基于科學(xué)建模的化學(xué)教學(xué)設(shè)計

傅永超 王祖浩

摘要：通過探討模型和建模在科學(xué)教育領(lǐng)域的重要作用和內(nèi)涵，分析化學(xué)課堂建模教學(xué)的四個不同階段：建構(gòu)模型、使用模型、評估模型和修改模型。選取化學(xué)學(xué)科中“燃燒的條件”為例，設(shè)計科學(xué)建模環(huán)境下的教學(xué)案例，并將建?；顒迂灤┯谡n堂始終，不僅提高學(xué)生的參與度，還將“燃燒的條件”這一抽象的概念可視化，增強了學(xué)生對“燃燒現(xiàn)象”本質(zhì)的認識，進而提升科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)建模;燃燒的條件;教學(xué)設(shè)計;共識模型

模型（Model）和建模（Modeling）在科學(xué)教育中發(fā)揮著重要作用，并逐漸成為國內(nèi)外科學(xué)教育研究的一項重要領(lǐng)域。用模型和建模的方法來學(xué)習科學(xué)，可以簡化和理想化地再現(xiàn)原型與研究目的有關(guān)的各種基本因素和基本聯(lián)系，并略去次要的、非本質(zhì)的細節(jié);可以充分發(fā)揮想象、抽象和推理能力，構(gòu)建一個理想的認識工具;還能突破語言要素的限制，獲得整體映象[1]。

《普通高中課程標準（2017年版）》中，在科學(xué)類學(xué)科（物理、化學(xué)、生物）的學(xué)科核心素養(yǎng)部分，均提到了“模型”“建?！薄翱茖W(xué)思維”等關(guān)鍵詞，旨在引領(lǐng)學(xué)生將通過建模來學(xué)習科學(xué)并固化為自己學(xué)習科學(xué)的一種重要方式。以化學(xué)學(xué)科為例，“證據(jù)推理與模型認知”素養(yǎng)強調(diào)通過分析、推理等方法認識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律[2]。美國在2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標準》中，以科學(xué)實踐為主要指導(dǎo)理念，強調(diào)科學(xué)探究向科學(xué)實踐的合理轉(zhuǎn)變，提出一項新的實踐內(nèi)容：開發(fā)和使用模型。該標準將其作為科學(xué)和工程學(xué)實踐的核心要素之一，并對K-12年級學(xué)生需要達到的水平作了具體描述[3]。

由此可見，運用模型和建模的方法來學(xué)習科學(xué)，已經(jīng)在目前國內(nèi)外的科學(xué)教育界達成了一種共識。科學(xué)建模教學(xué)就是要指導(dǎo)學(xué)生利用模型建構(gòu)來促進學(xué)習，幫助學(xué)生樹立模型意識，并通過建模來體會解決問題時的快樂和成就感，進而提升科學(xué)素養(yǎng)。

1 科學(xué)模型和建模

1.1 科學(xué)模型

模型一詞最早來源于拉丁文“Modulus”，原意為樣本、尺寸、標準。《辭?！分袑δＰ徒o出了下面的定義：（1）按實物比例和結(jié)構(gòu)制成的物品：飛機模型/模型轎車;（2）又稱“模子”，鑄造或壓制物品用的型器。這個定義主要強調(diào)了模型的復(fù)制作用。趙萍萍等[4]在查閱《教育大辭典》、高中生物學(xué)教科書以及美國《國家科學(xué)教育標準》后，總結(jié)模型定義中的核心內(nèi)容是：模型是事物的表征，且這些事物除了具體的實物之外，還包括觀點、概念、事件、過程和系統(tǒng)等。與之相同觀點的還有張發(fā)新[5]，他指出模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認識對象所作的一種簡化的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。以上兩種定義，都表達了“模型是一種表征”的觀點，這種表征不是簡單的復(fù)制，而是為了達到特定目標，用一種“媒介”的方式對事物做出特別的、更簡化的描述，以方便觀察理解。

王德勝教授[6]提出模型作為表征需滿足下列三個條件：（1）模型與原型具有相似的關(guān)系，這種相似關(guān)系應(yīng)被明晰地表達和精確地規(guī)定在模型中;（2）模型在科學(xué)研究過程中是原型的代替者，是研究原型的間接手段;（3）對模型的研究能夠得到關(guān)于原型的信息。這三個條件也是模型應(yīng)具有的三個性質(zhì)。他還提出，模型可以分為物質(zhì)模型和思想模型兩大類，其中，按照思想模型與原型相似的程度和直觀性的大小，還可以將其劃分為形象模型、符號模型、形象符號混合模型、數(shù)學(xué)模型等。由于化學(xué)研究的主要對象是分子，以及分子的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和相互轉(zhuǎn)化，所以必須利用一定的思想模型來把握分子的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和變化的規(guī)律。

1.2 科學(xué)建模

建立和使用模型的過程是科學(xué)家日常工作實踐的核心?？茖W(xué)家通過模型進行思考和推理，可以對他們正在研究的抽象過程和實體進行可視化，為他們提供解釋并對其進行預(yù)測，其主要遵循建構(gòu)、使用、評估和修改的流程（如表1所示）。例如，在對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索過程中，科學(xué)家先后建立了道爾頓實心球模型、湯姆生葡萄干蛋糕模型、盧瑟福行星繞日模型、玻爾模型和現(xiàn)代模型（電子云模型）等。

建?；顒幽軌驗閷W(xué)生提供了解科學(xué)探究的機會，學(xué)生參與建模實踐可以更加深入地理解科學(xué)中的關(guān)鍵模型，幫助他們理解科學(xué)知識的本質(zhì)。

本文討論的科學(xué)建模，不僅僅是在腦海中建構(gòu)抽象的模型，理解一個公式/方程式的含義，而是更偏重于對科學(xué)現(xiàn)象的解釋和預(yù)測，需要用畫圖等方式將抽象機制、原理進行可視化，以達到理解科學(xué)本質(zhì)的目的。用這種方式進行的科學(xué)建模活動，才有可能讓學(xué)生真正參與到課堂實踐中來。

2 科學(xué)建模教學(xué)

科學(xué)建模教學(xué)需要遵循表1的四個步驟，指導(dǎo)學(xué)生一步步地進行實踐活動，最終建構(gòu)能夠解決問題、對科學(xué)現(xiàn)象能進行合理解釋和預(yù)測的正確模型。

在“建構(gòu)模型”階段，教師需要充分考慮學(xué)生已有的生活經(jīng)驗、與該領(lǐng)域相關(guān)的科學(xué)知識以及提供適當?shù)闹С纸５淖C據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生畫出自己心目中對科學(xué)現(xiàn)象的理解，其中包括涉及的物質(zhì)和相關(guān)機制、原理，完成對初始模型的建構(gòu)。

在“使用模型”階段，學(xué)生需要用自己建構(gòu)的初始模型，嘗試對目標現(xiàn)象進行解釋。通過學(xué)生對模型中存在的問題進行討論，建模者分析模型中存在的問題，給予適當?shù)慕忉?，并嘗試修改或重構(gòu)模型。

在“評估模型”階段，由教師進行引導(dǎo)，在觀察每位學(xué)生建模結(jié)果的基礎(chǔ)上，從模型的清晰度、完整性、與證據(jù)的一致性、解釋科學(xué)現(xiàn)象的合理性等方面對模型進行評價，并在適當?shù)臅r候提供新證據(jù)，以支持學(xué)生的建?；顒?。

在“修改模型”階段，學(xué)生根據(jù)要求對模型進行修改。修改完成后，再次對科學(xué)現(xiàn)象進行解釋和預(yù)測，經(jīng)教師統(tǒng)一指導(dǎo)后，達成班級共識模型。

3 “燃燒的條件”教學(xué)案例

“燃燒的條件”課例選自九年級《化學(xué)》教科書上冊（人教版）第七單元“燃燒及其利用”。以下從教學(xué)目標和教學(xué)過程兩方面介紹科學(xué)建模環(huán)境下的化學(xué)教學(xué)。

3.1 教學(xué)目標

（1） 認識燃燒的條件，知道滅火的基本原理。

（2） 了解科學(xué)建模活動的一般方法，學(xué)習運用科學(xué)建模的方法對燃燒現(xiàn)象進行表征，并能對事實進行分析和解釋。

（3） 利用所建構(gòu)的模型解決生活問題，使學(xué)生對化學(xué)保持強烈的好奇心和探究欲。培養(yǎng)模型建構(gòu)的意識，初步形成使用建模來學(xué)習化學(xué)知識的思維模式。

3.2 設(shè)計思路

科學(xué)建模是學(xué)生學(xué)習科學(xué)知識、增強對科學(xué)本質(zhì)理解的重要活動方式。通過回憶生活以及化學(xué)課堂演示實驗中的燃燒現(xiàn)象，建立對燃燒現(xiàn)象的一般認識，據(jù)此建立初始模型。在嘗試對戰(zhàn)艦“歐羅巴”號被大火吞噬之謎進行解釋后，學(xué)生對其中存在的問題進行討論，得出燃燒的前兩個條件——可燃物和溫度達到著火點;學(xué)生修改自己的初始模型后，再次對燃燒現(xiàn)象進行解釋;接著，教師繼續(xù)提供實驗證據(jù)支持學(xué)生建模，提出燃燒需要的第三個條件——氧氣。至此，達成“燃燒現(xiàn)象”的班級共識模型，展示燃燒發(fā)生背后的原理，并根據(jù)這個模型，對新現(xiàn)象、新問題進行解釋和預(yù)測。

3.3 教學(xué)過程

[情景導(dǎo)入]1854年5月30日，英國戰(zhàn)艦“歐羅巴”號按照作戰(zhàn)命令開始遠涉重洋的航行，船艙里結(jié)結(jié)實實地裝滿了供戰(zhàn)馬吃的草料。2個多月后，船艙突然冒出熊熊大火，大火迅速吞沒了整艘戰(zhàn)艦，片刻之間戰(zhàn)艦便葬身海底，全艦官兵、戰(zhàn)馬無一生還。同學(xué)們知道為什么好好的戰(zhàn)艦會葬身火海嗎？今天就讓我們一起走進燃燒，從化學(xué)的角度認識燃燒、探索燃燒的條件。

[知識回顧]蠟燭的燃燒、煙花爆竹的燃燒、煤氣的燃燒等等，這些現(xiàn)象在我們生活中十分普遍，為我們所熟知。在之前的學(xué)習中，我們也學(xué)習了鐵絲、鎂條、木炭等物質(zhì)的燃燒，同學(xué)們能回憶它們?nèi)紵龝r的現(xiàn)象嗎？將結(jié)果填入表2，并總結(jié)出物質(zhì)燃燒時的一般特征。

特征：燃燒是一種發(fā)光、放熱的化學(xué)反應(yīng)。

[初次建模]科學(xué)建模是我們學(xué)習科學(xué)知識、掌握科學(xué)原理的重要手段。同學(xué)們已經(jīng)對燃燒這一現(xiàn)象及其特征有了一定的了解，能不能用科學(xué)建模的手段——畫圖法，將你們所理解的物質(zhì)燃燒現(xiàn)象表征出來，需要包括上述提到的各個要素。

[小組討論]同學(xué)們建構(gòu)的初始模型中（見圖1），包含了火焰、發(fā)光、放熱等要素，但是這些多集中于燃燒的表面現(xiàn)象。用這一模型能否對戰(zhàn)艦“歐羅巴”號被大火吞噬的現(xiàn)象進行解釋呢？如果不能，請同學(xué)們小組討論，嘗試對模型中的要素進行補充，并對燃燒現(xiàn)象背后的機制和原理進行更加深入的探討。

討論1：好端端的戰(zhàn)艦不會無緣無故自己燒起來：發(fā)光、放出熱量，這就好比放在教室里的白紙不會自燃一樣。

討論2：可能是戰(zhàn)艦上的某樣?xùn)|西先著火的，比如草料或者木板，進而引發(fā)整艘戰(zhàn)艦的覆滅。

討論3：戰(zhàn)艦上有些東西是不會著火的，比如窗玻璃、磚塊、石頭等，它們不會引發(fā)大火。

討論4：是什么原因?qū)е聭?zhàn)艦上的東西著火呢？

[教師講解]同學(xué)們已經(jīng)在慢慢接近燃燒背后的真相了。首先，草料、木板是同學(xué)們率先懷疑的對象，因為在大家的生活經(jīng)驗中，都看到過草料和木頭的燃燒，且這兩者都是“比較容易”燒起來的;而玻璃、磚塊等則不能燃燒。我們把可以燃燒的物質(zhì)叫做可燃物，可燃物是燃燒的首要條件。

其次，與教室里的白紙一樣，戰(zhàn)艦上的草料也不會發(fā)生自燃，這背后一定是有原因的。大家知道古人是怎么得到火的嗎？——鉆木取火。其原理主要是通過摩擦生熱使木棍燃燒從而得到火的?！澳Σ辽鸁帷贝砹藴囟鹊纳撸簿褪钦f，常溫下的木棍不會燃燒，只有當?shù)竭_一定的溫度時，木棍才會燃燒起來。我們把可燃物開始燃燒所需的最低溫度叫做著火點。之所以會認為草料和木頭“比較容易”就能燒起來，是因為這兩者的著火點相對較低，不同物質(zhì)的著火點也都是不一樣的。

[修改模型]下面請同學(xué)們嘗試將可燃物、著火點這兩個要素添加到自己的模型中（見圖2），并嘗試對戰(zhàn)艦“歐羅巴”號被大火吞噬的現(xiàn)象進行解釋。

在戰(zhàn)艦上，草料就是可燃物。一開始，常溫狀態(tài)下的草料并沒有燃燒，是因為它的溫度在著火點以下;這之后，戰(zhàn)艦在海上航行了兩個月，可能有士兵不小心引燃了草料，其溫度達到了著火點，引發(fā)大火;也有可能到了夏季，氣溫升高，達到了草料的著火點。

[實驗]查閱資料可知，草料的著火點一般在130～250℃，氣溫則到不了這個高度;如果是人為原因的話，一般也能夠及時發(fā)現(xiàn)撲滅火災(zāi)。因此，可能有其他因素在這里起著關(guān)鍵的作用。下面我們一起觀察實驗（見圖3），分析產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象，看看燃燒還需要具備什么條件。

（1） 在500mL的燒杯中注入300mL熱水（溫度大于40℃），并放入用硬紙圈圈住的一小塊白磷。在燒杯上蓋一片薄銅片，銅片上一端放一小堆干燥的紅磷，另一端放一小塊已用濾紙吸去表面水分的白磷（如圖3Ⅰ），觀察現(xiàn)象。（已知著火點：白磷40℃、紅磷260℃）

（2） 用導(dǎo)管對準燒杯中的白磷，通入少量氧氣（或空氣）（如圖3Ⅱ），觀察現(xiàn)象。

討論1：實驗中銅片上的白磷燃燒而紅磷不燃燒，是因為溫度達到了白磷的著火點，引發(fā)白磷自燃。

討論2：放入熱水中的白磷一開始沒有燃燒，通入氧氣后自燃，說明燃燒需要有氧氣。

起初，在熱水下的白磷，滿足了可燃物和達到著火點兩個條件，燃燒現(xiàn)象并沒有發(fā)生，直到通入氧氣才發(fā)生燃燒。因此，可以得出結(jié)論：燃燒需要在有氧氣的情況下才能發(fā)生。

至此，我們找到了燃燒所需要的三個條件，缺一不可（見圖4）。只要達到條件，燃燒就能發(fā)生，即使是在意想不到的情況下。

戰(zhàn)艦上的草料堆得結(jié)結(jié)實實，草料會和空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，這樣的氧化反應(yīng)很慢，不像燃燒那樣劇烈地發(fā)光發(fā)熱，叫緩慢氧化。物質(zhì)在緩慢氧化反應(yīng)過程也產(chǎn)生熱，不過放熱很慢，察覺不出來。草料太多太實，空氣不流通，產(chǎn)生的熱不易散發(fā)，越積越多，溫度上升達到了草料的著火點。這時，燃燒的三個條件已經(jīng)滿足，所以草料不經(jīng)點燃就自行燃燒起來。

[完善模型]請同學(xué)們根據(jù)燃燒需要的三個條件，對模型進行修改完善（見圖5），并作出相應(yīng)的解釋說明。

在燃燒現(xiàn)象產(chǎn)生的背后，需要同時滿足3個條件。首先，發(fā)生燃燒的物質(zhì)必須是可燃物，否則燃燒不能發(fā)生;其次，可燃物存在的地方一定要有氧氣;其三，一定要有“外力”作用在可燃物上，使其溫度升高至著火點，這個“外力”是燃燒發(fā)生的“導(dǎo)火索”，任何能使可燃物溫度升高的方法都包含在其中。

[預(yù)測現(xiàn)象]通過建立“燃燒現(xiàn)象”的科學(xué)模型，請同學(xué)們使用模型來思考以下幾個問題：

（1） 如果不往煤爐里添煤，爐火還能繼續(xù)燃燒嗎？為什么？

（2） 爐門關(guān)得嚴嚴的，一點氣也不通，爐火還能繼續(xù)燃燒嗎？為什么？

（3） 如果把爐里正在燃燒的煤夾出來，煤還能繼續(xù)燃燒嗎？為什么？

[解釋原因]下列滅火的實例，請分析其滅火的原因：

（1） 炒菜時油鍋里的油著火，可用鍋蓋蓋滅或放入較多的蔬菜。

（2） 堆放雜物的紙箱著火時，可用水澆滅。

（3） 撲滅森林火災(zāi)的方法之一，是將大火蔓延路徑前的一片森林砍掉，形成隔離帶。

燃燒需要同時滿足3個條件，只要破壞其中一個條件（移除模型中的可燃物、氧氣或使可燃物溫度達到著火點的導(dǎo)火索），燃燒就不能發(fā)生。

4 結(jié)語

本課例很好地體現(xiàn)了科學(xué)建模的思想，并將科學(xué)建模活動貫穿于課堂始終。首先，學(xué)生可以構(gòu)建一個初始模型，畫出一幅包含火焰、發(fā)光、放熱的圖像;然后，嘗試著使用模型去解釋戰(zhàn)艦燃燒之謎，當發(fā)現(xiàn)某些地方用現(xiàn)有模型無法進行解釋時，則應(yīng)該去研究產(chǎn)生燃燒所需的其他條件;接著，學(xué)生在試圖弄清楚應(yīng)該在圖片中添加哪些內(nèi)容時，會產(chǎn)生一些問題和想法。這些“數(shù)據(jù)”將被用作支持/拒絕模型方面的證據(jù)，可以幫助學(xué)生對模型進行改進，包括需要有可燃物、溫度要達到著火點、燃燒需要有氧氣等;最終，經(jīng)教師的統(tǒng)一指導(dǎo)，修改形成班級共識模型，并使用這個模型來解釋、預(yù)測新現(xiàn)象。

通過建構(gòu)、使用、評估、修改模型的過程，不僅提高了學(xué)生的參與度，還將“燃燒的條件”這一抽象的概念可視化，增強了學(xué)生對“燃燒現(xiàn)象”本質(zhì)的認識，并能夠利用建立的認知模型解釋、預(yù)測新現(xiàn)象和新問題，進而提升科學(xué)素養(yǎng)。

參考文獻：

[1][6]王德勝. 化學(xué)方法論[M]. 杭州：浙江教育出版社，2007：128～133.

[2]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標準（2017年版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018：4.

[3]National Research Council （NRC）. A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas [S]. Washington，D.C.：The National Academies Press，2012：56～59.

[4]趙萍萍等. 科學(xué)教育中模型定義及其分類研究述評[J]. 教育學(xué)報，2015，（1）：46～53.

[5]張發(fā)新. 利用模型建構(gòu)促進學(xué)生化學(xué)學(xué)習[J]. 化學(xué)教學(xué)，2017，（5）：24～28.

[7]Rosria S. Justi，Gilbert J.. Modelling，teachers views on the nature of modelling，and implications for the education of modellers [J]. International Journal of Science Education，2002，24（4）：369～387.

[8]Anhalt，Cynthia O. and Ricardo Cortez. Developing Understanding of Mathematical Modeling in Secondary Teacher Preparation [J]. Journal of Mathematics Teacher Education，2016，19（6）：523～545.