摘要：模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的描述。按照代表和反映原型的方式，模型可以分為物質(zhì)模型和思想模型。模型的認(rèn)知功能主要包括描述、解釋、預(yù)見、判斷。在模型認(rèn)知的教學(xué)中，可以將模型展示與模型建構(gòu)相結(jié)合，提升學(xué)生的思維能力；將模型觀察與模型制作相結(jié)合，提升學(xué)生的實(shí)踐能力；將模型建構(gòu)與模型演變相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神；將模型建構(gòu)與問題解決相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的解題能力。

關(guān)鍵詞：科學(xué)模型模型認(rèn)知模型教學(xué)

模型認(rèn)知是指利用模型認(rèn)識(shí)事物或通過建構(gòu)模型解決問題的方法。當(dāng)人們需要處理的問題在空間或時(shí)間上與人的官能不匹配時(shí)（如原型太小、太大、太快、太久、太遙遠(yuǎn)或太復(fù)雜等），結(jié)構(gòu)和演進(jìn)過程難以外顯，因果關(guān)系趨向于理論化，就需要借助模型認(rèn)知。

化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的性質(zhì)和變化的學(xué)科，經(jīng)常要運(yùn)用多種模型來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象，預(yù)測(cè)物質(zhì)及其變化的可能結(jié)果，或者依據(jù)物質(zhì)及其變化的信息來建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。因此，模型認(rèn)知是化學(xué)學(xué)習(xí)和化學(xué)研究必不可少的方法。

一、模型概念及其分類

在現(xiàn)代科技文獻(xiàn)和日常語言中，“模型”一詞通常有兩種用法。一是指某一對(duì)象（原型）的復(fù)制品或樣本，最常見的是人們根據(jù)原型的外形、結(jié)構(gòu)特征，按比例放大或縮小而得到的一類比例模型，如合成塔模型、煉鐵高爐模型等。二是指與某一對(duì)象（原型）具有一定相似性的系統(tǒng)，包括：（1）以物質(zhì)的形態(tài)體現(xiàn)或模擬對(duì)象的結(jié)構(gòu)、功能或運(yùn)行規(guī)律的實(shí)物相似模型，如晶體結(jié)構(gòu)模型、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型等；（2）以觀念的形態(tài)摹寫或描述對(duì)象的某些特征、性質(zhì)和規(guī)律的抽象相似模型，如理想氣體模型等。概而言之，模型是人們?yōu)榱四撤N特定目的而對(duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所作的一種簡(jiǎn)化的描述。這種描述可以是定性的，也可以是定量的；有的借助于具體的實(shí)物或其他形象化的手段，有的則通過抽象的形式來表達(dá)。

化學(xué)學(xué)科中的模型種類很多，為了研究它們各自的性質(zhì)、特點(diǎn)和適用范圍，需要選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)加以區(qū)別和分類。按照代表和反映原型的方式，模型可以分為物質(zhì)模型和思想模型（如表1）。物質(zhì)模型是以某種程度、形式相似的模擬實(shí)體再現(xiàn)原型。它不僅可以顯示原型的外形或某些特點(diǎn)，而且可以用來進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)（如化學(xué)教學(xué)中的演示實(shí)驗(yàn)）。思想模型是客觀事物在人的頭腦中的抽象反映形式，是人在頭腦中創(chuàng)造出來的。按照模擬原型的性質(zhì)和特點(diǎn)，思想模型可以分為想象模型、符號(hào)模型和數(shù)學(xué)模型。想象模型是以理想或想象的形態(tài)去近似地反映客體的一種形式，是運(yùn)用思維的力量對(duì)客體進(jìn)行簡(jiǎn)化、純化或猜想、幻想的產(chǎn)物；符號(hào)模型是指借助于專門的符號(hào)并按一定的形式組合來描述客體；數(shù)學(xué)模型是指把客觀事物的某些聯(lián)系或性質(zhì)通過數(shù)學(xué)表達(dá)式表示。

需要指出的是，模型的分類并不是總有那么清晰的邊界，有些模型兼具多類模型的特點(diǎn)。例如原子結(jié)構(gòu)模型，它既保留了物質(zhì)模型的特點(diǎn)，又保留了思維模型的特點(diǎn)。因此，分類也只是為了研究方便而已。

二、模型的認(rèn)知功能

從認(rèn)識(shí)論的觀點(diǎn)看，模型是認(rèn)識(shí)過程的重要環(huán)節(jié)，它把認(rèn)識(shí)過程的各個(gè)因素都匯集在一起。在認(rèn)識(shí)過程中所運(yùn)用的模型履行著各種功能，不僅是對(duì)已有認(rèn)識(shí)的總結(jié)，而且加入了新的猜測(cè)和假設(shè)，含有新的思想和概念。因此，模型的認(rèn)知功能是多樣的，其中最突出的包括下列四個(gè)方面。

（一）描述功能

模型的建立主要依據(jù)類比原則，從觀測(cè)到的事實(shí)出發(fā)，經(jīng)過推理，得出一些抽象的、有組織的觀念，即把各種事實(shí)、現(xiàn)象及其相互關(guān)系納入到一個(gè)抽象的、有組織的系統(tǒng)中。借助模型，可以有效地描述原型的特點(diǎn)以及各種成分或要素的相互關(guān)系，更能突破語言要素必須直線連續(xù)排列的限制，避免抽象語言無法使人一下子獲得整體印象的問題。例如，理想溶液模型描述了濃度變化對(duì)溶液性質(zhì)的影響。

（二）解釋功能

模型，尤其是實(shí)體模型，在人們的認(rèn)識(shí)過程中起著重要的解釋作用。以形形色色的模型為中介，人們可以很好地認(rèn)識(shí)和研究客觀事物。通過模型可以形成一個(gè)關(guān)于事物內(nèi)部如何作用的假想機(jī)制，來模擬、類比和推測(cè)事物的結(jié)構(gòu)和過程，從而達(dá)到對(duì)現(xiàn)象的解釋。模型應(yīng)該符合它賴以建立的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，能夠?qū)τ嘘P(guān)現(xiàn)實(shí)原型的各種觀察、實(shí)驗(yàn)事實(shí)作出科學(xué)解釋。例如，化學(xué)反應(yīng)的碰撞模型能夠解釋各種因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

（三）預(yù)見功能

在模型的抽象過程中，人們舍去了大量次要的細(xì)節(jié)材料，突出了事物或過程的主要特征，因而便于發(fā)揮邏輯思維的力量，使得模型的研究結(jié)果能夠超越現(xiàn)有條件，指示研究的方向，形成科學(xué)的預(yù)見。例如，門捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素周期率，將當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的各種元素按原子量大小排列在一張周期表中，并預(yù)言了當(dāng)時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)的一些元素。后來，這些元素被相繼找到，驗(yàn)證了門捷列夫的預(yù)言。從現(xiàn)代科學(xué)的觀點(diǎn)來看，元素周期表（律）就是一種化學(xué)模型，它成功地處理了各種元素的關(guān)系，并具有很好的預(yù)測(cè)力，能指導(dǎo)以后的研究。

（四）判斷功能

原型與模型之間遵從相似理論，因此借助模型可以檢驗(yàn)原型的可靠性。這種檢驗(yàn)的最終標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)實(shí)踐，但是當(dāng)模型建立在科學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上并為科學(xué)實(shí)踐所證實(shí)時(shí)，它就可以間接地起到關(guān)于原型知識(shí)真實(shí)性的判據(jù)作用。由于科學(xué)規(guī)律能在相應(yīng)的模型中以純粹的、準(zhǔn)確的形態(tài)體現(xiàn)，所以這種判據(jù)作用往往比實(shí)踐的檢驗(yàn)更有力量。例如，由理想氣體模型可以判斷混合氣體中各組分氣體的性質(zhì)，推導(dǎo)出道爾頓分壓定律，因?yàn)樗鼈冎g均遵從理想氣體狀態(tài)方程。

當(dāng)然，在充分認(rèn)識(shí)模型在人類認(rèn)知活動(dòng)中的重要地位和作用的同時(shí)，還必須清醒地認(rèn)識(shí)到模型方法的局限性。首先，模型畢竟不是現(xiàn)實(shí)原型，它與原型之間存在著差異。其次，任何模型的應(yīng)用都不能代替嚴(yán)格的邏輯推理，更不能代替科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)和判定。

三、關(guān)于模型認(rèn)知的教學(xué)思考

（一）模型展示與模型建構(gòu)相結(jié)合，提升學(xué)生的思維能力

化學(xué)教學(xué)中，充分利用直觀的物質(zhì)模型手段，排除學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的畏難心理，盡量讓他們?cè)诟行哉J(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上得出結(jié)論，不失為一種好方法。但是，認(rèn)為給學(xué)生看一下實(shí)物模型便是運(yùn)用模型的教學(xué)，則極大地削弱了模型的教育價(jià)值。模型方法體現(xiàn)了人類思維的科學(xué)抽象和理論概括能力。作為教學(xué)工具，模型不僅可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)，而且可以幫助學(xué)生思考。模型方法需要充分的想象，需要抽象思維和形象思維的靈活轉(zhuǎn)換和高度統(tǒng)一。模型方法的運(yùn)用可以使學(xué)生的認(rèn)知水平逐步從具體向抽象過渡，思維能力逐步從感性上升到理性，從而理解和掌握一些來自于具體事物、現(xiàn)象的抽象科學(xué)概念、理論。學(xué)生一旦將模型方法內(nèi)化為自己的認(rèn)知圖式，就能獲得認(rèn)知水平的躍進(jìn)。

例如，教學(xué)有關(guān)苯的知識(shí)時(shí)，如果只是簡(jiǎn)單地展示苯的比例模型，雖然也能把苯分子的價(jià)鍵特點(diǎn)說清楚，但是會(huì)失去訓(xùn)練學(xué)生思維、提升其思維品質(zhì)的大好機(jī)會(huì)。教師不妨先給出苯的分子式C6H6，要求學(xué)生根據(jù)有機(jī)物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，寫出或畫出符合分子式的各種可能的結(jié)構(gòu)。學(xué)生可能會(huì)寫出或畫出許多同分異構(gòu)體。這時(shí)，教師不妨再給出苯的性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)：（1）（演示得出）苯不能使紫色KMnO4酸性溶液褪色；（2）苯分子的一氯代物、鄰位二氯代物只有一種。由此，鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)自己寫出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。最后，教師再來介紹凱庫(kù)勒提出苯的結(jié)構(gòu)模型的過程。

這樣的教學(xué)過程不但有利于教師了解學(xué)生的內(nèi)部知識(shí)結(jié)構(gòu)，還能提高學(xué)生對(duì)模型的理解力，促進(jìn)學(xué)生概念的發(fā)展，在模型建構(gòu)中實(shí)現(xiàn)概念的形成和理解。

（二）模型觀察與模型制作相結(jié)合，提升學(xué)生的實(shí)踐能力

有計(jì)劃地組織學(xué)生動(dòng)手制作模型，既能發(fā)揮模型的教育作用，又能提升學(xué)生的實(shí)踐能力，還可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，擴(kuò)大學(xué)生的學(xué)習(xí)視野。

例如，教師可以鼓勵(lì)學(xué)生制作各種晶體的結(jié)構(gòu)模型、各種有機(jī)物分子的球棍模型；可以與通用技術(shù)教師合作，讓學(xué)生通過查閱資料，制作煉鐵高爐、沸騰爐、吸收塔模型；也可以鼓勵(lì)學(xué)生利用計(jì)算機(jī)軟件制作各種金屬的密堆積模型、各種分子的立體模型……從而幫助學(xué)生在理解知識(shí)的同時(shí)，提升實(shí)踐能力。

（三）模型建構(gòu)與模型演變相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神

科學(xué)模型雖然與原型具有本質(zhì)上的相似性，但畢竟只是一種相似物，相似的程度有高有低，有時(shí)可能差距很大。所以，依靠模型方法絕不可能窮盡對(duì)原型的認(rèn)識(shí)，所取得的結(jié)果也需要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)。同時(shí)，人的認(rèn)知過程是極為復(fù)雜曲折的，實(shí)踐檢驗(yàn)的過程也是復(fù)雜多變的，這導(dǎo)致檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)本身就具有相對(duì)性。所以，有些模型可能在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)被認(rèn)為是反映了原型本質(zhì)屬性的科學(xué)模型，但最終被證明與原型的相似是非本質(zhì)的，甚至是大大偏離或歪曲的。也就是說，模型始終處在不斷地“建構(gòu)—解構(gòu)—建構(gòu)”的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程中，再好的模型也只是一種階段性的認(rèn)識(shí)成果。所以，模型認(rèn)知的教學(xué)也應(yīng)該是一個(gè)不斷發(fā)展、修正與完善的過程，要使學(xué)生從中認(rèn)識(shí)到“模型是一個(gè)開放的動(dòng)態(tài)體系”。

例如，道爾頓根據(jù)樸素的想象提出了原子實(shí)模型；J.J.湯姆遜在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子的西瓜模型；盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了原子的行星模型；波爾從原子的穩(wěn)定性和原子光譜的不連續(xù)性出發(fā)，建立了半量子化半經(jīng)典的原子模型……

講解這樣的模型發(fā)展過程就是最好的科學(xué)方法教育，不但能讓學(xué)生明白任何創(chuàng)造都要基于實(shí)踐，而且能讓學(xué)生樹立起敢于大膽假設(shè)、不迷信權(quán)威的科學(xué)精神。

（四）模型建構(gòu)與問題解決相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的解題能力

科學(xué)研究是以問題解決為源頭和歸宿的，科學(xué)學(xué)習(xí)也是如此。模型的建構(gòu)可以使對(duì)象直觀化和簡(jiǎn)化，便于研究；又可以簡(jiǎn)略描述研究成果，使之便于理解和傳播；還可以用于計(jì)算、推導(dǎo)、延伸觀察和實(shí)驗(yàn)的結(jié)論等。而這一切都可以服務(wù)于問題的解決。教師要引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中，學(xué)會(huì)確定對(duì)象，然后運(yùn)用已有的知識(shí)進(jìn)行假設(shè)、

模擬、歸納和演繹，將復(fù)雜的事物進(jìn)行簡(jiǎn)化，抽象出其本質(zhì)屬性，建立模型，從而確實(shí)提升學(xué)生的解題能力。

例如，對(duì)于下面的題目：

銅和鎂的合金4.6 g完全溶于濃硝酸，若反應(yīng)中硝酸被還原只產(chǎn)生4 480 mL的NO2氣體和336 mL的N2O4氣體（都已折算到標(biāo)準(zhǔn)狀況），則在反應(yīng)后的溶液中，加入足量的氫氧化鈉溶液，生成沉淀的質(zhì)量為（）

A.9.02 gB.8.51 g

C.8.26 gD.7.04 g

可以鼓勵(lì)學(xué)生建立反應(yīng)過程的模型（如圖1），從而發(fā)現(xiàn)求生成沉淀的質(zhì)量，就是求Cu2+、Mg2+結(jié)合的OH-的質(zhì)量，進(jìn)而明了要通過電子守恒來求OH-的物質(zhì)的量，即Cu2+和Mg2+所帶正電荷的物質(zhì)的量，就是Cu、Mg在反應(yīng)過程中失去電子的物質(zhì)的量，也就是生成NO2和N2O4時(shí)得到電子的物質(zhì)的量。

這樣的教學(xué)使得題目的難度大大降低，學(xué)生的理解也變得簡(jiǎn)單，對(duì)啟發(fā)學(xué)生的思維方法、提升學(xué)生的解題能力也有較大的意義。

參考文獻(xiàn)：

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