理解方面发挥着关键作用，并以各种方式支持着科学教育。因此，有必要了解科学和科学教育中的模型的特点。哲学家亨佩尔在阐述模型在科学解释中的重要性时，指出在经验科学中提供的解释性解释有时是用待解释现象的“模型”来表述的。人们已意识到在学校里以模型为基础的教学和科学的学习方法的重要性，且已有定性证据表明：基于模型的教学方法在不同学科领域和年级水平上对科学学习产生良性影响。在科学课堂上，教师用模型演示事物是如何运作的，并解释复杂的科学知识，让学生参与模型的探索、表达、建构、应用、修改等多样化的建模活动，可使学生对模型本质的理解、对建模过程的参与和在科学学习方面取得的成绩成正相关。有关模型的哲学立场和实践证明，教师应大力开展以模型为基础的教学，而清晰的模型框架和建模是关键。

（二）不同学科课程标准对模型认知的要求

模型与建模研究已成为国际科学教育的重要课题之一，许多国家的科学教育标准均强调模型与建模的作用并将其纳入学业要求中。我国最新颁布的高中课程标准把科学建模列为物理、化学、生物等多个学科核心素养中科学思维的关键要素［2］。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》提出：能运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架［3］。《普通高中数学课程标准（2017年版2020年修订）》提出：数学模型搭建了数学与外部世界联系的桥梁，是数学应用的重要形式。数学建模是应用数学解决实际问题的基本手段，也是推动数学发展的动力。学生应学会用数学模型解决实际问题，积累数学实践的经验［4］。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》提出：能够基于生物学事实和证据运用归纳与概括、演绎与推理、模型与建模、批判性思维、创造性思维等方法，探讨、阐释生命现象及规律，审视或论证生物学社会议题［5］。可见，我国最新颁布的高中课程标准以模型与建模作为发展学生学科核心素养的重要途径与方法，如何在教学中联系实际问题运用模型与建模来培养学生的理性思维、提高学生的问题解决能力、发展学生的学科核心素养是教育教学研究的热点，其前提是对模型与建模的充分认知。

二、模型本体

（一）不同学者对模型的认知

模型是科学实践的重要元素，不同的学者对模型有着不同的认知。吉尔伯特（Gilbert）等人认为模型是一个由物体或符号组成的系统，代表着另一个系统的某些方面；温斯特（Windschitl）等人认为模型是世界某些方面如何运作的表征；施瓦茨（Schwarz）等人将科学模型定义为体现部分科学理论的表征；德瑞尔（Driel）等人认为科学模型是所研究的目标事物的一种呈现方式。《美国国家科学教育标准》提出：模型是与真实物体、单一事件或一类事物对应的而且具有解释力的试探性体系或结构［6］。不同学者从不同的认知视角对模型提出了不同的定义，它们的共同之处是：模型是对其他事物的表示。

（二）模型的内涵和属性

模型所代表的东西种类繁杂、内涵丰富，包括可观察的或不可观察的物体和现象以及它们的属性和状态、自然过程、事件的顺序和世界如何运作的想法等。有学者认为，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，诸如关于客体的某种结构（整体的或部分的）、功能、属性、关系、过程等，包括物质形式的科学模型和思维形式的科学模型（也称思想模型）［7］。依据该观点，模型可分为两类：一类是对物体的外部形态或结构进行展示的物质形式的科学模型，即物质模型，这类模型乍一看是某些对象的简化或扩大版，如航天飞机模型、火山石膏模型、乙烯分子结构模型以及人体器官模型等。另一类是思维模型，是对研究对象、现象、过程、思想或它们的系统等进行分析推理、概括抽象，并用新颖的方式来表达的抽象概念和理论实体。如牛顿的万有引力定律，可看作是经过观察、实验、抽象、梳理、表达建构起来的理论模型；理想气体状态方程，可看作是理想气体状态参数p、V、T与n之间关系的一种数学模型；化学平衡移动原理，可看作是一个定性解释、说明或预测化学平衡点的理论模型，其高度抽象概括了外界条件改变时的化学平衡移动规律。这些理论模型、数学模型均属于思维模型。此外，根据表现形式的不同，模型还可以分为语言模型、符号模型、图表模型、数学模型等。

（三）模型的外延

从认识论角度看，模型是对所研究的对象、现象、过程、思想、系统的表示，表示的目标对象可以是各种实体，也可以是研究对象、现象、过程、思想、系统。从方法论角度看，模型是一种方法，是揭示事物本质特征和相互关系的一种认知表示，是认识真实世界的一种手段，也是培养学生科学思维能力的有力工具。总而言之，模型是研究者通过对所研究的对象的观察与实验，发现事实与提取信息，经过思考、联想、分析、概括、抽象建立起的对事物去冗返简、精准反映事物本质的表示。

三、化学模型

新课标强调模型认知与模型方法的应用。化学教师只有全面审视、认知、剖析、掌握和应用化学模型，才能更好地发挥其作用。

（一）化学模型的概念

化学模型是揭示物质的组成及其化学变化的本质特征和相互关系的一种认知、一种表示、一种表征，是认识化学物质及其世界的一种方法，是培养学生化学思维能力的有力工具。如原子结构示意图就是一种简洁明了的反映原子结构的化学模型。“原子是化学变化中的最小粒子”就是通过多个实验事实、多次分析推理以及剔除弱相关，概括、抽象、总结出化学变化中原子的本质特征的原子概念模型。电子跃迁、碳原子sp3杂化、C60结构，以及质量守恒定律、化学平衡移动原理等都屬于历经无数次的实验，通过分析、推理、概括、抽象等建立起来的化学模型。

（二）化学模型的类型

1.物质模型与思维模型

根据模型的表现形态来分类，化学模型可分为物质模型与思维模型。把反映物质外部形态或结构的模型归为物质模型，如根据时间轴发展建立的系列原子结构模型：道尔顿原子实心球模型、汤姆孙葡萄干面包模型、卢瑟福原子行星模型、玻尔量子化原子模型、现代电子云模型等；分子结构模型中的球棍模型和比例模型；晶体结构模型中的原子晶体模型、离子晶体模型、分子晶体模型、金属晶体模型，以及把化学能转化为电能的原电池模型、硫酸制备吸收塔模型、石油分馏塔模型等。把经过观察、实验、联想、分析、抽象、概括等思维过程建立起来的模型归为思维模型，如各种化学概念、规律与理论。概念类有化学变化、物理变化、氧化还原反应、置换反应、复分解反应、化学反应速率、化学平衡、水解反应、化学键、离子键、共价键等；规律与理论类有质量守恒定律、金属活动性顺序、酸（碱、盐）的通性、阿伏加德罗定律、元素周期律、有效碰撞原理、化学平衡移动原理等。

2.语言模型、符号模型、结构模型、图表模型和数学模型

根据模型的表征方式来分类，化学模型还可分为语言模型、符号模型、结构模型、图表模型和数学模型。语言模型是指用语言形式表征的模型，如化学变化、物理变化、氧化还原反应等概念模型，质量守恒定律、元素周期律、化学平衡移动原理等理论模型，酸（碱、盐）的通性等规律模型。符号模型即用符号表示的模型，如化学式、分子式、化学方程式、电离方程式、离子反应方程式、电极反应方程式等。结构模型是反映事物的外部形态与结构的模型，如原子结构模型、分子结构模型和反映物质结构的各类晶体结构模型。图表模型即用图表形式表征的模型，如溶解度表、金属活动性顺序表、元素周期表等，还有温度、压强、体积等外界因素对化学反应速率的影响的T（p、V）-ν图，涉及化学相关知识的思维导图、概念图等。数学模型是指对实际问题进行分析与高度抽象后建立的数学表达式，如[m溶质=m溶液×a%]、[n=m/M=V/Vm=N/NA]等。

3.概念模型、理论模型、结构模型和方法模型

根据模型的研究内容来分类，化学模型可分为概念模型、理论模型、结构模型、方法模型等。概念模型、理论模型、结构模型前面均有论述，此处不再赘述。方法模型是指化学教与学的过程中，教师与学生研究化学问题时针对某类型问题经过反复实践高度抽象概括出的解决方案或方法。在教学方法上，教师会针对不同的学生群体、不同的教学内容研究出不同的教学模式；在学习方法上，学生会通过反复实践反思提炼出一类问题的解决方法，如多题一解的“一解”就是一类问题的解决模型。这些由教师或学生建立起来的方法体系，均属于方法模型。例如“元素单质及化合物性质”教学中倡导运用实验探究式教学，该教学模式包括创设情境、提出并明确问题、提出猜想与假设、设计实验方案、进行实验研究、记录数据、分析讨论、得出结论或建立认知模型等要素。

（三）化学模型的功能

化学模型是将复杂的物质现象、过程进行高度抽象概括与简化，使原本无序、杂乱的化学相关事物有序化和系统化。遇到新事物时可用已有认知模型去评估，找出相应的模型类别，再对新事物进行描述、预测或解释说明。如学生初次接触氯气时会产生疑问：氯气是什么样的物质，有怎样的化学性质，有何用途，日常生活中常见吗？教师可先引领学生运用化学方法模型认识新物质的性质，即先根据“结构决定性质”分析氯气的结构特点，预测其可能性质；再观察、书写、描述氯原子的结构模型，并根据原子最外层电子数“少易失，多易得”的理论模型，预测氯气是一种活泼非金属；最后借鉴氧化还原反应理论模型以及依据氯原子易得电子，预测氯气有强氧化性。可见，有了模型就有据可依，解决问题就有了方向和策略，充分体现了化学模型的功能。

（四）化学模型的建构

对于不同的模型、教学内容，不同的学生以及不同的地域，教师在教学时应因人而异，因地制宜，选择适宜的模型建构方法。下面以“乙醇分子结构模型的建构”为例展示三种教学方法，即讲授演示教学法、模型探究教学法和类比探究教学法，具体如表1所示。

三种教学方法各有千秋。运用讲授演示教学法时，教师直接给出乙醇分子结构模型，让学生简单观察、识记，属于传统的“讲—听—记”教学范式。运用模型探究教学法时，教师并不直接给出乙醇分子结构模型，而是提示学生运用已有认知模型思考、讨论与交流，搭建乙醇可能的分子结构模型，进而设计实验方案，开展实验探究，最后经过计算、分析、推理来确定乙醇的分子结构。整个教学过程中，教师引导学生体验多种学习活动，自主建构模型，体现了自主、合作、探究等以学生为主体的学习方式，注重学生证据推理、模型认知、科学探究、创新意识、宏观辨识、微观探析、科学态度等化学学科核心素养的培养。运用类比探究教学法时，教师根据教学内容之间的相似性或同类性，引导学生类比探究，迁移应用已有的认知模型，化陌生抽象为熟悉具体，激发学习的主动性。这三种教学方法各有优点，但模型探究教学法更能体现学生的主体地位，更注重学生化学学科核心素养的培养。化学模型建构是一门艺术，充满了创造性，只要是有利于学生知识技能获得、学习活动过程体验、情感态度价值观形成、核心素养发展的，均可灵活选用。

（五）模型认知的作用

模型既是化学学科的重要知识内容，也是培养学生化学思维能力的重要工具。“模型认知”是化学学科的重要素养，是一种运用模型方法研究和学习化学的重要思维方法，是学科核心素养的思维特征。模型认知的重心是“认知”，即借用“模型”这一方式方法认知化学学科相关内容。“模型认知”是在已有认知模型的基础上经过感知、记忆、思考、判断、推理等逻辑思维活动形成对化学物质及现象的新認知，并用语言、图表、结构或数学方法抽象概括描述出来形成对化学物质及现象的新认知模型的过程。新的认知模型可再用于沟通、预测、解释、说明新的物质及现象，进而建构更新的认知模型。在“模型认知”思维模式下学习，学生的化学学科素养会随着其知识水平的提高螺旋式递增。

四、结束语

发展学生学科核心素养，落实立德树人，是我国教育的基本任务，作为自然科学之一的化学学科是主要阵地。化学教学应围绕发展学生化学学科核心素养展开，其中包括对认知模型的建构、演绎和实践，进而落实“模型认知”素养，更好地发挥模型认知在教学中的作用。

［   参   考   文   献   ］

［1］［3］  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社， 2020.

［2］  张静，郭玉英.从模型进阶到思维发展：物理建模教学设计与实践［J］.课程·教材·教法，2020（2）：113-118.

［4］  中华人民共和国教育部.普通高中数学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［5］  中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［6］  （美）国家研究理事会.美国国家科学教育标准［M］.载守志，金庆和，梁静敏，译.北京：科学技术文献出版社，1999.

［7］  孙小礼，韩增禄，傅杰青.科学方法：上册［M］.北京：知识出版社，1990.

（责任编辑 罗 艳）