郝向英 劉平 吳燕妮

摘要：“模型認(rèn)知”是一種科學(xué)的思維方法，既是化學(xué)科核心素養(yǎng)，也是高中數(shù)學(xué)、物理和生物的核心素養(yǎng)之一，建構(gòu)和應(yīng)用模型的方法在學(xué)習(xí)、工作和科研中作用重大、應(yīng)用廣泛。本文就化學(xué)科知識(shí)中的“認(rèn)知模型”和“‘模型認(rèn)知的過程”進(jìn)行了分析，以便化學(xué)教師和化學(xué)師范生在教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)過程中能更好地落實(shí)“模型認(rèn)知”這一“化學(xué)科核心素養(yǎng)”。

關(guān)鍵詞：模型;化學(xué);模型分類;核心素養(yǎng);認(rèn)知過程;二維圖

模型在《新華字典》中是指按實(shí)物比例和結(jié)構(gòu)制成的物品，如飛機(jī)模型、轎車模型;又稱為“模子”（鑄造或壓制物品用的型器）、模板或模具。從廣義上講，如果一件事物能隨著另一件事物的改變而改變，那么此事物就是另一件事物的模型。

“模型認(rèn)知”是一種科學(xué)的思維方法，既是“化學(xué)科核心素養(yǎng)”，也是高中數(shù)學(xué)、物理和生物的核心素養(yǎng)之一，建構(gòu)和應(yīng)用模型的方法在學(xué)習(xí)、工作和科研中作用重大、應(yīng)用廣泛。所以，化學(xué)教師及化學(xué)師范生認(rèn)識(shí)、理解和應(yīng)用“模型”十分重要。

模型可分為形式模型、思維模型和操作模型。本文以與化學(xué)科相關(guān)度較高的幾種模型，就化學(xué)教師和師范生認(rèn)識(shí)模型、理解模型、應(yīng)用模型和建構(gòu)模型談一些看法與建議，一些與化學(xué)科聯(lián)系少一些的模型本文暫不討論。

一、認(rèn)識(shí)模型

要培養(yǎng)學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)，教師首先就要認(rèn)識(shí)與化學(xué)科相關(guān)的各種模型。

1.形式模型

形式模型是用形式化方法構(gòu)建出來的模型，分為實(shí)體模型、虛擬模型、物質(zhì)關(guān)系模型和組織結(jié)構(gòu)模型。其中，虛擬模型與組織結(jié)構(gòu)模型本文暫不討論。

（1）實(shí)體模型：指我們?cè)谏a(chǎn)生活和教育科研中實(shí)際存在的、具有一定體積和重量的物理形態(tài)和按一定比例放大或縮小的物件?？梢苑譃閷?shí)驗(yàn)裝置模型、工業(yè)設(shè)備模型和分子原子模型。

①實(shí)驗(yàn)裝置模型：典型實(shí)驗(yàn)裝置就是一種能演變出多種構(gòu)形相似、功能相近的變形裝置的模型。如：初中化學(xué)的“固+固加熱反應(yīng)裝置”“固+液反應(yīng)裝置”，高中的“氣體吸收裝置”，由它們可以演變出多種變形裝置。這種變形裝置的原型就是“模型”。

②工業(yè)設(shè)備模型：如教學(xué)中使用的煉鐵高爐模型，宣傳用的污水處理廠和換流閥水冷設(shè)備等，這些把大型工業(yè)設(shè)備縮小做成便于觀察的道具就是“工業(yè)設(shè)備模型”。

③分子、原子模型：分子模型可以是球棍式、比例式模型。

（2）物質(zhì)關(guān)系模型：在化學(xué)中主要指物質(zhì)性質(zhì)關(guān)系（如思維導(dǎo)圖）或轉(zhuǎn)化關(guān)系圖和“素‘價(jià)——類圖”。

本文把原子、分子歸類為實(shí)體模型是因?yàn)楝F(xiàn)代隧道顯微鏡已能拍攝出原子、分子的圖象，通過實(shí)驗(yàn)已證實(shí)了電子、原子核、電子分層排布的事實(shí)。而電子云、原子軌道和分子軌道是薛定諤方程計(jì)算的結(jié)果，這里把它們歸為理論模型。

2.思維模型

思維模型分為數(shù)學(xué)模型、理論模型和推理模型。

（1）數(shù)學(xué)模型：數(shù)學(xué)模型分為公式模型、方程模型、算法模型和曲線模型。

理科類的各種公式就是數(shù)學(xué)模型的一種，這些公式往往可以推論出其他變形公式。例如：初中化學(xué)的溶解度公式：S=m（溶質(zhì)）gm（溶劑）g×100g，質(zhì)量分?jǐn)?shù)公式：溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)=m（溶質(zhì)）m（溶劑）×100%;高中化學(xué)有關(guān)物質(zhì)的量公式n=NNA、n=mM、Vm=Vn、CB=nBV，化學(xué)反應(yīng)速率公式v=ΔcΔt，平衡常數(shù)K的計(jì)算公式（略）等;大學(xué)《結(jié)構(gòu)化學(xué)》中的一維薛定諤方程：-22μ2Ψ（x，t）x2+U（x，t）ψ（x，t）=iψ（x，t）t，三維薛定諤方程：-22μ（2Ψx2+2Ψy2+2Ψz2）+U（x，y，z）ψ=iψ（x，t）t，定態(tài)薛定諤方程：-22μ2ψ+Uψ=Eψ等都是。

各種化學(xué)方程式，尤其是離子反應(yīng)方程式，代表的是一類反應(yīng)，說它是一種模型也不為過。在計(jì)算機(jī)課程中，對(duì)某種問題處理的算法模型，化學(xué)中的溶解度曲線、中和滴定曲線（可推理出各種氧化還原滴定曲線）、能量變化曲線、速率平衡曲線也是曲線模型。

（2）理論模型：化學(xué)中有著各種各樣的理論模型，如原子分子論、元素周期表與元素周期律、化學(xué)平衡理論、電解質(zhì)及電離理論、電化學(xué)理論等，都屬于理論模型。

而理論模型的建立通常是運(yùn)用了推理模型。推理須遵循的基本邏輯是思維的基本形式之一，它是由一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷（前提）推出新判斷（結(jié)論）的過程。推理表現(xiàn)形式有直接推理、間接推理等，推理模型（或模式）分為歸納推理、演繹推理和類比推理。

①歸納推理：是一種由個(gè)別到一般的推理。由一定程度的關(guān)于個(gè)別事物的觀點(diǎn)過渡到范圍較大的觀點(diǎn)，由特殊具體的事例推導(dǎo)出一般原理、原則的解釋方法。例如人教版初中化學(xué)：由白磷、紅磷在鐵片上加熱及白磷在熱水中通入空氣的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出燃燒的條件;由紅磷在密封錐形瓶中燃燒前后稱重實(shí)驗(yàn)，鐵釘與硫酸銅溶液置換實(shí)驗(yàn)，在用氣球封閉試管中鹽酸與碳酸鈉反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出質(zhì)量守恒定律等，都是歸納推理的典型范例。

②演繹推理：就是由一般到特殊的推理方法，與“歸納法”相對(duì)。包括三段論、假言推理和選言推理等。歐幾里德幾何方法公理到定理、再到證明，牛頓力學(xué)和愛因斯坦的相對(duì)論都是演繹推理的范例。在教育工作中，依據(jù)一定的科學(xué)原理設(shè)計(jì)和進(jìn)行教育與教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，均離不開此法。演繹推理的最典型、最重要的應(yīng)用，通常存在于邏輯判斷和數(shù)學(xué)證明中。

在中學(xué)化學(xué)中，原子分子論在進(jìn)行假設(shè)后推論出其他原子分子的共性和持性，再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;化學(xué)計(jì)算類的演算和理論模型的推演。例如應(yīng)用化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)計(jì)算式計(jì)算某具體反應(yīng)特定條件下的速率和平衡常數(shù);由水溶液中電解質(zhì)的電離理論推演出具體電解質(zhì)溶液的電離度、電離常數(shù)或溶液酸堿度等，都是屬于演繹推理。

③類比推理：類比推理亦稱“類推”，是推理的一種形式。根據(jù)兩個(gè)對(duì)象在某些屬性上相同或相似，通過比較而推斷出它們?cè)谄渌麑傩陨弦蚕嗤耐评磉^程。它是從觀察個(gè)別現(xiàn)象開始，因丙種事物間某些屬性相似而進(jìn)行的歸納推理。但它又不是由特殊到一般，而是由特殊到特殊，因而又不同于歸納推理。分完全類推和不完全類推兩種形式。完全類推是兩個(gè)或兩類事物在進(jìn)行比較的方面完全相同時(shí)的類推;不完全類推是兩個(gè)或兩類事物在進(jìn)行比較的方面不完全相同時(shí)的類推。

3.操作模型

典型規(guī)范的操作方法或步驟就是操作模型。在化學(xué)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)基本操作、典型實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作步驟或流程、典型計(jì)算步驟和教學(xué)模式，都是操作模型。例如：實(shí)驗(yàn)室蒸餾裝置和氯氣的制取裝置的安裝、制取和拆卸的規(guī)范步驟，工業(yè)生產(chǎn)流程（如自來水生產(chǎn)流程），化學(xué)計(jì)算要求表達(dá)的計(jì)算步驟都是。教學(xué)策略中的教學(xué)模式，如“自學(xué)點(diǎn)撥式”、“激疑探究式”、“點(diǎn)撥反饋式”、洋思中學(xué)的“先學(xué)后教”、杜郎口中學(xué)的“10+35”等，都是教學(xué)實(shí)操模型。

二、不同知識(shí)“模型認(rèn)知”的方式和過程

學(xué)生思維發(fā)展必須符合科學(xué)知識(shí)和思維發(fā)展的規(guī)律，不同知識(shí)塊在引導(dǎo)學(xué)生思維發(fā)展過程中，模型認(rèn)知的方式和過程也略有不同。教師要了解這些思維過程的不同點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用在教學(xué)之中。

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?gòu)和應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?gòu)和應(yīng)用經(jīng)過了具體問題、分析問題、構(gòu)建模型、理解模型和應(yīng)用模型幾個(gè)環(huán)節(jié)，思維逐步深入，能力要求也不斷提高。由知識(shí)表征過渡到行為表征，最后形成抽象表征。

2.物質(zhì)關(guān)系模型的建構(gòu)和應(yīng)用

物質(zhì)關(guān)系模型可以是轉(zhuǎn)換關(guān)系圖和二維價(jià)類圖，它的建構(gòu)運(yùn)用了由特殊到一般的歸納推理過程。先選定具體物質(zhì)，再通過發(fā)散聯(lián)想鈉的各種化合物，用箭頭將含該元素的單質(zhì)和各種化合物聯(lián)系起來，或在價(jià)類二維坐標(biāo)中定點(diǎn)寫出和連接，從而建構(gòu)出物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系模型。

3.理論模型的建構(gòu)和應(yīng)用

理論模型的構(gòu)建通常用到的是歸納推理、演繹推理和類比推理，不同的推理方法其二維表征的過程是不盡相同的。

（1）歸納推理：以歸納推理方式建構(gòu)理論模型及應(yīng)用的過程見圖1（以質(zhì)量守恒定律為例）。

它是由特殊到一般的推理過程。還有如質(zhì)量守恒定律、燃燒的條件、氧化還原反應(yīng)、金屬活動(dòng)順序等都是。

（2）演繹推理：以演繹推理方式建構(gòu)理論模型及應(yīng)用過程見圖2（以原子理論模型為例）。

它是由特殊到一般的推理過程。象原子分子論、酸堿電離理論、物質(zhì)的量及相關(guān)的計(jì)算公式等用的是從一般到特殊的演繹推理。

（3）類比推理：以類比推理方式建構(gòu)理論模型及應(yīng)用過程見圖3（以勒沙特原理例）。

類比推理是尋找一個(gè)新事物與另一舊事物的共性，類推出新事物的屬性或得出結(jié)論的過程。如酸和堿的通性、同主族元素的周期性、相似物質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)、相似相容原理等用到的是類比推理。在某些歸納推理和演繹推理過程中，也可能用到類比推理。

（4）其他模型：限于文章篇幅，以下幾類模型不再畫出二維圖，只展示它們的思維過程。

①公式模型：測量數(shù)據(jù)→發(fā)現(xiàn)規(guī)律→建立公式→發(fā)現(xiàn)誤差→修正建立公式模型。

例：平衡時(shí)各物質(zhì)濃度→濃度商是定值→平衡常數(shù)公式→與方程系數(shù)有關(guān)→平衡常數(shù)公式。

②方程模型：具體方程式→一類方程→發(fā)現(xiàn)規(guī)律→方程模型→應(yīng)用。

例：鹽酸與燒堿反應(yīng)→酸堿反應(yīng)→只有H+與OH-反應(yīng)→離子方程式→離子方程式書寫。

③曲線模型：具體反應(yīng)→實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)→坐標(biāo)描點(diǎn)→曲線模型→推廣應(yīng)用。

例：酸堿中和反應(yīng)→pH數(shù)據(jù)→坐標(biāo)描點(diǎn)→中和滴定曲線→氧化還原曲線。

④典型計(jì)算步驟模型：計(jì)算原理→計(jì)算各步驟→重復(fù)練習(xí)→計(jì)算步驟模式。

⑤教學(xué)模式：教學(xué)方法→教學(xué)步驟→關(guān)鍵步驟→教學(xué)模式→應(yīng)用推廣。

只有理解了模型，才能應(yīng)用模型，直至在更高的層次上創(chuàng)造新的模型。在化學(xué)教學(xué)中一些簡答題，如用化學(xué)平衡原理解釋合成氨的條件選擇、用溶度積和沉淀溶解平衡原理解釋沉淀的溶解與轉(zhuǎn)化、用雜化驗(yàn)軌道或價(jià)層電子互拆理論解釋分子的性質(zhì)或空間結(jié)構(gòu)等，教師要求學(xué)生抓住關(guān)鍵詞先表達(dá)什么、再表達(dá)什么，也是一種模型認(rèn)知，即特定內(nèi)容的“語言表達(dá)模型”;處理問題思維方式、人才能力維度和一些學(xué)習(xí)方式也是模型，如“是非原則模型”“艾森豪威爾矩陣模型”“認(rèn)知扭曲原理模型”“肯定式探詢模型”“雙重回路學(xué)習(xí)模型”“個(gè)人能力模型”等。所以化學(xué)核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”非常重要，需要我們廣大化學(xué)教師認(rèn)識(shí)、發(fā)現(xiàn)、體會(huì)并運(yùn)用到教學(xué)中，使學(xué)生通過“學(xué)科知識(shí)→學(xué)科方法→思維方法”認(rèn)知過程具有模型認(rèn)知的意識(shí)和能力。

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責(zé)任編輯錢昭君