模型認(rèn)知素養(yǎng)的化學(xué)學(xué)科命題分析與教學(xué)建議

【作者簡介】徐超成，高級教師，副校長，浙江省中學(xué)化學(xué)教學(xué)分會理事，浙江省教科研先進個人，浙江省校本研修先進個人，杭州市優(yōu)秀教師，杭州市教壇新秀，杭州市學(xué)科帶頭人，杭州市教育工匠，主要研究方向為教學(xué)案例研究。

【摘 要】證據(jù)推理與模型認(rèn)知是高中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，它在化學(xué)試題命制中占據(jù)重要地位。文章以2023年全國各地部分試題為例，從學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)角度對核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的模型認(rèn)知素養(yǎng)試題的模型識別、模型表征、模型建構(gòu)、模型應(yīng)用等四個方面進行評析，總結(jié)其考查特點與規(guī)律，并對教學(xué)提出建議，有助于師生更好地把握和理解模型認(rèn)知素養(yǎng)的考查。

【關(guān)鍵詞】核心素養(yǎng)；模型認(rèn)知；高中化學(xué)；命題分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）將化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)分為宏觀辨識與微觀探析、變化觀念與平衡思想、證據(jù)推理與模型認(rèn)知、科學(xué)探究與創(chuàng)新意識、科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任五個方面［1］3。模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的思維中心，在化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中占據(jù)重要的位置。

一、模型認(rèn)知的內(nèi)涵

1.概念內(nèi)涵

模型認(rèn)知是一種在思維過程中運用模型的方法，它以感性認(rèn)識為基礎(chǔ)，以理性化思維為過程，運用近似、簡化的摹寫方式，揭示化學(xué)原型客體的本質(zhì)和規(guī)律?；瘜W(xué)基本規(guī)律和理論大多有賴于模型才能建立，可以說，化學(xué)的發(fā)展過程就是模型的建立、運用和修正的過程。創(chuàng)建能夠解釋真實世界現(xiàn)象的模型是從事科學(xué)活動的核心素養(yǎng)，學(xué)生積極參與建?；顒邮腔瘜W(xué)學(xué)習(xí)的重要步驟，表現(xiàn)為通過分析、推理等方法認(rèn)識研究對象的本質(zhì)特征、構(gòu)成要素及其相互關(guān)系，建立認(rèn)識模型，并能運用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律［1］4。

2.模型認(rèn)知素養(yǎng)水平劃分

《課程標(biāo)準(zhǔn)》對各個核心素養(yǎng)進行了水平劃分，筆者依據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的水平劃分，對模型認(rèn)知素養(yǎng)水平進行了細分，具體見表1［2］。

二、模型認(rèn)知的命題實踐

基于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的測試題的命制，教師需要明晰測定的學(xué)科核心素養(yǎng)維度及其水平，清楚化學(xué)學(xué)科的知識內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，選擇基于測試目標(biāo)與測試學(xué)科內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的情境，在情境中設(shè)計問題，對學(xué)生解決問題的結(jié)果進行預(yù)測。命題的框架是測試編制的藍本，模型認(rèn)知命題要從真實情境、評價問題、知識目標(biāo)等要素加以落實，形成模型認(rèn)知素養(yǎng)命題框架，如圖1所示［3］。

模型認(rèn)知素養(yǎng)可以解構(gòu)為模型識別、模型表征、模型建構(gòu)、模型應(yīng)用等四個要素。

1.利用核心知識考查模型識別素養(yǎng)

考查內(nèi)容是測評結(jié)果和使用效度的重要依據(jù)，命題選擇的內(nèi)容以學(xué)科核心知識為基礎(chǔ)，化學(xué)核心知識有氧化還原反應(yīng)、能量守恒、化學(xué)平衡、電化學(xué)原理等。模型識別素養(yǎng)試題的命制把化學(xué)核心知識融入化學(xué)試題中，考查化學(xué)物質(zhì)模型和理論模型的識別，通過對關(guān)鍵要素進行提取和分析，建立起化學(xué)事實與化學(xué)模型間的對應(yīng)關(guān)系。試題命制著力于分析化學(xué)核心知識，抽象、概括出科學(xué)認(rèn)知模型，并以此解決化學(xué)復(fù)雜問題。

【例1】（2023年高考全國甲卷化學(xué)第12題）用可再生能源電還原CO2時，采用高濃度的K+抑制酸性電解液中的析氫反應(yīng)來提高多碳產(chǎn)物（乙烯、乙醇等）的生成率，裝置如圖2所示。下列說法正確的是（? ）

A.析氫反應(yīng)發(fā)生在IrOx-Ti電極上

B. Cl-從Cu電極遷移到IrOx-Ti電極

C.陰極發(fā)生的反應(yīng)有：2CO2+12H++12e- [? ? ? ? ? ? ? ]C2H4+4H2O

D.每轉(zhuǎn)移1mol電子，陽極生成11.2L氣體（標(biāo)準(zhǔn)狀況）

【命題思路分析】本題以可再生能源電還原CO2為真實情境立意，真實情境屬于變式情境。評價問題為應(yīng)用圖示信息，分析解讀信息任務(wù)，利用示意圖，把CO2還原再生為C2H4、C2H5OH。評價問題中，除了電極判斷、氧化還原反應(yīng)視角，還有基于溶液中離子平衡分析物質(zhì)性質(zhì)的視角。試題各選項均明晰了分析角度，因此，屬于“給定分析角度”類問題解決任務(wù)。即考查學(xué)生在具體的信息情境下將所學(xué)知識與圖表信息結(jié)合進行判讀、決策的能力。學(xué)生需要對原電池的正負(fù)極、電極反應(yīng)方程式、離子的移動方向進行識別。本題是對模型識別素養(yǎng)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2的考查。

2.構(gòu)建驅(qū)動任務(wù)考查模型表征素養(yǎng)

素養(yǎng)發(fā)展水平的高低要通過行為來表現(xiàn)，而行為表現(xiàn)在各種任務(wù)的完成情況中展現(xiàn)出來。試題命制中可以設(shè)置針對化學(xué)問題、現(xiàn)象等具體任務(wù)的化學(xué)模型，借以考查學(xué)生描述、加工問題的能力；也可以編制描述化學(xué)現(xiàn)象或反應(yīng)的化學(xué)概念模型。試題力求體現(xiàn)化學(xué)表征的特點和化學(xué)模型的通用性、直觀性。任務(wù)設(shè)置建立起化學(xué)事實與化學(xué)模型間的對應(yīng)關(guān)系，并加以表征。

【例2】（2023年江蘇高考化學(xué)第15題節(jié)選）化合物I是鞘氨醇激酶抑制劑，其合成路線如下：

（4）寫出同時滿足下列條件的C的一種同分異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)簡式：______________。堿性條件水解后酸化生成兩種產(chǎn)物，產(chǎn)物之一的分子中碳原子軌道雜化類型相同且室溫下不能使2%酸性KMnO4溶液褪色；加熱條件下，銅催化另一產(chǎn)物與氧氣反應(yīng)，所得有機產(chǎn)物的核磁共振氫譜中只有1個峰。

【命題思路分析】本題以鞘氨醇激酶抑制劑為真實情境立意，基于有機物醇、鹵代烴、酯等性質(zhì)和有機反應(yīng)類型等核心知識，設(shè)計了限定條件下的同分異構(gòu)體書寫、合成路線等多元驅(qū)動問題任務(wù)，以此考查學(xué)生有機反應(yīng)原理，讓學(xué)生依據(jù)已學(xué)知識、題中所給反應(yīng)信息和分子式信息對官能團、結(jié)構(gòu)簡式、有機反應(yīng)方程式、合成路線、限定條件下的同分異構(gòu)體進行表征。第（4）問中，從已知化合物C的同分異構(gòu)體堿性條件水解后酸化生成兩種產(chǎn)物，產(chǎn)物之一的分子中碳原子軌道雜化類型相同且室溫下不能使2%酸性KMnO4溶液褪色，可以推測該水解產(chǎn)物為苯甲酸；另一水解產(chǎn)物加熱條件下，銅催化該產(chǎn)物與氧氣反應(yīng)，所得有機產(chǎn)物的核磁共振氫譜中只有1個峰，由此確定醇為2-丙醇。學(xué)生對此進行模型表征，寫出符合條件的同分異構(gòu)體，屬于模型表征素養(yǎng)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平3的考查。第（6）問中，有機合成路線的設(shè)計從目標(biāo)產(chǎn)物出發(fā)，依據(jù)題給原料及信息模型，進行關(guān)聯(lián)分析或逆向分析模型設(shè)計出合成路線并加以表征，是對模型表征素養(yǎng)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的考查。

3.設(shè)置信息情境考查模型建構(gòu)素養(yǎng)

無情境，不命題。試題命制把生產(chǎn)生活與化學(xué)相關(guān)的信息（工藝流程、實驗方案、電化學(xué)反應(yīng)原理、實驗數(shù)據(jù)等）融入化學(xué)試題中，考查獲取信息的能力，從試題提供的信息識別出有效證據(jù)，獲取關(guān)于物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化的規(guī)律，并分析解讀證據(jù)。命制模型認(rèn)知素養(yǎng)試題時呈現(xiàn)的信息不能僅對原始信息進行簡單“移植”，而是要對原始信息再加工，如可以對高中化學(xué)相關(guān)的化學(xué)知識加以“包裝”，以多種形式呈現(xiàn)。另外，試題的命制側(cè)重思維的指向性，要體現(xiàn)模型建構(gòu)，以及化學(xué)知識的本質(zhì)。構(gòu)建模型的過程既是學(xué)生科學(xué)探究的過程，也是學(xué)生更好地理解化學(xué)關(guān)鍵模型、認(rèn)識化學(xué)知識本質(zhì)的過程。

【例3】（2023年1月浙江選考化學(xué)第19題節(jié)選）“碳達峰·碳中和”是我國社會發(fā)展重大戰(zhàn)略之一，CH4還原CO2是實現(xiàn)“雙碳”經(jīng)濟的有效途徑之一，相關(guān)的主要反應(yīng)有

Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）[]2CO（g）+2H2（g） [Δ]H1=+247kJ·mol-1，K1

Ⅱ：CO2（g）+H2（g）[]CO（g）+H2O（g） [Δ]H2=+41kJ·mol-1，K2

請回答：

（4）CH4還原能力（R）可衡量CO2轉(zhuǎn)化效率，R=[Δn（CO2）Δn（CH4）]（同一時段內(nèi)CO2與CH4的物質(zhì)的量變化量之比）。

①常壓下CH4和CO2按物質(zhì)的量之比1∶3投料，某一時段內(nèi)CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化如圖3，請在圖4中畫出400～1 000℃之間R的變化趨勢，并標(biāo)明1 000℃時R值。

【命題思路分析】本題以“碳達峰·碳中和”為真實情境立意，基于溫度對化學(xué)平衡影響的規(guī)律等核心知識，設(shè)計了不同溫度下R的變化趨勢，并標(biāo)明1 000℃時R值等評價問題，考查學(xué)生的化學(xué)平衡模型建構(gòu)。學(xué)生利用過程模型提供的信息，結(jié)合坐標(biāo)圖進行數(shù)據(jù)分析并作圖，建構(gòu)模型。利用平衡模型的核心知識和建構(gòu)的化學(xué)模型分析化學(xué)反應(yīng)問題并作出坐標(biāo)圖，是對模型建構(gòu)素養(yǎng)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的考查。

4.基于學(xué)科理解考查模型應(yīng)用素養(yǎng)

化學(xué)學(xué)科理解不僅指對化學(xué)學(xué)科知識的理解，還指對化學(xué)思維方式的理解，是一種指向化學(xué)學(xué)科知識的結(jié)構(gòu)化思維方式的認(rèn)識。試題通過多種途徑和方法考查學(xué)生的化學(xué)學(xué)科理解能力。學(xué)生要基于知識內(nèi)在結(jié)構(gòu)進行完整性理解，還要基于知識結(jié)構(gòu)化進行關(guān)聯(lián)性理解［4］。模型應(yīng)用在于學(xué)生需要定性、定量地提取并分析化學(xué)模型中的關(guān)鍵要素，從而獲得正確結(jié)論，考查的是學(xué)生的模型應(yīng)用能力——利用模型解決具體問題的能力。比如解釋化學(xué)事實、判斷反應(yīng)產(chǎn)物、預(yù)測新現(xiàn)象等。試題命制減少死記硬背的知識，增加探析化學(xué)本源的問題，體現(xiàn)模型應(yīng)用素養(yǎng)考查，以及化學(xué)知識的本質(zhì)。

【例4】（2023年全國乙卷化學(xué)第35題節(jié)選）中國第一輛火星車“祝融號”成功登陸火星。探測發(fā)現(xiàn)火星上存在大量橄欖石礦物（MgxFe2-xSiO4）。回答下列問題：

（3）一種硼鎂化合物具有超導(dǎo)性能，晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，其晶體結(jié)構(gòu)、晶胞沿c軸的投影圖如圖5所示，晶胞中含有_______個Mg。該物質(zhì)化學(xué)式為_______，B—B最近距離為_______。

【命題思路分析】本題以火星車“祝融號”探測發(fā)現(xiàn)火星上的橄欖石礦物為真實情境立意，晶胞、晶體結(jié)構(gòu)為知識目標(biāo)，根據(jù)硼鎂化合物的六方晶體結(jié)構(gòu)特點考查晶胞中原子個數(shù)，通過晶胞結(jié)構(gòu)分析計算具體化學(xué)式，最后再次應(yīng)用晶體模型知識考查B—B最近距離。試題融合晶胞模型的特點，基于化學(xué)知識的學(xué)科功能、化學(xué)知識的邏輯關(guān)系和化學(xué)結(jié)構(gòu)知識本源，將化學(xué)知識關(guān)聯(lián)起來，形成有機的整體，用模型建構(gòu)的思想解決問題，使學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)。本題是對模型應(yīng)用素養(yǎng)中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4的考查。

三、模型建構(gòu)存在的問題

審視當(dāng)前教師的教學(xué)行為，化學(xué)模型建構(gòu)存在的問題主要有以下幾個方面。

1.注重被動接受，忽視主動建模

教師對模型的認(rèn)識不到位，實踐過程存在盲目性，在教學(xué)上不能得心應(yīng)手，學(xué)生也是一知半解，使得建模在化學(xué)教學(xué)中效果不明顯。很多教師反映模型內(nèi)容繁雜松散，不夠系統(tǒng)，模型往往較為抽象，難以搭建。雖然學(xué)生自主建模能夠有效提高思維，但需要消耗大量課堂時間。針對學(xué)生解題能力提升對學(xué)生進行僅有的幾次模型訓(xùn)練收效甚微，大多數(shù)學(xué)生感到學(xué)習(xí)效率低下，部分學(xué)生甚至當(dāng)成游戲，不如教師直接傳授效率高。因此，師生均不喜歡建模，而是喜歡傳統(tǒng)的接受式教學(xué)，注重被動接受，忽視主動建模。

2.重視書面應(yīng)答，輕視科學(xué)建模

教師在專業(yè)知識上難免有不足，而高考要求相對高，對核心素養(yǎng)的考查停留在解題上，使得學(xué)生在模型方法的使用上難以恰到好處。模型教學(xué)一方面遭教師冷落，另一方面，學(xué)生隨著年級的增加越來越重視分?jǐn)?shù)，注重刷題和學(xué)習(xí)解題技巧，熱衷于答案或結(jié)果，而認(rèn)為建模過程可有可無。

3.追求應(yīng)試能力，缺乏實驗建模

模型方法能夠有效地提高學(xué)生的綜合思維能力，模型思維對于化學(xué)探究分析問題有事半功倍之效。但是一線教師由于課堂時間緊張往往會生硬地直接傳授定律、公式等，讓學(xué)生直接記憶，導(dǎo)致學(xué)生對公式等都是一知半解，對模型的應(yīng)用更是生搬硬套，模型教學(xué)思維能力的要求形同虛設(shè)，學(xué)生對模型的多樣性、動態(tài)性等都無法形成正確的感覺體驗。

四、模型建構(gòu)產(chǎn)生問題的原因

1.模型理論不系統(tǒng)，課堂建模收效微

《課程標(biāo)準(zhǔn)》中雖然已經(jīng)系統(tǒng)提到證據(jù)推理與模型認(rèn)知的內(nèi)容，但教師對化學(xué)模型理論未形成系統(tǒng)的認(rèn)知。在教學(xué)中，教師雖然嘗試用模型教學(xué)，但因模型理論欠缺，課堂教學(xué)中建模效果甚微。

2.模型方法不熟悉，模型教學(xué)遭冷遇

由于教師沒有掌握系統(tǒng)的化學(xué)模型建構(gòu)理論，因而在教學(xué)中不能熟練地運用化學(xué)模型教學(xué)方法，或偶爾使用，或干脆放棄模型教學(xué)，模型教學(xué)在高中化學(xué)教學(xué)中幾乎處于“冷宮”。

3.模型思維不重視，課堂教學(xué)效率低

化學(xué)模型教學(xué)具有一定的思維方式，但很多教師在教學(xué)中只是機械地使用化學(xué)模型，停留于模型認(rèn)知表層，更多的是記憶層面的傳授，沒有讓學(xué)生了解模型的本源知識，也沒有啟發(fā)學(xué)生進入模型思維層面，導(dǎo)致課堂效率低下。

五、培養(yǎng)模型認(rèn)知素養(yǎng)的教學(xué)建議

根據(jù)現(xiàn)在模型認(rèn)知存在的問題和產(chǎn)生問題的原因，以及《課程標(biāo)準(zhǔn)》中學(xué)業(yè)水平考試命題建議的要求，結(jié)合模型認(rèn)知素養(yǎng)常考的試題，在化學(xué)課堂教學(xué)中，教師可以依據(jù)不同知識建構(gòu)概念模型、規(guī)律模型、實驗?zāi)Ｐ汀⑺季S模型等四種不同的教學(xué)模型（如圖6）。

1.建構(gòu)概念模型，理解化學(xué)概念本質(zhì)

化學(xué)涉及許多概念教學(xué)，概念模型能揭示事物的本質(zhì)特征，具有直觀性、抽象性、概括性的特點。概念模型以圖示、文字、符號等形式對化學(xué)反應(yīng)的機理與本質(zhì)進行描述與規(guī)定，是對物質(zhì)性質(zhì)和變化進行的概括與抽象。

建構(gòu)概念模型的要領(lǐng)是根據(jù)大量事實情境，激活學(xué)生原認(rèn)知，讓學(xué)生產(chǎn)生疑問，使學(xué)生利用已有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的概念，進行猜想與假設(shè)，以概括的方法建立一個模型，抽象出一類事物的本質(zhì)屬性（如圖7）。如對于強弱電解質(zhì)、酸、堿、鹽等概念模型的建構(gòu)，教師可以先用定義確定新概念的本質(zhì)屬性，然后引導(dǎo)學(xué)生進行實驗檢驗，最后解決問題。

2.建構(gòu)規(guī)律模型，掌握化學(xué)規(guī)律本源

規(guī)律模型建構(gòu)是指在高中化學(xué)教學(xué)中通過建立化學(xué)規(guī)律模型來解決學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)過程中的化學(xué)實際問題?？陀^世界中紛繁復(fù)雜的化學(xué)元素是有規(guī)律的，化學(xué)教學(xué)中，教師把表面看似沒有規(guī)律的化學(xué)知識，運用抽象思維發(fā)現(xiàn)化學(xué)規(guī)律，找到化學(xué)規(guī)律模型，應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)，提高課堂效率。

學(xué)生對生活中的現(xiàn)象只能說較為熟悉，但未必明白其本質(zhì)，對化學(xué)現(xiàn)象的理解不僅做不到熟悉，甚至可能有錯誤的認(rèn)識。這就需要教師進行情境創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生疑問，并根據(jù)事實與經(jīng)驗建立假設(shè)。學(xué)生則根據(jù)已有知識結(jié)構(gòu)，在教師的適當(dāng)引導(dǎo)下建立新模型，開展實驗，尤其是要通過控制變量等方法，開展實驗探究，對自己建立的模型進行檢驗。然后教師提供實例，引導(dǎo)學(xué)生進行模型解釋與應(yīng)用（如圖8）。

3.建構(gòu)實驗?zāi)Ｐ?，揭示化學(xué)學(xué)科特點

實驗?zāi)Ｐ徒?gòu)是根據(jù)高中化學(xué)實驗的特點，依據(jù)高中化學(xué)實驗中的相似原理，對實驗進行建模、用模。從心理學(xué)來說，每個人都存在好奇心。高中生的心理特點表現(xiàn)為對化學(xué)實驗有一種天然的好奇心，在好奇心的驅(qū)動下，學(xué)生對化學(xué)的興趣也會增加。

物質(zhì)的性質(zhì)有化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)等。學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)需要設(shè)計實驗方案對物質(zhì)相關(guān)性質(zhì)進行探究，記錄實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，同時分析探究和預(yù)測的一致性與差異性，得出實驗結(jié)論，并能用實驗?zāi)Ｐ蛯ξ镔|(zhì)性質(zhì)進行合理解釋（如圖9）。

4.建構(gòu)思維模型，凝練化學(xué)思維過程

思維模型是人腦借助活動建立起來的有關(guān)知識概念的框架和網(wǎng)絡(luò)。它的建構(gòu)是對化學(xué)物質(zhì)通過價-類二維模型來解決化學(xué)問題的過程。思維結(jié)構(gòu)隨著事物的發(fā)展和人的認(rèn)識發(fā)展而發(fā)展，同時思維模型對人的認(rèn)識具有重要作用。思維是一個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)［5］，思維模型就是思想的基本過程，學(xué)生要通過建構(gòu)化學(xué)思維模型來解決化學(xué)思維問題，將化學(xué)性質(zhì)通過化學(xué)思維模型表達出來。

對于陌生物質(zhì)我們可從元素化合價、物質(zhì)類別等不同維度分析，通過建立化合價、物質(zhì)類別分析思維模型，假設(shè)物質(zhì)性質(zhì)并探究證明，最后用模型加以解釋（如圖10）。

綜上所述，模型認(rèn)知在學(xué)業(yè)質(zhì)量評價中有著重要地位，在全國各地的化學(xué)高考卷中已有充分體現(xiàn)，教師在平時教學(xué)中應(yīng)注重建構(gòu)各類認(rèn)知模型，增進學(xué)生的化學(xué)學(xué)科理解，實現(xiàn)“教—學(xué)—評”一致性。

參考文獻：

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［4］徐超成，陳進前. 增進化學(xué)學(xué)科理解的三個思考方向［J］. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2021（19）：1-5.

［5］胡衛(wèi)平，魏運華. 思維結(jié)構(gòu)與課堂教學(xué)：聚焦思維結(jié)構(gòu)的智力理論對課堂教學(xué)的指導(dǎo)［J］. 課程·教材·教法，2010（6）：32-37.

（責(zé)任編輯：羅小熒）