關(guān)注模型建構(gòu) 發(fā)展模型認(rèn)知

鄒國(guó)華 童文昭 楊梓生

摘要： 新課程以發(fā)展核心素養(yǎng)為理念，“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的組成之一。研究高中新舊必修教材中模型的類(lèi)型、功能及表征，統(tǒng)計(jì)、分析其共性與差異，為新課程的教學(xué)提供建議。

關(guān)鍵詞： 教材; 模型; 模型認(rèn)知; 比較研究

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）03-0024-05

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

化學(xué)課程要以發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨，要構(gòu)建全面發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的高中化學(xué)課程目標(biāo)體系，對(duì)于教材的編寫(xiě)，新課標(biāo)提出了“依據(jù)化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，以發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)為主旨”等五個(gè)方面的編寫(xiě)原則[1]。教材編寫(xiě)圍繞核心概念，建構(gòu)認(rèn)識(shí)模型，外顯思維過(guò)程和方法，有利于彰顯核心知識(shí)的素養(yǎng)化發(fā)展價(jià)值，促進(jìn)知識(shí)向能力和素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化[2]。新課標(biāo)將“模型認(rèn)知”確定為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，但教育界對(duì)模型的概念還眾說(shuō)紛紜，其核心要素為： 模型是人們?yōu)榱诉_(dá)到對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行解釋、認(rèn)識(shí)或研究等特定目的，對(duì)目標(biāo)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的、直觀的、定性的或定量的、文字的或圖形的描述[3]。目前，我省包括龍巖在內(nèi)的五地市（約占全省50%人口）使用魯科版化學(xué)教材，以下將圍繞魯科版高中化學(xué)新舊必修教材中的模型展開(kāi)研究。

1? 研究對(duì)象與意義

研究選取高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)必修教科書(shū)（魯科版，必修1、必修2）[4，5]與2019年版高中化學(xué)必修教科書(shū)（魯科版，必修第一冊(cè)、必修第二冊(cè)）[6，7]為文本，以四本教材正文、各欄目（課后習(xí)題和附錄均非課堂主要教學(xué)內(nèi)容，因此研究對(duì)象不含“練習(xí)與活動(dòng)”“本章自我評(píng)價(jià)”中的習(xí)題與“附錄”內(nèi)容）中的模型為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)兩版教材中各類(lèi)模型數(shù)量、功能及表征情況，并進(jìn)行增減、替換等比較研究，分析研究結(jié)果，為新課程實(shí)施提供參考。本研究對(duì)模型的分類(lèi)、功能及表征的概念界定如下。

1.1? 模型的分類(lèi)

模型有多種分類(lèi)方式[8～13]，目前尚未形成一致的認(rèn)識(shí)。劉豫東經(jīng)文獻(xiàn)研究，綜合前人的分類(lèi)后，提出以顯現(xiàn)形式將模型分為物質(zhì)模型、符號(hào)模型和思想模型[14]，此分類(lèi)方法能將教材中絕大多數(shù)模型納入研究范圍，本研究借鑒此分類(lèi)法，并繼續(xù)細(xì)化為三類(lèi)九組（見(jiàn)表1）。

1.2? 模型的功能

周赟[15]梳理已有研究成果，認(rèn)為模型具有描述、解釋、預(yù)測(cè)、系統(tǒng)化功能，本研究亦將從此四方面分析教材中模型的功能，其具體涵義為：

描述功能，是利用模型對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、變化過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單化、可視化的表征，如晶胞模型、元素符號(hào)等都具有描述功能;解釋功能，是利用模型解釋現(xiàn)象與本質(zhì)的關(guān)系，將觀點(diǎn)、證據(jù)和結(jié)論建立起關(guān)聯(lián)，形成具有科學(xué)邏輯的說(shuō)明，如離子方程式能解釋反應(yīng)現(xiàn)象;預(yù)測(cè)功能，是利用模型對(duì)物質(zhì)性質(zhì)、變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，以幫助人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)，如雜化軌道理論模型可以預(yù)測(cè)陌生分子的空間結(jié)構(gòu);系統(tǒng)化功能，是利用模型將零散的知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)整理，以形成有序認(rèn)識(shí)思路，建立起系統(tǒng)性思維，如“價(jià)-類(lèi)”二維模型，有助于整理元素化合物知識(shí)。

1.3? 模型的表征

教材中模型的表征形式有文字、符號(hào)、圖像和多重表征四種類(lèi)型。文字表征，指模型以文字的形式呈現(xiàn);符號(hào)表征，指模型以元素符號(hào)、方程式、數(shù)學(xué)公式等形式呈現(xiàn);圖像表征，指模型以實(shí)物圖、示意圖等形式呈現(xiàn);多重表征，指模型以文字、符號(hào)、圖像中的兩種及以上形式呈現(xiàn)。

2? 研究的思路與過(guò)程

2.1? 研究思路框架

教材中涉及的模型種類(lèi)是否多樣、有何教學(xué)功能、如何呈現(xiàn)，研究這些問(wèn)題，將有利于教師深度理解教材中的模型，體會(huì)教材編寫(xiě)意圖，借助模型促進(jìn)教學(xué)。為有序開(kāi)展模型的類(lèi)型、功能及表征的研究，借鑒喬羽嬌的研究經(jīng)驗(yàn)[16]，將教材的“章”作為分析單位，結(jié)合表1，逐頁(yè)確定所含模型，并在模型處劃“○”。教材中整章內(nèi)容所含模型確定后，以圖1順序（A1→A2→B1→……→描述功能→……→多重表征）開(kāi)展研究。新舊必修教材內(nèi)容相同（相似）的章節(jié)先研究，不同部分（舊版必修1第4章）最后研究。

2.2? 研究過(guò)程與方法

選擇的3名研究員具有豐富教研經(jīng)驗(yàn)，且熟悉教材。研究前，共同學(xué)習(xí)本研究的模型分類(lèi)、功能及表? ??征，為研究的開(kāi)展做好準(zhǔn)備。為方便統(tǒng)計(jì)、分析并做到可追溯檢查，設(shè)計(jì)表2輔助研究（同一模型出現(xiàn)n次，計(jì)為n個(gè)）。2名研究員先獨(dú)立研究，完成每章的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)（如A1）后，研究員對(duì)比分析結(jié)果，存在分歧處進(jìn)行追溯檢查，若兩人無(wú)法達(dá)成共識(shí)，由3名研究員共同討論，確定統(tǒng)計(jì)結(jié)果。完成兩版必修教材各章的模型統(tǒng)計(jì)和分析后，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，得出表3～6的數(shù)據(jù)。

需要說(shuō)明的是： 此處研究的是表1包含的教材中的模型，其他模型（如概念模型）不在本研究范圍;模型的功能分析時(shí)，一個(gè)模型可能具有多重功能，如化學(xué)方程式，可具有描述、解釋功能，需結(jié)合情境分析，若確實(shí)兼有此兩項(xiàng)功能時(shí)，將在兩處各計(jì)一次，因此功能分析的統(tǒng)計(jì)數(shù)量會(huì)稍多于模型總數(shù);模型的表征分析時(shí)，由于某個(gè)多重表征的模型可能包含多個(gè)符號(hào)模型、物質(zhì)模型，所以此時(shí)統(tǒng)計(jì)的數(shù)量會(huì)少于模型總數(shù)。

3? 研究數(shù)據(jù)與結(jié)果討論

新教材對(duì)舊教材中的碳、銅、鋁元素及其化合物、有機(jī)高分子等內(nèi)容進(jìn)行了不同程度的刪減，這勢(shì)必引起教材中模型的刪減，經(jīng)分析，模型刪減主要由此原因引起，以下不再討論。另外，研究發(fā)現(xiàn)元素符號(hào)、離子符號(hào)、分子式、化學(xué)式在教材中數(shù)量大，重復(fù)率高，此類(lèi)模型（B1）增減、替換的對(duì)比研究存在一定難度，因此只進(jìn)行了數(shù)量統(tǒng)計(jì)。

3.1? 模型類(lèi)型研究結(jié)果與討論

通過(guò)對(duì)新舊教材中模型類(lèi)型的統(tǒng)計(jì)、分析，整理出表3、 4數(shù)據(jù)。

符號(hào)模型在兩版教材中數(shù)量多，占比大，并主要以元素符號(hào)、離子符號(hào)、化學(xué)式、分子式、化學(xué)方程式出現(xiàn)。符號(hào)模型占比大的原因： 一是化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)主要以物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)化關(guān)系呈現(xiàn)，并用簡(jiǎn)潔、確切的化學(xué)符號(hào)進(jìn)行表達(dá);二是教材中元素符號(hào)、離子符號(hào)、分子式、化學(xué)式等重復(fù)出現(xiàn)。兩版教材思想模型占比均高于物質(zhì)模型的原因是： 高一階段的學(xué)生對(duì)研究物質(zhì)的方法、探究問(wèn)題的思路需要思想模型的引導(dǎo)，故思想模型數(shù)量較多;必修階段涉及的物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的知識(shí)較少，教材中出現(xiàn)的物質(zhì)模型總體數(shù)量不多，故占比較小。

各類(lèi)模型中，新教材思想模型占比由舊教材的4.98%升至7.74%，是舊教材的1.55倍，其中方法模型增加24個(gè);分子結(jié)構(gòu)特征模型、表示物質(zhì)間轉(zhuǎn)化的模型，分別增加18、 15個(gè);替換（修改）最多的是方法模型，共17處，分析發(fā)現(xiàn)，修改后的模型思維、方法外顯，引導(dǎo)性更強(qiáng)，如“要選定一類(lèi)物質(zhì)，預(yù)測(cè)它可能與哪些類(lèi)別的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng);然后選出各類(lèi)物質(zhì)的代表物，探究它們之間能否發(fā)生反應(yīng)”[17]修改為“1.選擇某類(lèi)物質(zhì)的代表物;2.選取可能與該物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)類(lèi)別的代表物;3.預(yù)測(cè)反應(yīng)產(chǎn)物及現(xiàn)象;4.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置及操作步驟，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”[18]，修改后更具有引導(dǎo)性和實(shí)操性。因此，新教材更加注重學(xué)生思維方法的引導(dǎo)，關(guān)注從微觀上認(rèn)識(shí)和表征物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

3.2? 模型功能研究結(jié)果與討論

對(duì)模型功能（見(jiàn)表5）統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，不同功能的模型數(shù)量差距較大。兩版教材中，描述功能的模型占絕大多數(shù)，解釋功能的模型排第二，可見(jiàn)兩版教材均重視運(yùn)用符號(hào)模型、物質(zhì)模型等描述和解釋化學(xué)物質(zhì)及其變化，關(guān)注學(xué)生對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的理解與表達(dá)，注重“宏觀-微觀-符號(hào)-圖像”多重表征能力的提升;預(yù)測(cè)功能的模型數(shù)量偏少，教材中較少設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生預(yù)測(cè)物質(zhì)性質(zhì)與變化規(guī)律的模型，這類(lèi)功能的模型有待進(jìn)一步重視和加強(qiáng)。新教材新增和替換數(shù)量最多的是系統(tǒng)化功能的模型，經(jīng)分析，替換之處主要為“概括·整合”欄目： 新教材將原來(lái)以問(wèn)題、填空呈現(xiàn)之處替換為具有引導(dǎo)整理歸納功能的模型，以培養(yǎng)學(xué)生及時(shí)歸納的習(xí)慣，是實(shí)現(xiàn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的重要途徑。如必修1第2章第2節(jié)“概括·整合”欄目中，舊教材的4個(gè)問(wèn)題[19]被替換為分析溶液體系的思路模型[20]，該模型有助于學(xué)生將本節(jié)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)整理，并形成結(jié)構(gòu)化的認(rèn)識(shí)思路。

3.3? 模型表征研究結(jié)果與討論

從模型表征統(tǒng)計(jì)結(jié)果（見(jiàn)表6）來(lái)看，符號(hào)是兩版教材中模型的主要呈現(xiàn)形式，這與化學(xué)學(xué)科的本身特點(diǎn)有關(guān)?；瘜W(xué)符號(hào)作為化學(xué)特有語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)明直觀、概括性強(qiáng)等特點(diǎn)，是表征化學(xué)物質(zhì)及其轉(zhuǎn)化、物理量間關(guān)系的重要工具。兩版教材以圖像表征、多重表征的模型多于文字表征的模型，圖像表征具有簡(jiǎn)潔、直觀等優(yōu)點(diǎn)，多重表征通過(guò)符號(hào)、圖像、文字等混合形式呈現(xiàn)，有助于學(xué)生深刻理解模型的內(nèi)涵，模型以圖像或混合形式表征有利于學(xué)生對(duì)模型的準(zhǔn)確理解，因此新教材以圖像和多重表征的模型數(shù)量增加較多。分析發(fā)現(xiàn)，兩版教材同一模型未發(fā)現(xiàn)表征形式替換的現(xiàn)象，但新教材為了清晰準(zhǔn)確傳遞模型，有將文字、圖像等同類(lèi)形式替換的現(xiàn)象，如“標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol氣體體積大小的示意圖”[21]替換為“標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol氣體體積與足球體積大小的比較的示意圖”[22]。新教材多個(gè)模型在舊教材的基礎(chǔ)上增加了其他表征類(lèi)型，如苯等有機(jī)分子由原來(lái)的文字、符號(hào)、填充模型三重表征，增加了球棍模型表征;新教材“萃取與分離”將舊教材文字表征[23]替換成了文字、圖像多重表征[24]。

4? 結(jié)論與建議

4.1? 結(jié)論

通過(guò)上述比較、討論，得出以下研究結(jié)論。

從模型類(lèi)型角度看，兩版教材都關(guān)注符號(hào)模型基礎(chǔ)，注重提升多重表征的自覺(jué)性與規(guī)范性。必修教材使用對(duì)象為高一全體學(xué)生，從以往教學(xué)來(lái)看，高一新生化學(xué)式、方程式等符號(hào)表征能力處于較低水平。必修教材注重初、高中銜接，關(guān)注學(xué)生符號(hào)模型基礎(chǔ)，教材中物質(zhì)及轉(zhuǎn)化盡可能用簡(jiǎn)約、規(guī)范的符號(hào)模型進(jìn)行表征，為學(xué)生提供了很好的“化學(xué)語(yǔ)言”環(huán)境，促進(jìn)學(xué)生使用符號(hào)模型的自覺(jué)性與規(guī)范性。新教材在過(guò)程模型和方法模型上都增加較多，即新教材更關(guān)注模型建構(gòu)，外顯思維過(guò)程與方法，高一階段的學(xué)生在研究物質(zhì)的方法、探究問(wèn)題的思路上有待引導(dǎo)，因此思想模型，特別是方法模型增加，有益于啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)問(wèn)題的探究。

從模型功能角度看，兩版教材都注重模型的描述和解釋功能，但預(yù)測(cè)、系統(tǒng)化功能比例較少。預(yù)測(cè)、系統(tǒng)化功能的模型總數(shù)在新、舊教材中占比僅為4.17%、 2.97%，比例有待提高，但相比之下，新教材在編寫(xiě)時(shí)增加了預(yù)測(cè)、系統(tǒng)化功能模型的數(shù)量，說(shuō)明新教材更加注重知識(shí)遷移能力、整理歸納能力的培養(yǎng)，教材中通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的模型，為學(xué)生提供思路和方法的引導(dǎo)，以提升預(yù)測(cè)未知物質(zhì)性質(zhì)、整理歸納知識(shí)的能力。

從模型的表征來(lái)看，兩版教材模型均呈現(xiàn)出以符號(hào)形式為主的多樣化表征，在四種表征形式中以文字形式顯性表征的數(shù)量最少。兩版教材中模型的表征形式多樣，但主要以符號(hào)形式表征，這與學(xué)科特征有關(guān);圖像和多重表征，相比于文字而言，可將微觀模型可視化處理，新教材增加了圖像表征、多重表征模型的數(shù)量，希望簡(jiǎn)潔、直觀、準(zhǔn)確傳遞模型，促進(jìn)學(xué)生對(duì)抽象知識(shí)、規(guī)律的理解。

4.2? 新課程教學(xué)建議

新教材在編寫(xiě)上更加關(guān)注認(rèn)識(shí)模型的建構(gòu)，多角度地詮釋了“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，為充分發(fā)揮教材中的模型價(jià)值，促進(jìn)學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)發(fā)展，建議新課程教學(xué)關(guān)注以下幾點(diǎn)。

充分發(fā)揮教材中模型的功能。從上述分析可知，新教材中模型數(shù)量大、種類(lèi)多，功能和表征形式多樣化，這些模型打通了從知識(shí)到能力到素養(yǎng)的通道。教學(xué)中要分析各類(lèi)模型的特征，充分發(fā)揮模型的教學(xué)功能： 以方法模型引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題探究，以過(guò)程模型、理論模型引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)，以符號(hào)模型引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)表征物質(zhì)及其變化。

豐富教材中物質(zhì)模型的形式和類(lèi)型。多種形式表征抽象知識(shí)，形成對(duì)化學(xué)知識(shí)的多重編碼，有利于深刻理解知識(shí)[25]，教材中物質(zhì)模型的數(shù)量不多，且教材的材質(zhì)、篇幅影響了模型的呈現(xiàn)，而現(xiàn)實(shí)的教學(xué)卻能打破這些限制，可根據(jù)需要增加物質(zhì)模型的形式和類(lèi)型，如在教材模型圖的基礎(chǔ)上，可通過(guò)展示實(shí)物模型、動(dòng)手搭建結(jié)構(gòu)模型、運(yùn)用多媒體技術(shù)立體呈現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)教材模型的不足，突破教學(xué)難點(diǎn)，提升教學(xué)效果。

自主建構(gòu)促進(jìn)教學(xué)的思想模型。教材中思想模型的占比小，高一學(xué)生所掌握的學(xué)科思維、方法還有待提升，完成各種探究活動(dòng)需要思維和方法的引導(dǎo)，因此教師可根據(jù)需要自主建構(gòu)方法模型、過(guò)程模型，促進(jìn)探究活動(dòng)的順利開(kāi)展。例如“若想獲得純凈氯氣，對(duì)該裝置還需要進(jìn)行哪些改進(jìn)？”[26]的探究活動(dòng)，可建構(gòu)氣體除雜的方法模型： 分析混合氣體的成分→分析除雜試劑→確定除雜順序，引導(dǎo)學(xué)生自主思考探索除雜方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018： 1， 2～4， 82.

[2]王磊， 陳光巨， 曹居?xùn)|. 普通高中教科書(shū)化學(xué)教師用書(shū)（必修第一冊(cè)）[M]. 濟(jì)南： 山東科技出版社， 2019： 2.

[3][8]單旭峰. 對(duì)“模型認(rèn)知”學(xué)科核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)與思考[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （3）： 8～13.

[4][17][19][21][23]王磊主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)1[M]. 濟(jì)南： 山東科技出版社， 2007： 10， 23， 34， 46， 100.

[5]王磊主編. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)2[M]. 濟(jì)南： 山東科技出版社， 2007.

[6][18][22][26]王磊主編. 普通高中教科書(shū)·化學(xué)必修（第一冊(cè)）[M]. 濟(jì)南： 山東科技出版社， 2019： 11， 24， 44， 55， 60， 69.

[7][20][24]王磊主編. 普通高中教科書(shū)·化學(xué)必修（第二冊(cè)）[M]. 濟(jì)南： 山東科技出版社， 2019： 31， 41， 78.

[9]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）： 19～25.

[10]張發(fā)新. 利用模型構(gòu)建促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2017， （5）： 24～29.

[11][14]劉豫東. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)中模型方法的研究[D]. 濟(jì)南： 山東師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2004： 6～11.

[12]肖翔. 高中化學(xué)模型教學(xué)的理論與實(shí)踐研究[D]. 武漢： 華中師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2018： 6～8.

[13]郭靜. 中學(xué)化學(xué)模型教學(xué)現(xiàn)狀的研究[D]. 西安： 陜西師范大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2018： 11～13.

[15]周赟. 中美高中化學(xué)教材中模型的比較研究[D]. 煙臺(tái)： 魯東大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2019： 35～59.

[16]喬羽嬌. 普通高中化學(xué)教科書(shū)中的模型比較研究[D]. 重慶： 西南大學(xué)碩士學(xué)位論文， 2015： 35～39.

[25]鄒國(guó)華， 童文昭. 對(duì)“宏觀辨識(shí)與微觀探析”維度核心素養(yǎng)培育的思考與探索[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2020， （3）： 24～28.