談化學(xué)科核心素養(yǎng)的“認(rèn)知模型”和“‘模型認(rèn)知’過程”

郝向英 劉平 吳燕妮

摘要：“模型認(rèn)知”是一種科學(xué)的思維方法，既是化學(xué)科核心素養(yǎng)，也是高中數(shù)學(xué)、物理和生物的核心素養(yǎng)之一，建構(gòu)和應(yīng)用模型的方法在學(xué)習(xí)、工作和科研中作用重大、應(yīng)用廣泛。本文就化學(xué)科知識中的“認(rèn)知模型”和“‘模型認(rèn)知的過程”進行了分析，以便化學(xué)教師和化學(xué)師范生在教學(xué)設(shè)計和教學(xué)過程中能更好地落實“模型認(rèn)知”這一“化學(xué)科核心素養(yǎng)”。

關(guān)鍵詞：模型;化學(xué);模型分類;核心素養(yǎng);認(rèn)知過程;二維圖

模型在《新華字典》中是指按實物比例和結(jié)構(gòu)制成的物品，如飛機模型、轎車模型;又稱為“模子”（鑄造或壓制物品用的型器）、模板或模具。從廣義上講，如果一件事物能隨著另一件事物的改變而改變，那么此事物就是另一件事物的模型。

“模型認(rèn)知”是一種科學(xué)的思維方法，既是“化學(xué)科核心素養(yǎng)”，也是高中數(shù)學(xué)、物理和生物的核心素養(yǎng)之一，建構(gòu)和應(yīng)用模型的方法在學(xué)習(xí)、工作和科研中作用重大、應(yīng)用廣泛。所以，化學(xué)教師及化學(xué)師范生認(rèn)識、理解和應(yīng)用“模型”十分重要。

模型可分為形式模型、思維模型和操作模型。本文以與化學(xué)科相關(guān)度較高的幾種模型，就化學(xué)教師和師范生認(rèn)識模型、理解模型、應(yīng)用模型和建構(gòu)模型談一些看法與建議，一些與化學(xué)科聯(lián)系少一些的模型本文暫不討論。

一、認(rèn)識模型

要培養(yǎng)學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，教師首先就要認(rèn)識與化學(xué)科相關(guān)的各種模型。

1.形式模型

形式模型是用形式化方法構(gòu)建出來的模型，分為實體模型、虛擬模型、物質(zhì)關(guān)系模型和組織結(jié)構(gòu)模型。其中，虛擬模型與組織結(jié)構(gòu)模型本文暫不討論。

（1）實體模型：指我們在生產(chǎn)生活和教育科研中實際存在的、具有一定體積和重量的物理形態(tài)和按一定比例放大或縮小的物件?？梢苑譃閷嶒炑b置模型、工業(yè)設(shè)備模型和分子原子模型。

①實驗裝置模型：典型實驗裝置就是一種能演變出多種構(gòu)形相似、功能相近的變形裝置的模型。如：初中化學(xué)的“固+固加熱反應(yīng)裝置”“固+液反應(yīng)裝置”，高中的“氣體吸收裝置”，由它們可以演變出多種變形裝置。這種變形裝置的原型就是“模型”。

②工業(yè)設(shè)備模型：如教學(xué)中使用的煉鐵高爐模型，宣傳用的污水處理廠和換流閥水冷設(shè)備等，這些把大型工業(yè)設(shè)備縮小做成便于觀察的道具就是“工業(yè)設(shè)備模型”。

③分子、原子模型：分子模型可以是球棍式、比例式模型。

（2）物質(zhì)關(guān)系模型：在化學(xué)中主要指物質(zhì)性質(zhì)關(guān)系（如思維導(dǎo)圖）或轉(zhuǎn)化關(guān)系圖和“素‘價——類圖”。

本文把原子、分子歸類為實體模型是因為現(xiàn)代隧道顯微鏡已能拍攝出原子、分子的圖象，通過實驗已證實了電子、原子核、電子分層排布的事實。而電子云、原子軌道和分子軌道是薛定諤方程計算的結(jié)果，這里把它們歸為理論模型。

2.思維模型

思維模型分為數(shù)學(xué)模型、理論模型和推理模型。

（1）數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型分為公式模型、方程模型、算法模型和曲線模型。

理科類的各種公式就是數(shù)學(xué)模型的一種，這些公式往往可以推論出其他變形公式。例如：初中化學(xué)的溶解度公式：S=m（溶質(zhì)）gm（溶劑）g×100g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式：溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=m（溶質(zhì)）m（溶劑）×100%;高中化學(xué)有關(guān)物質(zhì)的量公式n=NNA、n=mM、Vm=Vn、CB=nBV，化學(xué)反應(yīng)速率公式v=ΔcΔt，平衡常數(shù)K的計算公式（略）等;大學(xué)《結(jié)構(gòu)化學(xué)》中的一維薛定諤方程：-22μ2Ψ（x，t）x2+U（x，t）ψ（x，t）=iψ（x，t）t，三維薛定諤方程：-22μ（2Ψx2+2Ψy2+2Ψz2）+U（x，y，z）ψ=iψ（x，t）t，定態(tài)薛定諤方程：-22μ2ψ+Uψ=Eψ等都是。

各種化學(xué)方程式，尤其是離子反應(yīng)方程式，代表的是一類反應(yīng)，說它是一種模型也不為過。在計算機課程中，對某種問題處理的算法模型，化學(xué)中的溶解度曲線、中和滴定曲線（可推理出各種氧化還原滴定曲線）、能量變化曲線、速率平衡曲線也是曲線模型。

（2）理論模型：化學(xué)中有著各種各樣的理論模型，如原子分子論、元素周期表與元素周期律、化學(xué)平衡理論、電解質(zhì)及電離理論、電化學(xué)理論等，都屬于理論模型。

而理論模型的建立通常是運用了推理模型。推理須遵循的基本邏輯是思維的基本形式之一，它是由一個或幾個已知的判斷（前提）推出新判斷（結(jié)論）的過程。推理表現(xiàn)形式有直接推理、間接推理等，推理模型（或模式）分為歸納推理、演繹推理和類比推理。

①歸納推理：是一種由個別到一般的推理。由一定程度的關(guān)于個別事物的觀點過渡到范圍較大的觀點，由特殊具體的事例推導(dǎo)出一般原理、原則的解釋方法。例如人教版初中化學(xué)：由白磷、紅磷在鐵片上加熱及白磷在熱水中通入空氣的實驗總結(jié)出燃燒的條件;由紅磷在密封錐形瓶中燃燒前后稱重實驗，鐵釘與硫酸銅溶液置換實驗，在用氣球封閉試管中鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)的實驗總結(jié)出質(zhì)量守恒定律等，都是歸納推理的典型范例。

②演繹推理：就是由一般到特殊的推理方法，與“歸納法”相對。包括三段論、假言推理和選言推理等。歐幾里德幾何方法公理到定理、再到證明，牛頓力學(xué)和愛因斯坦的相對論都是演繹推理的范例。在教育工作中，依據(jù)一定的科學(xué)原理設(shè)計和進行教育與教學(xué)實驗等，均離不開此法。演繹推理的最典型、最重要的應(yīng)用，通常存在于邏輯判斷和數(shù)學(xué)證明中。

在中學(xué)化學(xué)中，原子分子論在進行假設(shè)后推論出其他原子分子的共性和持性，再實驗驗證;化學(xué)計算類的演算和理論模型的推演。例如應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)計算式計算某具體反應(yīng)特定條件下的速率和平衡常數(shù);由水溶液中電解質(zhì)的電離理論推演出具體電解質(zhì)溶液的電離度、電離常數(shù)或溶液酸堿度等，都是屬于演繹推理。

③類比推理：類比推理亦稱“類推”，是推理的一種形式。根據(jù)兩個對象在某些屬性上相同或相似，通過比較而推斷出它們在其他屬性上也相同的推理過程。它是從觀察個別現(xiàn)象開始，因丙種事物間某些屬性相似而進行的歸納推理。但它又不是由特殊到一般，而是由特殊到特殊，因而又不同于歸納推理。分完全類推和不完全類推兩種形式。完全類推是兩個或兩類事物在進行比較的方面完全相同時的類推;不完全類推是兩個或兩類事物在進行比較的方面不完全相同時的類推。

3.操作模型

典型規(guī)范的操作方法或步驟就是操作模型。在化學(xué)教學(xué)中的實驗基本操作、典型實驗規(guī)范操作步驟或流程、典型計算步驟和教學(xué)模式，都是操作模型。例如：實驗室蒸餾裝置和氯氣的制取裝置的安裝、制取和拆卸的規(guī)范步驟，工業(yè)生產(chǎn)流程（如自來水生產(chǎn)流程），化學(xué)計算要求表達的計算步驟都是。教學(xué)策略中的教學(xué)模式，如“自學(xué)點撥式”、“激疑探究式”、“點撥反饋式”、洋思中學(xué)的“先學(xué)后教”、杜郎口中學(xué)的“10+35”等，都是教學(xué)實操模型。

二、不同知識“模型認(rèn)知”的方式和過程

學(xué)生思維發(fā)展必須符合科學(xué)知識和思維發(fā)展的規(guī)律，不同知識塊在引導(dǎo)學(xué)生思維發(fā)展過程中，模型認(rèn)知的方式和過程也略有不同。教師要了解這些思維過程的不同點，恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用在教學(xué)之中。

1.實驗?zāi)Ｐ偷慕?gòu)和應(yīng)用

實驗?zāi)Ｐ偷慕?gòu)和應(yīng)用經(jīng)過了具體問題、分析問題、構(gòu)建模型、理解模型和應(yīng)用模型幾個環(huán)節(jié)，思維逐步深入，能力要求也不斷提高。由知識表征過渡到行為表征，最后形成抽象表征。

2.物質(zhì)關(guān)系模型的建構(gòu)和應(yīng)用

物質(zhì)關(guān)系模型可以是轉(zhuǎn)換關(guān)系圖和二維價類圖，它的建構(gòu)運用了由特殊到一般的歸納推理過程。先選定具體物質(zhì)，再通過發(fā)散聯(lián)想鈉的各種化合物，用箭頭將含該元素的單質(zhì)和各種化合物聯(lián)系起來，或在價類二維坐標(biāo)中定點寫出和連接，從而建構(gòu)出物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系模型。

3.理論模型的建構(gòu)和應(yīng)用

理論模型的構(gòu)建通常用到的是歸納推理、演繹推理和類比推理，不同的推理方法其二維表征的過程是不盡相同的。

（1）歸納推理：以歸納推理方式建構(gòu)理論模型及應(yīng)用的過程見圖1（以質(zhì)量守恒定律為例）。

它是由特殊到一般的推理過程。還有如質(zhì)量守恒定律、燃燒的條件、氧化還原反應(yīng)、金屬活動順序等都是。

（2）演繹推理：以演繹推理方式建構(gòu)理論模型及應(yīng)用過程見圖2（以原子理論模型為例）。

它是由特殊到一般的推理過程。象原子分子論、酸堿電離理論、物質(zhì)的量及相關(guān)的計算公式等用的是從一般到特殊的演繹推理。

（3）類比推理：以類比推理方式建構(gòu)理論模型及應(yīng)用過程見圖3（以勒沙特原理例）。

類比推理是尋找一個新事物與另一舊事物的共性，類推出新事物的屬性或得出結(jié)論的過程。如酸和堿的通性、同主族元素的周期性、相似物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、相似相容原理等用到的是類比推理。在某些歸納推理和演繹推理過程中，也可能用到類比推理。

（4）其他模型：限于文章篇幅，以下幾類模型不再畫出二維圖，只展示它們的思維過程。

①公式模型：測量數(shù)據(jù)→發(fā)現(xiàn)規(guī)律→建立公式→發(fā)現(xiàn)誤差→修正建立公式模型。

例：平衡時各物質(zhì)濃度→濃度商是定值→平衡常數(shù)公式→與方程系數(shù)有關(guān)→平衡常數(shù)公式。

②方程模型：具體方程式→一類方程→發(fā)現(xiàn)規(guī)律→方程模型→應(yīng)用。

例：鹽酸與燒堿反應(yīng)→酸堿反應(yīng)→只有H+與OH-反應(yīng)→離子方程式→離子方程式書寫。

③曲線模型：具體反應(yīng)→實驗數(shù)據(jù)→坐標(biāo)描點→曲線模型→推廣應(yīng)用。

例：酸堿中和反應(yīng)→pH數(shù)據(jù)→坐標(biāo)描點→中和滴定曲線→氧化還原曲線。

④典型計算步驟模型：計算原理→計算各步驟→重復(fù)練習(xí)→計算步驟模式。

⑤教學(xué)模式：教學(xué)方法→教學(xué)步驟→關(guān)鍵步驟→教學(xué)模式→應(yīng)用推廣。

只有理解了模型，才能應(yīng)用模型，直至在更高的層次上創(chuàng)造新的模型。在化學(xué)教學(xué)中一些簡答題，如用化學(xué)平衡原理解釋合成氨的條件選擇、用溶度積和沉淀溶解平衡原理解釋沉淀的溶解與轉(zhuǎn)化、用雜化驗軌道或價層電子互拆理論解釋分子的性質(zhì)或空間結(jié)構(gòu)等，教師要求學(xué)生抓住關(guān)鍵詞先表達什么、再表達什么，也是一種模型認(rèn)知，即特定內(nèi)容的“語言表達模型”;處理問題思維方式、人才能力維度和一些學(xué)習(xí)方式也是模型，如“是非原則模型”“艾森豪威爾矩陣模型”“認(rèn)知扭曲原理模型”“肯定式探詢模型”“雙重回路學(xué)習(xí)模型”“個人能力模型”等。所以化學(xué)核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”非常重要，需要我們廣大化學(xué)教師認(rèn)識、發(fā)現(xiàn)、體會并運用到教學(xué)中，使學(xué)生通過“學(xué)科知識→學(xué)科方法→思維方法”認(rèn)知過程具有模型認(rèn)知的意識和能力。

參考文獻：

[1]顧明遠.教育大辭典[M].上海：上海教育出版社，1998.

[2]林崇德.心理學(xué)大辭典[M].上海：上海教育出版社，2003.

[3]周建秋.促進學(xué)生模型思維能力發(fā)展的“學(xué)習(xí)進階”[J].現(xiàn)代中小學(xué)教育，2018，（4）：54-57.

[4]陸軍.化學(xué)教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生模型認(rèn)知的思考與探索[J].化學(xué)教學(xué)，2017，（9）.

[6]王磊，郭曉麗等.元素化合物認(rèn)模型及其中復(fù)教學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教育，2015，（5）.

責(zé)任編輯錢昭君