淺談化學(xué)模型要素的識(shí)別與生成策略

張鈞如 李佳 李曉燕 汪朝陽(yáng)

摘要： 模型要素的理解和應(yīng)用能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和建構(gòu)化學(xué)模型。在分析梳理“組成結(jié)構(gòu)”模型、“作用力”模型、“變化規(guī)律”模型和“狀態(tài)”模型要素的基礎(chǔ)上，歸納出自上而下式與自下而上式兩種要素識(shí)別方式，進(jìn)而提出“合理選擇要素識(shí)別方式”“明晰要素表示方式”“引導(dǎo)學(xué)生親歷要素識(shí)別及生成的思維活動(dòng)”和“要素多維表征”等模型要素的生成策略，以原電池模型、原子結(jié)構(gòu)示意圖和電離理論模型等例子闡明策略的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 化學(xué)模型; 模型要素; 要素識(shí)別; 思維活動(dòng); 教學(xué)策略

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）03-0029-06

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 引言

“模型認(rèn)知”是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，它要求學(xué)生通過分析、推理等方法認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)知模型，并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律[1]。Sins認(rèn)為建構(gòu)模型會(huì)歷經(jīng)“從現(xiàn)象中識(shí)別模型的要素”“推理分析出要素之間的相互關(guān)系”“形成完整的模型”這幾個(gè)環(huán)節(jié)[2]?？梢?，認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的構(gòu)成要素與要素間關(guān)系是建構(gòu)模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而分析、推理是認(rèn)識(shí)要素和要素間關(guān)系不可缺少的思維方法。

現(xiàn)有研究[3～5]大多基于較為宏觀的模型教學(xué)框架展開，如何細(xì)致地落實(shí)模型教學(xué)的各環(huán)節(jié)還需更加深入地探討。此外，從模型要素的角度關(guān)注模型教學(xué)的研究相對(duì)較少，如研究學(xué)生識(shí)別模型要素及其關(guān)系這一環(huán)節(jié)所使用的思維方式以及幫助學(xué)生識(shí)別模型要素的教學(xué)策略等。因此，有必要基于模型的分類和模型要素的含義分析不同模型的要素，提出幫助學(xué)生識(shí)別與生成模型要素的教學(xué)策略。

2? 模型要素

2.1? 模型及其分類

在一些學(xué)者的研究中，模型被定義為一種“描述”[6]“模擬”[7]或“圖畫”[8]?？梢?，模型是一種表征系統(tǒng)[9]，其根本屬性在于表征研究對(duì)象，指出研究對(duì)象的關(guān)鍵特征或要素及其相互關(guān)系，具有描述、解釋或預(yù)測(cè)功能。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，可以認(rèn)為模型由要素及要素間的關(guān)系組成。

不同模型關(guān)注不同的研究方向，有的模型主要研究物質(zhì)的組成或結(jié)構(gòu)，即關(guān)注微?；蛄Ｗ拥目臻g位置、大小、數(shù)量、連接等方面的特征，如化學(xué)式、結(jié)構(gòu)式、原子結(jié)構(gòu)示意圖、晶體結(jié)構(gòu)模型、有機(jī)分子的球棍模型等，可歸類為“組成結(jié)構(gòu)”模型。有的模型主要研究微粒間的相互作用力，即關(guān)注微粒內(nèi)部或外部的電荷和電荷間的相互作用，如共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵、氫鍵等，可歸類為“作用力”模型。有的模型主要研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)變化或物質(zhì)性質(zhì)的變化規(guī)律，即關(guān)注物質(zhì)變化過程的特征和物質(zhì)性質(zhì)間的相似性、差異性，如氧化還原理論模型、有效碰撞理論模型、電離理論模型、電化學(xué)模型、勒夏特列原理、蓋斯定律、元素周期律等，可歸類為“變化規(guī)律”模型。需說明的是，元素周期律雖包含對(duì)原子結(jié)構(gòu)的描述，但更強(qiáng)調(diào)元素性質(zhì)隨結(jié)構(gòu)變化而呈現(xiàn)的遞變規(guī)律，故將其劃分為“變化規(guī)律”模型。有的模型主要研究物質(zhì)或物質(zhì)變化過程中的某些狀態(tài)，即關(guān)注穩(wěn)定條件下特定狀態(tài)的某些特征，如阿伏伽德羅定律、化學(xué)平衡狀態(tài)模型、化學(xué)平衡常數(shù)、過渡狀態(tài)理論模型等，可歸類為“狀態(tài)”模型。

2.2? 模型要素

研究對(duì)象由許多元素構(gòu)成，在這些元素中，有一部分能說明它的本質(zhì)和特征，對(duì)研究對(duì)象的變化、功能起顯著性的影響，在抽象和概括成模型時(shí)會(huì)被保留，這些元素即為模型的要素。

不同模型的要素不盡相同，馮品鈺認(rèn)為理解晶體結(jié)構(gòu)須知道微粒種類、微粒間相互作用、微粒的堆積方式以及它們之間的相互關(guān)系，故將這三者視為晶體結(jié)構(gòu)模型的要素[10]。陳前進(jìn)指出結(jié)構(gòu)式的要素包括構(gòu)成原子和價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，化學(xué)平衡模型的要素包括變化的條件、變化限度、定量和定性描述等[11]。王磊團(tuán)隊(duì)認(rèn)為原電池模型的要素包括電極反應(yīng)物、電極產(chǎn)物、過程和反應(yīng)現(xiàn)象、失電子場(chǎng)所、電子導(dǎo)體、離子導(dǎo)體和得電子場(chǎng)所等[12]。

由模型要素的含義和不同學(xué)者對(duì)模型要素的概括可以看出，模型要素應(yīng)具有必要性、簡(jiǎn)約性和抽象性等特點(diǎn)?；诖耍醪街赋霾糠种匾瘜W(xué)模型的要素，見表1。

各類模型的研究方向（關(guān)注點(diǎn)）為明確模型要素提供了一定的參考。例如，“作用力”模型關(guān)注微粒內(nèi)部或外部的電荷和電荷間的相互作用，而離子鍵這個(gè)“作用力”模型包含正離子、負(fù)離子、靜電作用力等要素，前兩個(gè)要素是電荷，后一個(gè)要素是電荷間的相互作用?！盃顟B(tài)”模型關(guān)注穩(wěn)定條件下的特定狀態(tài)，而阿伏伽德羅定律這個(gè)“狀態(tài)”模型包含同溫同壓、氣體體積、分子間距等要素。其中，“同溫同壓”是一種穩(wěn)定條件，“氣體體積、分子間距”均是氣體狀態(tài)下的某些特征。

模型的分類雖可為研究模型要素提供幫助，但模型要素與各類模型的關(guān)注點(diǎn)并非完全吻合，不同的模型具有各自的特性，歸納各個(gè)具體模型的要素時(shí)需要進(jìn)行“定制化”的考量。

3? 模型要素的識(shí)別方式

3.1? 自下而上的識(shí)別方式

人們從具體事物出發(fā)，將這些事物的本質(zhì)特性以及影響其性質(zhì)、變化的因素抽離出來并概括為模型要素的過程，即為自下而上式的模型要素識(shí)別方式。整個(gè)過程具有從具體到一般的特點(diǎn)，涉及猜想、歸納推理、抽象概括等思維活動(dòng)。比如，學(xué)生通過組裝不同材料制作簡(jiǎn)易電池后，推理出原電池必需的構(gòu)成部分，識(shí)別原電池模型的要素;通過搭建球棍模型識(shí)別甲烷分子空間結(jié)構(gòu)的要素“109°28′鍵角”等過程均運(yùn)用了自下而上的模型要素識(shí)別方式。

自下而上的識(shí)別方式需要學(xué)生親歷模型形成的整個(gè)過程，側(cè)重于建構(gòu)模型的過程性，對(duì)學(xué)生分析推理等能力的提高大有裨益。以該種方式落實(shí)模型教學(xué)，所對(duì)應(yīng)的模型認(rèn)知能力水平更接近于“模型建構(gòu)水平”。在確認(rèn)模型要素及其關(guān)系、形成模型過程中，需要給予學(xué)生充分的時(shí)間思考，課堂耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。

3.2? 自上而下的識(shí)別方式

直接指出模型的要素，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合具體事例，用演繹推理等方法驗(yàn)證和梳理要素間關(guān)系的過程，即為自上而下式的模型要素識(shí)別方式。整個(gè)過程具有從一般到具體的特點(diǎn)，涉及演繹推理、類比、分析等思維活動(dòng)。例如，影響鹽類析出的因素很多，學(xué)生難以從數(shù)量龐大的事例中分辨出主要的影響因素與次要的影響因素。因此，可直接指出溶解度、濃度兩個(gè)要素，鼓勵(lì)學(xué)生從溶解度、濃度與鹽類析出關(guān)系的多組數(shù)據(jù)中深入認(rèn)識(shí)模型要素及要素間的關(guān)系，形成多組分體系析出的規(guī)律模型。

自上而下的識(shí)別方式明確地給學(xué)生指出模型要素，幫助學(xué)生快速通過模型認(rèn)識(shí)研究對(duì)象，但需要學(xué)生將概括性的抽象內(nèi)容具體化、形象化，較關(guān)注模型理解和運(yùn)用的過程。以該種方式落實(shí)模型教學(xué)能使學(xué)生的模型能力更接近于“模型認(rèn)識(shí)水平”或“遷移運(yùn)用水平”。

4? 模型要素的識(shí)別及生成策略

4.1? 合理選擇要素識(shí)別方式

選擇合適的模型要素識(shí)別方式對(duì)落實(shí)模型教學(xué)有導(dǎo)向作用，可為課堂教學(xué)的思路框定方向。確定哪種模型要素識(shí)別方式最為合適，需從知識(shí)內(nèi)容本身、學(xué)生的基礎(chǔ)和課標(biāo)的能力水平要求等三個(gè)方面考慮。

從知識(shí)內(nèi)容考慮，當(dāng)其抽象程度很高，難以從宏觀現(xiàn)象判斷其內(nèi)在本質(zhì)的特性時(shí)，宜采用自上而下的識(shí)別方式。而通過經(jīng)驗(yàn)歸納就能識(shí)別出模型要素時(shí)，可采用自下而上的識(shí)別方式。從學(xué)生基礎(chǔ)考慮，當(dāng)學(xué)生具備能夠支持其識(shí)別模型要素及其相互關(guān)系的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，宜采用自下而上的模型要素識(shí)別方式;反之，應(yīng)采用自上而下式的要素識(shí)別方式。從課標(biāo)的能力水平要求來看，若要求學(xué)生能通過模型認(rèn)識(shí)或解釋某些現(xiàn)象，即把模型視為解釋工具時(shí)，可采用自上而下的模型要素識(shí)別方式;若要求學(xué)生能建構(gòu)模型，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的建模能力時(shí)，宜采用自下而上的模型要素識(shí)別方式。

4.2? 明晰要素的表示方式

認(rèn)知模型可以用語(yǔ)言、符號(hào)、圖像、動(dòng)畫模擬等形式表達(dá)出來，這些表達(dá)形式與真實(shí)事物形象的接近程度不同，部分的表達(dá)形式還隱含一些約定俗成的人為規(guī)則。因此，學(xué)生識(shí)別模型要素及要素間的關(guān)系后不一定能以正確的模型形式表達(dá)出來。比如，學(xué)生知道原子結(jié)構(gòu)包括核外電子與原子核，知道核電荷數(shù)、核外電子層數(shù)以及每個(gè)電子層的電子數(shù)等，卻仍可能無法形成原子結(jié)構(gòu)示意圖這一模型，因?yàn)樗麄儾幻鞔_電子層用弧線表示、原子核及核電荷數(shù)用圓圈和帶正號(hào)的數(shù)字表示等人為規(guī)則。因此，教師要讓學(xué)生清楚如何用特定的表達(dá)形式表示要素，避免學(xué)生將注意力放在為什么弧線只畫一半、弧線之間的間距大小等無關(guān)細(xì)節(jié)上，從而真正體會(huì)原子核結(jié)構(gòu)的意象。

4.3? 引導(dǎo)學(xué)生親歷要素識(shí)別與生成的思維活動(dòng)

識(shí)別與生成模型要素作為模型建構(gòu)的基本環(huán)節(jié)之一，與歸納推理等思維活動(dòng)密不可分。教師需創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)任務(wù)或條件，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與、主動(dòng)進(jìn)行歸納推理等思維活動(dòng)，通過任務(wù)的完成識(shí)別出模型要素，進(jìn)而生成模型要素及其要素間的關(guān)系。下面以“列舉事例，歸納要素”這種任務(wù)活動(dòng)為例來闡述如何幫助學(xué)生親歷要素識(shí)別與生成的思維活動(dòng)。

列舉事例（提供證據(jù)）是創(chuàng)設(shè)條件的基本手段之一，所提供的事例和提示性的語(yǔ)言可驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主歸納事例的相似之處與相異之處，經(jīng)概括、分析后提煉為模型要素或梳理成要素間關(guān)系。所舉事例可分為正例與反例。其中，正例是指有目標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生的例子，反例是指沒有目標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生的例子。教師要對(duì)正例和反例的各個(gè)方面進(jìn)行考量，保證以下幾點(diǎn)：

（1）正例與正例之間除關(guān)鍵特點(diǎn)相同外，無其他共同之處;

（2）正例與反例之間除關(guān)鍵特點(diǎn)不同外，無其他不同點(diǎn);

（3）例子要符合直觀、典型的特點(diǎn)，可以是生活生產(chǎn)的常見現(xiàn)象，也可以是實(shí)驗(yàn)過程中觀察到的現(xiàn)象;

（4）例子呈現(xiàn)的個(gè)數(shù)要適當(dāng)，不宜過多。

在呈現(xiàn)具體事例后，通過提示性語(yǔ)言引導(dǎo)學(xué)生綜合使用求同法和求異法。認(rèn)識(shí)模型要素或要素間的關(guān)系。其中，求同法的基本思路為： 許多現(xiàn)象在不同的情況下發(fā)生了，而在這些情況中，只有一個(gè)條件是相同的，那么這個(gè)條件就是現(xiàn)象發(fā)生的原因。這里的邏輯形式為[13]：

事例條件或元素發(fā)生的現(xiàn)象

正例1A B Ca

正例2A D Ea

正例3A F Ga

結(jié)論A是a的原因

求異法的基本思路為： 前一個(gè)事例出現(xiàn)了某現(xiàn)象，后一個(gè)事例沒有出現(xiàn)某現(xiàn)象，則后一個(gè)事例中缺少的條件即為現(xiàn)象發(fā)生的原因。這里的邏輯形式為[14]：

事例條件或元素發(fā)生的現(xiàn)象

正例1A B Ca

反例2B C無

結(jié)論A是a的原因

為了讓學(xué)生更容易發(fā)現(xiàn)事例的異同，更靈活地使用求同法和求異法，可以將具體事例置于邏輯形式的表格中加以呈現(xiàn)，讓學(xué)生順利推理出結(jié)論。例如，在高一階段，為幫助學(xué)生識(shí)別原電池模型的“電解質(zhì)溶液”這一要素，可以提供多種裝置作為正反事例（見表2），學(xué)生通過對(duì)比這幾個(gè)事例來推理具有怎樣特點(diǎn)的溶液才能使裝置產(chǎn)生電流。其中，事例①②的共同點(diǎn)是電解質(zhì)溶液，無其他明顯的共同特征（均為酸溶液、均為鹽溶液、陰離子或陽(yáng)離子相同、陰陽(yáng)離子個(gè)數(shù)比相同結(jié)論？是裝置產(chǎn)生電流的條件之一。

歸納推理等思維活動(dòng)不僅能讓學(xué)生有效掌握學(xué)習(xí)的內(nèi)容，還能讓學(xué)生在活動(dòng)過程中嘗試運(yùn)用推理分析技能，增強(qiáng)對(duì)推理能力的信心，形成建模和用模的能力。學(xué)生在課堂上進(jìn)行的推理實(shí)踐越多，親歷識(shí)別模型要素和自主建構(gòu)模型的經(jīng)驗(yàn)越多，這種認(rèn)識(shí)事物的方式就越容易遷移到其他問題情境和應(yīng)用到日常生活中。

4.4? 要素多維表征策略

通過語(yǔ)言表述、視覺模擬以及框線圖概述三種方式來表征模型要素和要素間關(guān)系的策略稱為“要素多維表征策略”。若學(xué)生能運(yùn)用語(yǔ)言將其腦海中的認(rèn)知表達(dá)出來，這代表他們很可能對(duì)相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)有一定的記憶或者理解[15]。因此，可以鼓勵(lì)學(xué)生用語(yǔ)言口頭表達(dá)他們腦海當(dāng)中初步建立的模型（包括概況與細(xì)節(jié)），讓學(xué)生在表達(dá)的過程中清晰要素及要素間的關(guān)系，對(duì)模型有更深刻理解。同時(shí)，還能診斷與評(píng)價(jià)學(xué)生的模型認(rèn)知情況。

其次，運(yùn)用動(dòng)畫模擬、圖像等視覺鮮明的工具加深學(xué)生對(duì)模型（包括要素和要素間關(guān)系）的印象（如圖1）。在觀察動(dòng)畫或圖像的過程中，學(xué)生會(huì)自行對(duì)比腦海中形成的模型與展示的動(dòng)畫或圖像模型之間的異同，修正相異構(gòu)想并落實(shí)對(duì)模型細(xì)節(jié)的認(rèn)識(shí)。

上述兩種維度的表征都是將模型具體化、細(xì)致化，以幫助學(xué)生消除可能存在的疑惑，最后一個(gè)維度則通過“框”和“線”將要素和要素間的關(guān)系以高度簡(jiǎn)潔、凝練的形式呈現(xiàn)出來，它能總結(jié)并明確模型的基本框架，是學(xué)習(xí)者對(duì)模型在認(rèn)識(shí)上的升華，我們將這樣的圖稱為“框線圖”（如圖2）。

下面以電離理論模型的建構(gòu)為例，闡述要素多維表征策略的使用：

[語(yǔ)言表述]鼓勵(lì)學(xué)生用語(yǔ)言表達(dá)對(duì)該模型的認(rèn)識(shí)： 電離前，化合物中的陰陽(yáng)離子或原子因相互作用力而緊密結(jié)合?；衔锶苡谒?，其內(nèi)部的陰陽(yáng)離子或原子之間的相互作用力被水分子破壞，原本緊密結(jié)合的陰陽(yáng)離子或原子形成自由移動(dòng)的水合離子。加熱熔融時(shí)，化合物內(nèi)部的陰陽(yáng)離子或原子之間的相互作用力在能量的作用下被破壞，原本緊密結(jié)合的陰陽(yáng)離子或原子變成自由移動(dòng)的陰陽(yáng)離子。

[視覺模擬]教材已呈現(xiàn)離子化合物NaCl的電離過程模型圖，對(duì)于共價(jià)化合物（如HCl）的電離過程，可通過圖1的視覺模擬圖呈現(xiàn)。

[框線圖概述]總結(jié)并明確電離理論模型的要素及要素間關(guān)系，見圖2。

5? 啟示

對(duì)教師而言，從要素這一角度對(duì)化學(xué)模型展開分析能為科學(xué)地確立目標(biāo)模型提供幫助;從要素的識(shí)別與生成這一角度理解學(xué)生在模型認(rèn)知活動(dòng)中所要經(jīng)歷的思維活動(dòng)、學(xué)習(xí)的重難點(diǎn)或進(jìn)階過程，能為設(shè)計(jì)合理且具有針對(duì)性的教學(xué)策略提供思考方向。同時(shí)，可增強(qiáng)教師對(duì)模型教學(xué)全程的整體把控能力。

對(duì)學(xué)生而言，以每個(gè)模型要素的識(shí)別與生成作為模型學(xué)習(xí)的任務(wù)單元，經(jīng)過引導(dǎo)和提示進(jìn)行思維活動(dòng)，最終完成各個(gè)要素的識(shí)別和生成，是真正落實(shí)模型教學(xué)的關(guān)鍵，也是發(fā)展學(xué)生的分析推理能力和模型認(rèn)知能力的重要方式。

現(xiàn)階段，研究者對(duì)模型要素的關(guān)注較少，模型要素如何確定、是否科學(xué)合理等問題還沒有系統(tǒng)化的探討。在模型認(rèn)知活動(dòng)中，除歸納推理外，還涉及到演繹推理、類比推理、分析等思維活動(dòng)的展開，設(shè)計(jì)更多教學(xué)策略幫助學(xué)生掌握進(jìn)行思維活動(dòng)的訣竅、識(shí)別與生成模型要素、親歷模型建構(gòu)的過程等，也需要更為深入地探索。

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