鄒國華 童文昭 楊梓生

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

關鍵詞： 教材; 模型; 模型認知; 比較研究

文章編號： 1005-6629（2021）03-0024-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

化學課程要以發(fā)展學科核心素養(yǎng)為主旨，要構建全面發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的高中化學課程目標體系，對于教材的編寫，新課標提出了“依據(jù)化學課程標準，以發(fā)展化學學科核心素養(yǎng)為主旨”等五個方面的編寫原則[1]。教材編寫圍繞核心概念，建構認識模型，外顯思維過程和方法，有利于彰顯核心知識的素養(yǎng)化發(fā)展價值，促進知識向能力和素養(yǎng)的轉化[2]。新課標將“模型認知”確定為化學學科核心素養(yǎng)之一，但教育界對模型的概念還眾說紛紜，其核心要素為： 模型是人們?yōu)榱诉_到對目標對象進行解釋、認識或研究等特定目的，對目標對象所作的一種簡化的、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）使用魯科版化學教材，以下將圍繞魯科版高中化學新舊必修教材中的模型展開研究。

1? 研究對象與意義

研究選取高中化學課程標準實驗必修教科書（魯科版，必修1、必修2）[4，5]與2019年版高中化學必修教科書（魯科版，必修第一冊、必修第二冊）[6，7]為文本，以四本教材正文、各欄目（課后習題和附錄均非課堂主要教學內(nèi)容，因此研究對象不含“練習與活動”“本章自我評價”中的習題與“附錄”內(nèi)容）中的模型為研究對象，統(tǒng)計兩版教材中各類模型數(shù)量、功能及表征情況，并進行增減、替換等比較研究，分析研究結果，為新課程實施提供參考。本研究對模型的分類、功能及表征的概念界定如下。

1.1? 模型的分類

模型有多種分類方式[8～13]，目前尚未形成一致的認識。劉豫東經(jīng)文獻研究，綜合前人的分類后，提出以顯現(xiàn)形式將模型分為物質模型、符號模型和思想模型[14]，此分類方法能將教材中絕大多數(shù)模型納入研究范圍，本研究借鑒此分類法，并繼續(xù)細化為三類九組（見表1）。

1.2? 模型的功能

周赟[15]梳理已有研究成果，認為模型具有描述、解釋、預測、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，是利用模型對物質的結構、變化過程進行簡單化、可視化的表征，如晶胞模型、元素符號等都具有描述功能;解釋功能，是利用模型解釋現(xiàn)象與本質的關系，將觀點、證據(jù)和結論建立起關聯(lián)，形成具有科學邏輯的說明，如離子方程式能解釋反應現(xiàn)象;預測功能，是利用模型對物質性質、變化進行預測，以幫助人們認識物質，如雜化軌道理論模型可以預測陌生分子的空間結構;系統(tǒng)化功能，是利用模型將零散的知識進行系統(tǒng)整理，以形成有序認識思路，建立起系統(tǒng)性思維，如“價-類”二維模型，有助于整理元素化合物知識。

1.3? 模型的表征

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

2? 研究的思路與過程

2.1? 研究思路框架

教材中涉及的模型種類是否多樣、有何教學功能、如何呈現(xiàn)，研究這些問題，將有利于教師深度理解教材中的模型，體會教材編寫意圖，借助模型促進教學。為有序開展模型的類型、功能及表征的研究，借鑒喬羽嬌的研究經(jīng)驗[16]，將教材的“章”作為分析單位，結合表1，逐頁確定所含模型，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? 研究過程與方法

選擇的3名研究員具有豐富教研經(jīng)驗，且熟悉教材。研究前，共同學習本研究的模型分類、功能及表? ??征，為研究的開展做好準備。為方便統(tǒng)計、分析并做到可追溯檢查，設計表2輔助研究（同一模型出現(xiàn)n次，計為n個）。2名研究員先獨立研究，完成每章的一項統(tǒng)計（如A1）后，研究員對比分析結果，存在分歧處進行追溯檢查，若兩人無法達成共識，由3名研究員共同討論，確定統(tǒng)計結果。完成兩版必修教材各章的模型統(tǒng)計和分析后，進行數(shù)據(jù)匯總，得出表3～6的數(shù)據(jù)。

需要說明的是： 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，一個模型可能具有多重功能，如化學方程式，可具有描述、解釋功能，需結合情境分析，若確實兼有此兩項功能時，將在兩處各計一次，因此功能分析的統(tǒng)計數(shù)量會稍多于模型總數(shù);模型的表征分析時，由于某個多重表征的模型可能包含多個符號模型、物質模型，所以此時統(tǒng)計的數(shù)量會少于模型總數(shù)。

3? 研究數(shù)據(jù)與結果討論

新教材對舊教材中的碳、銅、鋁元素及其化合物、有機高分子等內(nèi)容進行了不同程度的刪減，這勢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、離子符號、分子式、化學式在教材中數(shù)量大，重復率高，此類模型（B1）增減、替換的對比研究存在一定難度，因此只進行了數(shù)量統(tǒng)計。

3.1? 模型類型研究結果與討論

通過對新舊教材中模型類型的統(tǒng)計、分析，整理出表3、 4數(shù)據(jù)。

符號模型在兩版教材中數(shù)量多，占比大，并主要以元素符號、離子符號、化學式、分子式、化學方程式出現(xiàn)。符號模型占比大的原因： 一是化學知識的學習主要以物質的組成、結構與轉化關系呈現(xiàn)，并用簡潔、確切的化學符號進行表達;二是教材中元素符號、離子符號、分子式、化學式等重復出現(xiàn)。兩版教材思想模型占比均高于物質模型的原因是： 高一階段的學生對研究物質的方法、探究問題的思路需要思想模型的引導，故思想模型數(shù)量較多;必修階段涉及的物質結構方面的知識較少，教材中出現(xiàn)的物質模型總體數(shù)量不多，故占比較小。

各類模型中，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;分子結構特征模型、表示物質間轉化的模型，分別增加18、 15個;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，引導性更強，如“要選定一類物質，預測它可能與哪些類別的物質發(fā)生反應;然后選出各類物質的代表物，探究它們之間能否發(fā)生反應”[17]修改為“1.選擇某類物質的代表物;2.選取可能與該物質發(fā)生反應的物質類別的代表物;3.預測反應產(chǎn)物及現(xiàn)象;4.設計實驗裝置及操作步驟，進行實驗”[18]，修改后更具有引導性和實操性。因此，新教材更加注重學生思維方法的引導，關注從微觀上認識和表征物質的結構。

3.2? 模型功能研究結果與討論

對模型功能（見表5）統(tǒng)計分析發(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，可見兩版教材均重視運用符號模型、物質模型等描述和解釋化學物質及其變化，關注學生對微觀結構的理解與表達，注重“宏觀-微觀-符號-圖像”多重表征能力的提升;預測功能的模型數(shù)量偏少，教材中較少設計引導學生預測物質性質與變化規(guī)律的模型，這類功能的模型有待進一步重視和加強。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： 新教材將原來以問題、填空呈現(xiàn)之處替換為具有引導整理歸納功能的模型，以培養(yǎng)學生及時歸納的習慣，是實現(xiàn)知識結構化的重要途徑。如必修1第2章第2節(jié)“概括·整合”欄目中，舊教材的4個問題[19]被替換為分析溶液體系的思路模型[20]，該模型有助于學生將本節(jié)知識進行系統(tǒng)整理，并形成結構化的認識思路。

3.3? 模型表征研究結果與討論

從模型表征統(tǒng)計結果（見表6）來看，符號是兩版教材中模型的主要呈現(xiàn)形式，這與化學學科的本身特點有關。化學符號作為化學特有語言，具有簡明直觀、概括性強等特點，是表征化學物質及其轉化、物理量間關系的重要工具。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，圖像表征具有簡潔、直觀等優(yōu)點，多重表征通過符號、圖像、文字等混合形式呈現(xiàn)，有助于學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生對模型的準確理解，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確傳遞模型，有將文字、圖像等同類形式替換的現(xiàn)象，如“標準狀況下1mol氣體體積大小的示意圖”[21]替換為“標準狀況下1mol氣體體積與足球體積大小的比較的示意圖”[22]。新教材多個模型在舊教材的基礎上增加了其他表征類型，如苯等有機分子由原來的文字、符號、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? 結論與建議

4.1? 結論

通過上述比較、討論，得出以下研究結論。

從模型類型角度看，兩版教材都關注符號模型基礎，注重提升多重表征的自覺性與規(guī)范性。必修教材使用對象為高一全體學生，從以往教學來看，高一新生化學式、方程式等符號表征能力處于較低水平。必修教材注重初、高中銜接，關注學生符號模型基礎，教材中物質及轉化盡可能用簡約、規(guī)范的符號模型進行表征，為學生提供了很好的“化學語言”環(huán)境，促進學生使用符號模型的自覺性與規(guī)范性。新教材在過程模型和方法模型上都增加較多，即新教材更關注模型建構，外顯思維過程與方法，高一階段的學生在研究物質的方法、探究問題的思路上有待引導，因此思想模型，特別是方法模型增加，有益于啟發(fā)學生進行化學問題的探究。

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，但預測、系統(tǒng)化功能比例較少。預測、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，新教材在編寫時增加了預測、系統(tǒng)化功能模型的數(shù)量，說明新教材更加注重知識遷移能力、整理歸納能力的培養(yǎng)，教材中通過設置相應的模型，為學生提供思路和方法的引導，以提升預測未知物質性質、整理歸納知識的能力。

從模型的表征來看，兩版教材模型均呈現(xiàn)出以符號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，但主要以符號形式表征，這與學科特征有關;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，希望簡潔、直觀、準確傳遞模型，促進學生對抽象知識、規(guī)律的理解。

4.2? 新課程教學建議

新教材在編寫上更加關注認識模型的建構，多角度地詮釋了“模型認知”素養(yǎng)，為充分發(fā)揮教材中的模型價值，促進學生“模型認知”素養(yǎng)發(fā)展，建議新課程教學關注以下幾點。

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、種類多，功能和表征形式多樣化，這些模型打通了從知識到能力到素養(yǎng)的通道。教學中要分析各類模型的特征，充分發(fā)揮模型的教學功能： 以方法模型引導學生進行問題探究，以過程模型、理論模型引導學生理解科學本質，以符號模型引導學生科學表征物質及其變化。

豐富教材中物質模型的形式和類型。多種形式表征抽象知識，形成對化學知識的多重編碼，有利于深刻理解知識[25]，教材中物質模型的數(shù)量不多，且教材的材質、篇幅影響了模型的呈現(xiàn)，而現(xiàn)實的教學卻能打破這些限制，可根據(jù)需要增加物質模型的形式和類型，如在教材模型圖的基礎上，可通過展示實物模型、動手搭建結構模型、運用多媒體技術立體呈現(xiàn)微觀結構，彌補教材模型的不足，突破教學難點，提升教學效果。

自主建構促進教學的思想模型。教材中思想模型的占比小，高一學生所掌握的學科思維、方法還有待提升，完成各種探究活動需要思維和方法的引導，因此教師可根據(jù)需要自主建構方法模型、過程模型，促進探究活動的順利開展。例如“若想獲得純凈氯氣，對該裝置還需要進行哪些改進？”[26]的探究活動，可建構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，引導學生自主思考探索除雜方案。

參考文獻：

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

[2]王磊， 陳光巨， 曹居東. 普通高中教科書化學教師用書（必修第一冊）[M]. 濟南： 山東科技出版社， 2019： 2.

[3][8]單旭峰. 對“模型認知”學科核心素養(yǎng)的認識與思考[J]. 化學教學， 2019， （3）： 8～13.

[4][17][19][21][23]王磊主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學1[M]. 濟南： 山東科技出版社， 2007： 10， 23， 34， 46， 100.

[5]王磊主編. 普通高中課程標準實驗教科書·化學2[M]. 濟南： 山東科技出版社， 2007.

[6][18][22][26]王磊主編. 普通高中教科書·化學必修（第一冊）[M]. 濟南： 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·化學必修（第二冊）[M]. 濟南： 山東科技出版社， 2019： 31， 41， 78.

[9]陸軍. 化學教學中引領學生模型認知的思考與探索[J]. 化學教學， 2017， （9）： 19～25.

[10]張發(fā)新. 利用模型構建促進學生化學學習[J]. 化學教學， 2017， （5）： 24～29.

[11][14]劉豫東. 中學化學教學中模型方法的研究[D]. 濟南： 山東師范大學碩士學位論文， 2004： 6～11.

[12]肖翔. 高中化學模型教學的理論與實踐研究[D]. 武漢： 華中師范大學碩士學位論文， 2018： 6～8.

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

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

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

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