化學(xué)模型認(rèn)知的內(nèi)涵和教學(xué)實(shí)踐

陳廷俊

摘要：學(xué)生化學(xué)模型認(rèn)知能力的培養(yǎng)，要求教師認(rèn)真研究化學(xué)模型認(rèn)知的內(nèi)涵以及化學(xué)模型認(rèn)知與證據(jù)推理的關(guān)系，準(zhǔn)確把握化學(xué)模型要素與表征化學(xué)問題的內(nèi)在聯(lián)系、適用范圍和科學(xué)局限性，深刻理解其在化學(xué)發(fā)展中的作用、功能與價值?；瘜W(xué)教學(xué)要恰當(dāng)選擇化學(xué)模型來表征學(xué)習(xí)內(nèi)容，正確運(yùn)用化學(xué)模型解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，科學(xué)評價化學(xué)模型的使用條件和適用范圍，積極建構(gòu)學(xué)習(xí)與研究化學(xué)問題的認(rèn)知模型。

關(guān)鍵詞：化學(xué)模型認(rèn)知;證據(jù)推理;化學(xué)鍵

中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9094（2019）06A-0068-04

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》強(qiáng)調(diào)學(xué)生要認(rèn)識實(shí)驗(yàn)、假說、模型、比較、分類等方法在化學(xué)研究中的運(yùn)用，在高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”[1]強(qiáng)調(diào)化學(xué)核心素養(yǎng)的關(guān)鍵是發(fā)展學(xué)生的認(rèn)知能力?；瘜W(xué)教學(xué)很重要的任務(wù)就是培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)模型認(rèn)知能力，幫助學(xué)生認(rèn)識化學(xué)模型與“原型”的關(guān)系，理解化學(xué)模型的本質(zhì)及其在化學(xué)發(fā)展過程中的作用，運(yùn)用化學(xué)模型解釋化學(xué)現(xiàn)象并揭示其本質(zhì)規(guī)律，建構(gòu)學(xué)習(xí)與解決化學(xué)問題的認(rèn)知模型。

一、化學(xué)模型認(rèn)知的內(nèi)涵詮釋

1.化學(xué)模型認(rèn)知的內(nèi)涵

認(rèn)知是指人們獲取知識、應(yīng)用知識和加工知識的過程，是人類最基本的心理活動。它包括感覺、知覺、記憶、思維、想象和語言等。認(rèn)知能力是人腦加工、存儲和提取信息的能力，通常指觀察能力、記憶能力、想象能力、理解能力和概括能力等?；瘜W(xué)模型認(rèn)知一方面指對物質(zhì)模型和理論模型的認(rèn)知，即通過模型認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，形成對化學(xué)問題的形象化、系統(tǒng)化認(rèn)識，并通過探尋證據(jù)來優(yōu)化模型;另一方面指通過分析、抽象和概括等方法建構(gòu)認(rèn)知模型，形成學(xué)習(xí)和解決不同化學(xué)問題的系統(tǒng)思維方法。化學(xué)模型認(rèn)知能力由低到高的素養(yǎng)水平[2]參見表1。

2.化學(xué)模型認(rèn)知與證據(jù)推理

化學(xué)模型是在對化學(xué)實(shí)際問題科學(xué)分析的基礎(chǔ)上，用化學(xué)語言或數(shù)理邏輯方法對問題進(jìn)行抽象、簡化、概括，抓住其本質(zhì)特征，略去非本質(zhì)特征，從化學(xué)視角來反映或近似地反映實(shí)際問題所得出的關(guān)于實(shí)際問題的描述或者模擬。模型認(rèn)知是基于原型的某些現(xiàn)象、特征、性質(zhì)、規(guī)律等的抽象與概括，是通過大量事實(shí)證據(jù)推理得出的，其目的是通過模型來描述化學(xué)研究對象、解釋化學(xué)現(xiàn)象、揭示化學(xué)本質(zhì)規(guī)律，并預(yù)測其可能結(jié)果。

證據(jù)推理是對所得到的證據(jù)通過溯因、類比、演繹、歸納等方法，是從已知去推理未知的一種邏輯思維過程。這就要求用于推理的證據(jù)必須真實(shí)有效，證據(jù)可以是直接從自然現(xiàn)象、生活經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)中得到的，也可以是來源于化學(xué)史實(shí)、學(xué)術(shù)成果、權(quán)威文獻(xiàn)的間接證據(jù)。證據(jù)推理包括對證據(jù)的“證實(shí)”和“證偽”兩個方面，證實(shí)是以化學(xué)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)事實(shí)為依據(jù)證明物質(zhì)結(jié)構(gòu)與化學(xué)原理等是正確的，而證偽是通過新的證據(jù)來證明其存在問題或錯誤。證實(shí)和證偽作為一種重要的推理方法，證實(shí)可以證明理論的確定性，而證偽則能揭示理論的不確定性，這也恰恰是科學(xué)猜測和假說得以證明并不斷發(fā)展的動力。

二、化學(xué)模型認(rèn)知的教學(xué)實(shí)踐

1.恰當(dāng)匹配化學(xué)模型來表征學(xué)習(xí)內(nèi)容

化學(xué)模型可以分為物理模型、概念模型、數(shù)學(xué)模型和模擬模型等。物理模型是以實(shí)物、模型圖或儀器裝置圖形式直觀地表達(dá)認(rèn)識對象的特征，包括原子模型、分子模型（球棍模型與比例模型）、晶體模型、實(shí)驗(yàn)裝置圖、化工設(shè)備模型等。概念模型是指以圖示、文字等組成的流程圖形式對事物的規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行描述與闡明，既能揭示化學(xué)的本質(zhì)特征，又直觀形象，包括化學(xué)符號模型、邏輯結(jié)構(gòu)圖、概念圖等。數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)符號、式子、程序、圖表等對化學(xué)本質(zhì)屬性進(jìn)行定量抽象和刻畫，包括數(shù)學(xué)方程、函數(shù)圖表等。模擬模型是指運(yùn)用計算機(jī)程序?qū)ξ镔|(zhì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)原理等進(jìn)行生動形象的動畫模擬。

化學(xué)模型是對化學(xué)物質(zhì)及其本質(zhì)特征的高度抽象與概括，讓化學(xué)知識的呈現(xiàn)方式更加直觀化、具體化。它和原型之間具有相似的形態(tài)、相像的結(jié)構(gòu)、相近的功能，有效地闡述了原型的特點(diǎn)和內(nèi)在各因素間的相互關(guān)系。教師要根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容選擇合適的化學(xué)模型，指導(dǎo)學(xué)生對原型進(jìn)行說明和解釋，明確化學(xué)物質(zhì)或理論與化學(xué)模型之間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學(xué)生厘清研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，促進(jìn)學(xué)生對抽象的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)概念、化學(xué)理論和化學(xué)反應(yīng)過程的理解和應(yīng)用。如，學(xué)習(xí)氯化鈉的結(jié)構(gòu)，必修階段選擇原子結(jié)構(gòu)示意圖等來幫助學(xué)生理解其形成過程和本質(zhì)特點(diǎn)，選修階段則需要借助氯化鈉的晶體模型來幫助學(xué)生認(rèn)識其空間結(jié)構(gòu)，而如果想讓學(xué)生更清晰地理解粒子在空間的排列情況，運(yùn)用計算機(jī)模擬模型則效果更好。如何選擇化學(xué)模型進(jìn)行教學(xué)，一方面要根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)要求，另一方面要結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知水平和教學(xué)實(shí)際，教師可以提供氯化鈉模型讓學(xué)生分析，也可以指導(dǎo)學(xué)生搭建氯化鈉的晶體模型，最重要的是幫助他們學(xué)會恰當(dāng)匹配模型來認(rèn)識物質(zhì)的方法。

2.正確運(yùn)用化學(xué)模型解釋物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

化學(xué)學(xué)科與其他自然科學(xué)的本質(zhì)區(qū)別就是從微觀的視角來解釋宏觀物質(zhì)及其現(xiàn)象，并準(zhǔn)確運(yùn)用化學(xué)符號進(jìn)行表征。任何一種化學(xué)物質(zhì)所表現(xiàn)出的性質(zhì)與變化規(guī)律都是由其特定結(jié)構(gòu)決定的，即結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。結(jié)構(gòu)化學(xué)中的模型，具有代表性的有經(jīng)典化學(xué)結(jié)構(gòu)模型、化學(xué)鍵的電子理論模型、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化學(xué)理論模型[3]。經(jīng)典化學(xué)結(jié)構(gòu)模型比較直觀地反映了分子或晶體內(nèi)部粒子的空間分布與相互作用，它對物質(zhì)的價鍵結(jié)構(gòu)、共軛分子、立體化學(xué)、配位理論和金屬密堆積方式等進(jìn)行了描述和解釋?；瘜W(xué)鍵的電子理論模型客觀地反映了原子或分子中電子的行為，共價鍵（配位鍵）和離子鍵從電子層次上很好地解釋了原子形成化學(xué)鍵的本質(zhì)。

這些理論模型的提出和發(fā)展是因?yàn)殡S著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識不斷深入，原有理論模型無法解釋現(xiàn)實(shí)問題。了解結(jié)構(gòu)化學(xué)中的模型發(fā)展脈絡(luò)，我們就能正確運(yùn)用這些模型來解釋物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與變化。如，開始學(xué)習(xí)甲烷、乙烯、乙炔時，可以通過讓學(xué)生搭建球棍模型和展示比例模型來幫助學(xué)生理解其原子在空間的分布和原子間成鍵情況，書寫其電子式。顯然，這種模型認(rèn)知是運(yùn)用經(jīng)典化學(xué)結(jié)構(gòu)模型和化學(xué)鍵電子理論模型來解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)的，只能粗略表示原子間成鍵的情況，無法準(zhǔn)確解釋真實(shí)分子結(jié)構(gòu)中原子的成鍵情況。當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)了雜化軌道理論以后，就可以運(yùn)用雜化軌道理論來解釋甲烷、乙烯、乙炔的分子結(jié)構(gòu)。學(xué)生在分析鍵長、鍵角、鍵能等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，揭示碳原子雜化方式、碳原子成鍵類型，深入理解甲烷、乙烯、乙炔結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，從而能科學(xué)預(yù)測烷烴、烯烴、炔烴的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。經(jīng)過這樣的模型認(rèn)知發(fā)展，學(xué)生不僅理解了結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，而且還知道化學(xué)模型是為了解釋客觀事實(shí)而提出的，隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，化學(xué)模型將不斷得到修正和完善。

3.科學(xué)評價化學(xué)模型的使用條件和適用范圍

化學(xué)模型是一種假說或理論，是特定歷史階段基于實(shí)驗(yàn)事實(shí)提出的，但并不等于客觀物質(zhì)的本質(zhì)。人們對事物的認(rèn)識過程通常是由簡到繁、由表及里、由淺入深、循序漸進(jìn)的。每一種化學(xué)模型都是在特定歷史條件和發(fā)展階段提出來的，它必將隨著科學(xué)發(fā)展和社會進(jìn)步而不斷發(fā)展并日臻完善。因此，我們在使用化學(xué)模型時，一定要科學(xué)評價化學(xué)模型提出的背景、化學(xué)模型解釋的對象、化學(xué)模型的使用條件和適用范圍。要站在化學(xué)模型提出的歷史年代來評價其對科學(xué)發(fā)展的價值與意義，而不能簡單運(yùn)用現(xiàn)在的理論去否定它們對化學(xué)形成與發(fā)展的重大貢獻(xiàn)，更不能混淆化學(xué)模型的使用條件和適用范圍。

“如果改變影響化學(xué)平衡的一個條件（如濃度、壓強(qiáng)、溫度等），平衡就會向著減弱這種改變的方向移動?！边@是大家非常熟悉的勒夏特列原理，它是從化學(xué)熱力學(xué)角度研究反應(yīng)條件對化學(xué)平衡的影響，而不是定量研究化學(xué)平衡建立的方程，對化學(xué)反應(yīng)速率的快慢也不進(jìn)行討論。明確它的使用條件和適用范圍，我們就可以準(zhǔn)確判斷改變維持化學(xué)平衡條件時平衡移動的方向。對于可逆反應(yīng)N2+3H22NH3，正反應(yīng)是氣體體積減小、放熱的化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)勒夏特列原理討論合成氨的條件，降低溫度、增大壓強(qiáng)可以提高平衡時混合物中氨氣的含量，及時分離生成的氨也有利于氨的生成;但是工業(yè)生產(chǎn)不可能只討論反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的趨勢，必須綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益。再結(jié)合化學(xué)動力學(xué)理論，升高溫度、增大壓強(qiáng)、使用催化劑都可以加快合成氨的化學(xué)反應(yīng)速率。這樣，對于我國目前工業(yè)生產(chǎn)通常選擇鐵觸媒作為催化劑、500℃、20MPa～50MPa，就需要綜合兩種理論模型進(jìn)行分析，使用催化劑、升高溫度、加壓都可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，500℃時鐵觸媒活性最大，20MPa～50MPa是考慮動力材料設(shè)備影響，從而指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)合成氨工業(yè)生產(chǎn)條件的認(rèn)知模型。

4.積極建構(gòu)學(xué)習(xí)與研究化學(xué)問題的認(rèn)知模型

化學(xué)模型認(rèn)知能力要求學(xué)生不僅能認(rèn)識模型、運(yùn)用模型、評價模型，而且要求學(xué)生能夠建構(gòu)客觀反映物質(zhì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)概念與原理等化學(xué)模型或?qū)W習(xí)與解決化學(xué)問題的認(rèn)知模型?；瘜W(xué)認(rèn)知模型是某一具體化學(xué)問題在學(xué)生思維中的映射圖或是映像，是學(xué)生在對化學(xué)問題具有一定感性認(rèn)識基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析、比較、抽象、概括、想象等復(fù)雜思維加工而建構(gòu)的。它折射出的是化學(xué)思維的具體過程和方法。建構(gòu)化學(xué)認(rèn)知思維模型的過程就是尋找解決問題的實(shí)踐路徑，實(shí)現(xiàn)核心知識、問題解決和思維模式的有機(jī)整合，使學(xué)生思維模式結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、深刻化。

SO2作為一種酸性氧化物，可以通過類比CO2來學(xué)習(xí)，但是由于+4價硫的特殊性，SO2又表現(xiàn)出還原性和氧化性。此外，SO2還具有漂白性、毒性，空氣中的SO2會形成酸雨而造成環(huán)境污染。諸多內(nèi)容相互交織，容易給學(xué)生學(xué)習(xí)造成困難。教師要通過分析教材內(nèi)容，梳理出化學(xué)核心素養(yǎng)線——“宏觀辨識→微觀探析→變化觀念→科學(xué)探究→證據(jù)推理→社會價值”，化學(xué)知識線——“酸性氧化物→氧化性、還原性、特性→轉(zhuǎn)化關(guān)系→實(shí)驗(yàn)探究→原理解釋→硫酸工業(yè)”。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律及元素化合物學(xué)習(xí)方法，幫助學(xué)生建構(gòu)SO2的認(rèn)知思維線——“物質(zhì)類別與元素價態(tài)→物質(zhì)性質(zhì)→化學(xué)反應(yīng)→實(shí)驗(yàn)探究→原理解釋→社會價值”。教學(xué)時重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生從物質(zhì)類別和硫元素的化合價來學(xué)習(xí)SO2的化學(xué)性質(zhì)，通過酸性氧化物能和堿性氧化物、水、堿等發(fā)生反應(yīng)，元素中間價態(tài)形成的化合物既有氧化性又有還原性，讓學(xué)生提出假設(shè)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究與證據(jù)推理，加深對氧化還原規(guī)律的理解應(yīng)用。同時，將硫酸工業(yè)導(dǎo)致酸雨的產(chǎn)生，“鈣基固硫法”防治SO2污染（SO2→CaSO3→CaSO4）等進(jìn)行巧妙整合，不僅實(shí)現(xiàn)SO2知識的組織化與結(jié)構(gòu)化，而且讓學(xué)生能夠?qū)εc化學(xué)相關(guān)的社會熱點(diǎn)問題做出正確的價值判斷，凸顯知識的應(yīng)用價值，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神與社會責(zé)任，從而幫助學(xué)生建構(gòu)SO2的認(rèn)知模型。

三、化學(xué)模型認(rèn)知的教學(xué)反思

1.客觀認(rèn)識化學(xué)模型在化學(xué)發(fā)展中的作用

化學(xué)模型在化學(xué)發(fā)展過程中發(fā)揮了非常重要的作用?；瘜W(xué)家通過科學(xué)假設(shè)建構(gòu)模型來解釋化學(xué)現(xiàn)象、概念和理論，既揭示了化學(xué)的本質(zhì)規(guī)律，也幫助人們深刻理解化學(xué)知識。從化學(xué)發(fā)展歷程來看，化學(xué)就是不斷提出假設(shè)建構(gòu)模型，運(yùn)用模型解釋事實(shí)，完善和發(fā)展模型，審視和修正模型的過程。隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)原有化學(xué)模型與客觀事實(shí)發(fā)生矛盾沖突時，化學(xué)家將重新審視化學(xué)模型，探究其與客觀事實(shí)不符的關(guān)鍵因素，分析原有化學(xué)模型的局限性和存在問題。通過不斷審視與修正，如果仍然無法解釋客觀事實(shí)，化學(xué)家會在分析原有模型存在問題的基礎(chǔ)上，尋找證據(jù)來否定原有化學(xué)模型，并重新建構(gòu)化學(xué)模型來解釋客觀事實(shí)。也許在今天來看，原有化學(xué)模型非常簡單，甚至存在某些缺陷，但是從化學(xué)整個發(fā)展歷程來看，它為化學(xué)的形成與發(fā)展奠定了基石，提供了非常重要的研究樣本，指引著化學(xué)研究的方向。

2.有效提升教師化學(xué)模型認(rèn)知教學(xué)能力

如何培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)模型認(rèn)知能力？首先取決于教師的化學(xué)模型認(rèn)知能力。教師對化學(xué)模型的功能、價值認(rèn)識是否客觀準(zhǔn)確，對化學(xué)模型在化學(xué)發(fā)展中的作用和演變是否清晰，這些都直接影響著教師教學(xué)時對模型的選擇與匹配、運(yùn)用與評價，也制約著教師能否引導(dǎo)學(xué)生像化學(xué)家那樣去思考研究問題。其次，教師必須了解化學(xué)模型建立、發(fā)展的過程，適用的條件和范圍，存在的問題和需要進(jìn)一步完善的方面，準(zhǔn)確把握化學(xué)知識的科學(xué)本質(zhì)。再次，教師必須能夠準(zhǔn)確診斷學(xué)生對已有化學(xué)模型的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)、能力水平、存在問題，并據(jù)此確定化學(xué)模型認(rèn)知能力培養(yǎng)目標(biāo)和解決策略。這樣，教師就能夠有效整合教學(xué)資源，設(shè)計問題情境，指導(dǎo)學(xué)生從不同視角、不同方式選擇匹配的化學(xué)模型來認(rèn)識和理解化學(xué)知識，厘清化學(xué)知識的思維脈絡(luò)，實(shí)現(xiàn)知識的結(jié)構(gòu)化與系統(tǒng)化。

化學(xué)教學(xué)中學(xué)生模型認(rèn)知能力的培養(yǎng)，需要教師認(rèn)真研究《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中模型認(rèn)知與證據(jù)推理的素養(yǎng)發(fā)展的四級水平，系統(tǒng)梳理中學(xué)化學(xué)模型，準(zhǔn)確把握化學(xué)模型要素與表征化學(xué)問題間的內(nèi)在聯(lián)系、適用范圍和科學(xué)局限性，深刻理解其功能與價值，將模型選擇與匹配、解釋和運(yùn)用、建構(gòu)與演變妥帖地嵌入化學(xué)教學(xué)。教師指導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)化學(xué)認(rèn)知模型，要考慮化學(xué)知識的特點(diǎn)、學(xué)生的知識經(jīng)驗(yàn)、思維水平和能力發(fā)展差異，盡可能構(gòu)建與不同知識模塊學(xué)習(xí)問題相匹配的認(rèn)知模型，將化學(xué)知識由點(diǎn)到線、由線到面、由面到體，實(shí)現(xiàn)知識表征的多維、立體和豐富，從而幫助學(xué)生結(jié)構(gòu)化地分析、理解和運(yùn)用化學(xué)知識，提升學(xué)生的思維品質(zhì)和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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責(zé)任編輯：趙赟