發(fā)展學(xué)生建模能力的教學(xué)案例研究

劉雅麗 濮江 周青

摘要： 模型和建模是國(guó)際科學(xué)教育的主要內(nèi)容，發(fā)展學(xué)生建模能力是我國(guó)新一輪課程標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的重要組成部分。通過(guò)分析優(yōu)質(zhì)復(fù)習(xí)課“再探金屬的活動(dòng)性順序”探究如何提高學(xué)生的建模能力。在教學(xué)中，以真實(shí)情境為背景、以科學(xué)探究為方法，以模型建構(gòu)為過(guò)程，將真實(shí)情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生建模能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 建模能力; 模型建構(gòu); 科學(xué)探究; 真實(shí)情境; 教學(xué)研究

文章編號(hào)： 10056629（2019）9003905? ? ? ? ? ? 中圖分類號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

模型與建模是科學(xué)發(fā)展和科學(xué)教育的重要元素，也是學(xué)習(xí)科學(xué)必不可少的認(rèn)知與能力，模型認(rèn)知和建模能力體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)的要求，是科學(xué)教育的重要目標(biāo)[1， 2]。我國(guó)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也首次提出“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，在模型建構(gòu)能力方面要求學(xué)生能對(duì)復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析并建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決化學(xué)問題[3]?？梢娊Ｄ芰κ菍W(xué)習(xí)自然科學(xué)的核心能力，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力之一[4]。然而，目前高中化學(xué)教學(xué)中對(duì)于發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知和建模能力的意識(shí)相對(duì)薄弱[5]。在中學(xué)的教科書中，關(guān)于模型建構(gòu)、模型運(yùn)用的比重相對(duì)較低，學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生難以發(fā)展以模型為主的認(rèn)知習(xí)慣，僅僅是解釋相關(guān)概念，缺乏真正建構(gòu)模型和運(yùn)用模型的技能[6， 7]。那么，如何培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知和建模能力呢？

本文通過(guò)分析全國(guó)第二次初中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課大賽中“再探金屬的活動(dòng)性順序（復(fù)習(xí)課）”，該課例通過(guò)科學(xué)探究解決實(shí)際問題來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，將模型建構(gòu)和模型應(yīng)用落到實(shí)處，可為學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂上的落地提供教學(xué)參考。

1? 模型和建模能力

模型是對(duì)物體、事件、想法或現(xiàn)象的認(rèn)知和表征，不同的表征方式達(dá)到不同的功能和目的，是聯(lián)系學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)思維的中介產(chǎn)物。模型可以簡(jiǎn)化所表征的事物或使事物抽象化，實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的描述、解釋和預(yù)測(cè)[8]。在自然科學(xué)研究中，客觀對(duì)象不能直接研究時(shí)，在一定的觀察、實(shí)驗(yàn)和對(duì)所獲得的科學(xué)事實(shí)初步概括之后，利用想象、抽象、類比等方法建構(gòu)一個(gè)簡(jiǎn)化且集中反映客體本質(zhì)關(guān)系的模型，并通過(guò)模型揭示原型客體的形態(tài)、本質(zhì)和特征?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”思維方法是由化學(xué)研究對(duì)象的特殊性所決定的?；瘜W(xué)模型是以一種以觀念形態(tài)描述原型的特征、性質(zhì)、規(guī)律的抽象概念或理論模型，例如分子、原子模型，理想氣體模型，以及本文中提及的金屬活動(dòng)性順序模型，是描述對(duì)化學(xué)規(guī)律的認(rèn)知過(guò)程的模型。建模能力是指把握客觀事物特征、運(yùn)用已有概念域中的相關(guān)概念建構(gòu)心智模型并通過(guò)操作性活動(dòng)解決問題的能力，其可分為內(nèi)隱的心智行為能力和外顯的科學(xué)探究能力，體現(xiàn)在模型建構(gòu)的歷程中[9]。內(nèi)隱的認(rèn)知和心理過(guò)程無(wú)法直接表現(xiàn)，可以用外顯的、可操作的科學(xué)探究過(guò)程發(fā)展建模能力。

2? 建模歷程

建模即模型的建構(gòu)，張志康等[10]認(rèn)為建模是模型產(chǎn)生的一個(gè)歷程，將建模歷程分為六個(gè)部分（見表1），可推進(jìn)對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。學(xué)生在建模的歷程中逐漸提高建模能力。

3? 優(yōu)秀教學(xué)案例分析

利用對(duì)金屬的活動(dòng)性順序的復(fù)習(xí)將學(xué)生已經(jīng)形成的心智模型通過(guò)科學(xué)模型的建構(gòu)歷程轉(zhuǎn)換成科學(xué)模型。通過(guò)科學(xué)探究活動(dòng)解決鈀在金屬活動(dòng)性順序中的位置、分辨未知金屬、合理處理實(shí)驗(yàn)廢液等實(shí)際問題，在此過(guò)程中完成學(xué)生對(duì)金屬活動(dòng)性順序模型（即對(duì)金屬活動(dòng)性順序規(guī)律和系列金屬反應(yīng)的認(rèn)知和表征）的建構(gòu)和應(yīng)用，將真實(shí)情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，為培養(yǎng)和提高學(xué)生建模能力提供抓手。整個(gè)教學(xué)過(guò)程分為四個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)，分別是（1）模型選擇： 金屬活動(dòng)性順序重排;（2）模型建立和效化： 確定鈀在金屬活動(dòng)性順序中的位置;（3）模型應(yīng)用： 利用金屬活動(dòng)性順序模型確定未知金屬;（4）模型調(diào)適和重建： 運(yùn)用金屬活動(dòng)性順序模型合理處理氯化鈀廢液。

3.1? 學(xué)習(xí)任務(wù)一模型選擇： 金屬活動(dòng)性順序重排

模型選擇是指從熟悉的模型中選擇一個(gè)合適的模型解決問題。本節(jié)課為復(fù)習(xí)課，學(xué)生對(duì)金屬活動(dòng)性順序已經(jīng)具有一定的理解，形成了心智模型。課程的第一部分復(fù)習(xí)金屬活動(dòng)性順序相關(guān)知識(shí)，以自制工藝品情境導(dǎo)入（實(shí)質(zhì)為鐵和硫酸銅的反應(yīng)）。通過(guò)將順序錯(cuò)亂的金屬按照正確的金屬活動(dòng)性順序重新排列來(lái)鞏固已學(xué)知識(shí)，學(xué)生從自己已有的認(rèn)知中選擇正確的金屬活動(dòng)性順序模型，掌握正確的金屬活動(dòng)性順序，并可以借助金屬活動(dòng)性順序模型解釋金屬反應(yīng)的相關(guān)規(guī)律。教師引導(dǎo)學(xué)生指出還未解決的疑惑，提出證據(jù)推理和模型建構(gòu)的思想，用金屬活動(dòng)性順序模型解決實(shí)際問題，見圖1。

3.2? 學(xué)習(xí)任務(wù)二模型建立和效化： 確定鈀在金屬活動(dòng)性順序中的位置

模型建立是確定所選模型的相關(guān)成分與結(jié)構(gòu)，從而建立個(gè)人解決問題的初步模型;模型效化是對(duì)模型的不斷修正?！皩W(xué)習(xí)任務(wù)二”利用科學(xué)探究的方法建立關(guān)于金屬活動(dòng)性順序的科學(xué)模型，分析模型的具體內(nèi)容和模型的結(jié)構(gòu)，用已有對(duì)模型的理解做出解釋和預(yù)測(cè)，基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析有效證據(jù)并得出結(jié)論。教師引導(dǎo)學(xué)生討論模型表示的具體含義，確認(rèn)模型中各相關(guān)部分的關(guān)系和結(jié)構(gòu)，對(duì)模型的相關(guān)部分進(jìn)行評(píng)估、檢驗(yàn)和效化，確定模型的內(nèi)部一致性和外部適用性，通過(guò)完整的科學(xué)探究活動(dòng)深化學(xué)生對(duì)模型建構(gòu)歷程的認(rèn)識(shí)，見圖2。

3.3? 學(xué)習(xí)任務(wù)三模型應(yīng)用： 利用金屬活動(dòng)性順序模型確定未知金屬

模型應(yīng)用是利用已效化的模型解決相似情境的問題，證實(shí)模型的適切性。在學(xué)生完成模型建構(gòu)之后，教師給出具有相似情境的問題： 利用金屬活動(dòng)性順序模型確定教師給出的未知金屬，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“學(xué)習(xí)任務(wù)二”中建構(gòu)的解決問題的科學(xué)模型解決相似情境的問題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究收集數(shù)據(jù)并推理出科學(xué)的結(jié)論，以此判斷學(xué)生構(gòu)建的模型的穩(wěn)定性和學(xué)生對(duì)模型的應(yīng)用能力，合理利用金屬活動(dòng)性順序模型解釋相似情境的問題，證實(shí)模型解決實(shí)際問題的效果。同時(shí)，進(jìn)一步確定模型的適用性，見圖3。

3.4? 學(xué)習(xí)任務(wù)四模型調(diào)適和重建： 運(yùn)用金屬活動(dòng)性順序模型合理處理氯化鈀廢液

模型調(diào)適是使用此模型解決新情境下的問題，評(píng)估模型的適用度。課程的最后一項(xiàng)任務(wù)是對(duì)前面所學(xué)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。通過(guò)學(xué)習(xí)建模的歷程解決新情境問題需要學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決之前實(shí)驗(yàn)探究中遺留的實(shí)際問題，以此培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知能力。學(xué)生依據(jù)實(shí)際問題中各類物質(zhì)的不同特征，尋找方法和證據(jù)分析建構(gòu)相應(yīng)的模型，在解決新情境問題的過(guò)程中對(duì)已經(jīng)認(rèn)識(shí)的模型進(jìn)行調(diào)適和遷移。同時(shí)，在教師創(chuàng)設(shè)的科學(xué)探究問題的解決過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的觀念。在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)中，學(xué)生將該模型進(jìn)行修正、強(qiáng)化、延伸結(jié)構(gòu)和功能，使建模變成持續(xù)循環(huán)的過(guò)程（見圖4）。

4? 教學(xué)策略與建議

4.1? 以真實(shí)情境為背景，注重學(xué)生建構(gòu)科學(xué)模型解決實(shí)際問題

科學(xué)模型的建構(gòu)需要以事實(shí)為依據(jù)。教師在教學(xué)設(shè)計(jì)中以真實(shí)情境“‘銀樹變‘紅樹”導(dǎo)入課程，并且在教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在真實(shí)情境下利用建構(gòu)關(guān)于金屬活動(dòng)性順序的科學(xué)模型解決了“確定金屬鈀在金屬活動(dòng)性順序的位置”“利用金屬活動(dòng)性順序確定未知金屬”“回收氯化鈀廢液”三個(gè)實(shí)際問題。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程注重從學(xué)生已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，在熟悉的生活情境和社會(huì)實(shí)踐情境中構(gòu)建相應(yīng)的科學(xué)模型，發(fā)展學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。真實(shí)、具體的問題情境是學(xué)生形成和發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要平臺(tái)，為培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供真實(shí)的表現(xiàn)機(jī)會(huì)。用真實(shí)情境導(dǎo)入實(shí)際問題、用化學(xué)知識(shí)和方法構(gòu)建科學(xué)模型解決實(shí)際問題，從而提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

4.2? 以模型建構(gòu)為過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知能力

模型認(rèn)知能力的高低是學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的關(guān)鍵因素。教學(xué)設(shè)計(jì)中教師通過(guò)探究鈀在金屬活動(dòng)性順序中的位置的過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)解決問題的認(rèn)知模型。知識(shí)是由學(xué)生主動(dòng)認(rèn)知并建構(gòu)的，教師提供了恰當(dāng)?shù)那榫澈筒煌瑢哟?、不同階段的實(shí)際問題幫助學(xué)生組織、整合知識(shí)，利用已有的認(rèn)知構(gòu)建新的模型。知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程和模型的建構(gòu)過(guò)程是相輔相成的，建構(gòu)模型的過(guò)程可以幫助學(xué)生整合知識(shí)，合理組織學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從化學(xué)思維方式的視角學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力。

4.3? 以科學(xué)探究為方法，促進(jìn)學(xué)生對(duì)構(gòu)建模型和應(yīng)用模型的理解

外顯的、可操作的科學(xué)探究可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)模型和模型建構(gòu)的理解。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，共有兩次有意義的科學(xué)探究活動(dòng)，分別是“確定鈀在金屬活動(dòng)性順序中的位置”和“利用金屬活動(dòng)性順序確定未知金屬”。提升學(xué)生對(duì)科學(xué)探究的理解可以促進(jìn)學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)構(gòu)建模型和應(yīng)用模型的意義。科學(xué)探究過(guò)程中要注重學(xué)生對(duì)科學(xué)探究活動(dòng)的親身體驗(yàn)，注重提出問題、做出猜想和假設(shè)的重要性，注重依據(jù)事實(shí)進(jìn)行判斷并檢驗(yàn)猜想和假設(shè)的正確性?？茖W(xué)探究是通過(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察等多種手段對(duì)證據(jù)進(jìn)行收集、推理和判斷，最終得出結(jié)論的完整的具有嚴(yán)謹(jǐn)邏輯性的過(guò)程，在過(guò)程中需要學(xué)生體驗(yàn)、設(shè)疑、思考、總結(jié)、判斷和反思，并完整地完成模型建構(gòu)和模型應(yīng)用的過(guò)程，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)構(gòu)建模型和應(yīng)用模型的理解。

4.4? 將真實(shí)情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，發(fā)展學(xué)生建模能力

發(fā)展具有內(nèi)隱和外顯兩種特征的建模能力已成為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要任務(wù)，通過(guò)真實(shí)情境的設(shè)置發(fā)展外顯的科學(xué)探究能力解決生活生產(chǎn)中的實(shí)際問題成為準(zhǔn)確把握建模能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將真實(shí)情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合解決實(shí)際問題，真正實(shí)現(xiàn)了教學(xué)情境的真實(shí)性、研究體系的條理性、實(shí)驗(yàn)過(guò)程的探究性、教學(xué)內(nèi)容的綜合性、學(xué)生思考過(guò)程的創(chuàng)新性等目標(biāo)。在真實(shí)情境問題的解決過(guò)程中，利用科學(xué)探究的手段引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有知識(shí)建構(gòu)模型并應(yīng)用模型的教學(xué)設(shè)計(jì)思路貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中將日常心智模型通過(guò)科學(xué)模型的建構(gòu)歷程轉(zhuǎn)換成科學(xué)模型，發(fā)展自身的建模能力（見圖5）。

由此可見，在整個(gè)學(xué)習(xí)（復(fù)習(xí)）過(guò)程中，以真實(shí)情境為背景，以科學(xué)探究為方法，以模型建構(gòu)為過(guò)程，將真實(shí)情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，真實(shí)反映了學(xué)生的科學(xué)建模過(guò)程，發(fā)展了學(xué)生的建模能力，提高了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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