程俊 蘭建祥
摘 ?要:“模型認(rèn)知”素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分。本文辨析了模型的概念與分類、“模型認(rèn)知”的內(nèi)涵與“模型認(rèn)知”素養(yǎng)水平,并以一節(jié)電化學(xué)優(yōu)質(zhì)展示課為案例,提煉出發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的流程和教學(xué)策略。
關(guān)鍵詞:模型認(rèn)知;模型;電化學(xué);原電池;電解池
“模型”方法作為一種重要的科學(xué)操作與科學(xué)思維的方法,蘊(yùn)含著很高的認(rèn)知價值。人類在認(rèn)識和改造客觀世界的過程中,從實(shí)踐出發(fā),運(yùn)用概括、歸納、抽象等思維方式對在實(shí)踐中獲取的信息進(jìn)行加工,形成對客體屬性、特征的理解和認(rèn)識,即模型。這種理解和認(rèn)識一旦被證實(shí)符合客觀或正確反映了客觀,即產(chǎn)生知識、理論或真理。
“模型認(rèn)知”這一重要的科學(xué)思維方法,正隨著新課程改革進(jìn)入廣大化學(xué)教師的視野,發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)也逐漸成為化學(xué)教學(xué)所追求的目標(biāo)??上驳氖?,很多老師已經(jīng)有意識地在教學(xué)中建立各種認(rèn)知模型,基于模型認(rèn)知增進(jìn)學(xué)生的學(xué)科理解,形成學(xué)生解決復(fù)雜問題的思維框架。但是,調(diào)研中也發(fā)現(xiàn),發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知素養(yǎng)的教學(xué),其效果并不理想。為此,本文試圖厘清與模型認(rèn)知相關(guān)的概念,并以《電解原理的應(yīng)用》為例,構(gòu)建基于模型認(rèn)知的教學(xué)流程,提出基于模型認(rèn)知的教學(xué)策略。本節(jié)課例曾面向全國進(jìn)行展示,并受到廣泛的一致好評。本節(jié)課的授課人為深圳市新安中學(xué)(集團(tuán))蘭建祥老師。
1?模型的概念及分類
1.1 模型的概念
關(guān)于模型的釋義可謂眾說紛紜。但概括起來,主要有兩種意涵。其一,是指實(shí)物的鏡像模型,此模型是實(shí)物原型在物理形狀上的再現(xiàn),再現(xiàn)的載體通常有實(shí)物仿制或圖像刻畫。鏡像模型與實(shí)物原型只具有物理意義上的全等或相似的映照關(guān)系。其二,是指思維模型,此模型是實(shí)物原型本質(zhì)屬性、特征、關(guān)系或規(guī)律的揭示,揭示的方法是運(yùn)用概括、歸納、抽象等思維方式對在原型客體進(jìn)行簡縮或提煉、形象與假設(shè)的表達(dá)。[1][2]思維抽象模型與實(shí)物原型具有具象與抽象、表面與本質(zhì)的邏輯關(guān)聯(lián)。
鏡像模型能夠?qū)崿F(xiàn)“以小見大”的效果,以利于從整體上考察系統(tǒng)中各部分之間的關(guān)系,讓認(rèn)知更整體、更系統(tǒng)。思維模型能對原型內(nèi)部的運(yùn)行機(jī)制或作用原理進(jìn)行揭示或解釋,讓認(rèn)知更本質(zhì)、更精確、更簡潔。一般情況下,人們談及的模型,多半是指思維模型,因?yàn)樗季S模型更具認(rèn)識論和方法論的意義。
1.2 化學(xué)教學(xué)中的模型分類
在化學(xué)教學(xué)的語境中,模型也大體包括鏡像模型和思維模型兩大類。鏡像模型如煉鐵高爐的構(gòu)造示意圖,合成氨工業(yè)工藝流程示意圖,化學(xué)反應(yīng)裝置示意圖等等。思維模型可以根據(jù)其來源分為學(xué)科理論模型和教學(xué)認(rèn)知模型。學(xué)科理論模型是指化學(xué)課程中已有的概念、原理、定律、結(jié)論等,如有效碰撞模型、原子結(jié)構(gòu)模型、八電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)學(xué)說等,這些模型是人類在長期認(rèn)知客觀世界過程中形成的已有科學(xué)模型和認(rèn)知成果,業(yè)已成為化學(xué)學(xué)科的重要內(nèi)容。另一類思維模型,是教師在日常教學(xué)中為了幫助學(xué)生理解學(xué)科內(nèi)容而自主建構(gòu)的思維模型,如物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖、蓋斯定律圖示模型、氣體制備實(shí)驗(yàn)?zāi)P?、?shí)驗(yàn)探究的一般思路模型、等效平衡思維模型、原電池工作原理模型等等。
2?“模型認(rèn)知”的內(nèi)涵與水平
2.1 “模型認(rèn)知”的內(nèi)涵
“模型認(rèn)知”不是一個特定的詞組,它包含模型和認(rèn)知兩方面。蘭建祥指出“模型認(rèn)知”在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中有兩個理解指向,即關(guān)于模型的認(rèn)知和基于模型的認(rèn)知。前者是指認(rèn)知化學(xué)課程中的已有模型,后者是指借助模型方法來認(rèn)知,兩者分別指向教學(xué)內(nèi)容范疇與教學(xué)方法范疇。[3]楊玉琴認(rèn)為“模型認(rèn)知”是利用模型進(jìn)行思維的一種方法?[4],吳星認(rèn)為“模型認(rèn)知”是運(yùn)用模型思想(模型方法)認(rèn)識事物和解決問題的思維方法。?[5]吳克勇認(rèn)為“模型認(rèn)知”是人們利用模型認(rèn)識事物或通過建模解決問題。[6]歸納起來,在化學(xué)教學(xué)中,模型既是認(rèn)知對象,也是認(rèn)知方法。
《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡稱“新課標(biāo)”)對“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的釋義為:“知道可以通過分析、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)知模型,并能運(yùn)用模型解釋化學(xué)現(xiàn)象,解釋現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律”。[7]可見,“新課標(biāo)”的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)更強(qiáng)調(diào)其作為一種思維方法的價值,即通過建構(gòu)模型認(rèn)識事物、解決問題,在方法論上屬于“基于模型的認(rèn)知”。
2.2 “模型認(rèn)知”素養(yǎng)水平
關(guān)于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中模型認(rèn)知的水平層級,吳星等概括為三層,即認(rèn)識科學(xué)模型、掌握模型方法、探索模型建構(gòu)。[8]楊玉琴將模型認(rèn)知劃分為四個水平,即認(rèn)識模型、理解模型、運(yùn)用模型和建構(gòu)模型。[9]蘭建祥認(rèn)為建構(gòu)模型、解釋模型、應(yīng)用模型是達(dá)成“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的三個遞進(jìn)層次。[10]?在“新課標(biāo)”關(guān)于化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分中,將“模型認(rèn)知”素養(yǎng)劃分為4個水平,提取其關(guān)鍵動詞:水平1為“識別、關(guān)聯(lián)、匹配”,水平2為“理解、描述、表示、運(yùn)用”,水平3為“認(rèn)識、評價、改進(jìn)、說明”,水平4為“分析、建構(gòu)、選擇、優(yōu)化”。[11]?雖然新課標(biāo)把“模型認(rèn)知”素養(yǎng)界定為四個水平層次,但每個層次都包括建模、解模與用模三個要素,只是三個要素在不同水平中的表現(xiàn)程度不同而已。
在“模型認(rèn)知”的素養(yǎng)發(fā)展中,蘊(yùn)含著豐富的思維活動,教學(xué)應(yīng)該循序漸進(jìn)地由基礎(chǔ)水平到高水平逐步發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)。但我們也清楚看到,基于模型認(rèn)知的教學(xué)在當(dāng)下的課堂教學(xué)中雖然被重視,但“模型認(rèn)知”素養(yǎng)培育的效果并不理想,多數(shù)學(xué)生還只是停留在模型理解階段,內(nèi)化模型并靈活應(yīng)用模型去遷移解決陌生問題或復(fù)雜問題的能力還遠(yuǎn)未抵及,學(xué)生自主建構(gòu)模型、和自主優(yōu)化模型的能力培養(yǎng)更是相差甚遠(yuǎn)。因此,研究建模教學(xué)的路徑與實(shí)踐策略顯得極為必要和重要。
3?基于模型認(rèn)知的教學(xué)案例分析
如上所述,建構(gòu)模型、解釋模型、應(yīng)用模型是發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的三個遞進(jìn)層次。如何基于這三個遞進(jìn)層次實(shí)施發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的教學(xué)呢?筆者以《電解原理的應(yīng)用》新授課為例進(jìn)行剖析。
3.1 建構(gòu)模型環(huán)節(jié)
任務(wù)一:原型呈現(xiàn)
【1】回顧熟悉的電解水的化學(xué)反應(yīng):2H2O電解(=====)2H2↑+O2↑,引導(dǎo)學(xué)生基于微觀層面理解兩個電極的四種產(chǎn)物
①陰極:生成OH-和H2???????②陽極:生成H+和O2
任務(wù)二:原型剖析
【1】視頻播放:家用多功能電解水機(jī)
【2】引導(dǎo)學(xué)生分析家用多功能電解水機(jī)工作原理(有膜電解):
陰極:生成OH-和H2,產(chǎn)生堿性水和富氫水(供飲用)
②陽極:生成H+和O2,產(chǎn)生酸性水和富氧水(供洗滌用)
任務(wù)三:原型變式
【1】引導(dǎo)學(xué)生分析問題:如圖所示,將下列溶液投入電解池的陽極室或陰極室之后,會發(fā)生什么變化:
Na2SO3溶液投入陽極室→被氧化???②Na2CO3溶液投入陽極室→被酸化
③NaHCO3溶液投入陰極室→被堿化????④NaNO3溶液投入陰極室→被還原
任務(wù)四:模型建構(gòu)
引導(dǎo)學(xué)生基于電解水機(jī)的工作原理來構(gòu)建電解水溶液的電解應(yīng)用模型:
圖4:電解水溶液的電解應(yīng)用模型
案例分析:本節(jié)課的模型建構(gòu),是從經(jīng)典、簡單的原型呈現(xiàn)和演繹開始,以生產(chǎn)生活中的事實(shí)作為證據(jù),對呈現(xiàn)的原型進(jìn)行證據(jù)推理和微觀分析,從而揭示原型的本質(zhì)或規(guī)律;然后對原型進(jìn)行“主體變換”,使學(xué)生在認(rèn)知上實(shí)現(xiàn)觸類旁通、舉一反三;最后一步就是在“一系列具體事實(shí)”的基礎(chǔ)之上概括出一般原理,即建構(gòu)模型。
對比一般的模型建構(gòu),本節(jié)課的建模過程有三個明顯的特征:一是選取的原型外延簡單、內(nèi)涵簡潔,有利于學(xué)生對原型的關(guān)鍵要素進(jìn)行深入剖析;二是承載原型的情境素材銜接學(xué)生的已知或貼近學(xué)生的日常生活,有利于誘發(fā)學(xué)生對原型進(jìn)行深入探索的興趣;三是對原型進(jìn)行證據(jù)推理與本質(zhì)抽象的過程鞭辟入里,使模型的建構(gòu)順理成章、水到渠成。
3.2 解釋模型環(huán)節(jié)
任務(wù)一:強(qiáng)化模型理解
【1】提問:將Na2SO3溶液處理為Na2SO4溶液為例,要實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)用價值,該如何投料呢→向陽極投料,使Na2SO3被氧化。
【2】視頻展示:生鮮蔬菜加工企業(yè)用電解水技術(shù)降低蔬菜中的農(nóng)藥殘留并進(jìn)行消毒殺菌處理(借此強(qiáng)化學(xué)生基于模型來感知電解在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用)。
任務(wù)二:破解模型障礙
解惑:如何理解NO3-離子在電解池的陰極可以被還原成N2??→可以理解為H+得電子首先被還原成H原子,H原子具有極強(qiáng)的活性,NO3-直接捕獲H原子而被還原!
案例分析:面對從具體到抽象構(gòu)建出來的認(rèn)知模型,學(xué)生開始可能將信將疑。故此,需要對模型進(jìn)行進(jìn)一步的詮釋,以鞏固、強(qiáng)化學(xué)生對模型的理解,或者有針對性地化解學(xué)生的理解困惑。比如,對于電解水溶液的電解應(yīng)用模型,學(xué)生常見的困惑就是“含氧酸根離子通常被認(rèn)為不放電,但亞硫酸根離子為何能被氧化、硝酸根離子為何能被還原?”再比如,電解水溶液的電解應(yīng)用模型,其本質(zhì)是基于電解水來理解電解的應(yīng)用,所以其適用條件是電解水溶液,而且是非氯化鈉型的水溶液(因?yàn)镃l-的放電能力大于OH-,此時不再只是電解水)。通過適當(dāng)?shù)膯栴}對模型進(jìn)行剖析,豐富學(xué)生對模型的理解,這是實(shí)現(xiàn)正確和準(zhǔn)確應(yīng)用模型的前提。
3.3 應(yīng)用模型環(huán)節(jié)
任務(wù)一:解釋性應(yīng)用
【1】借助15道有關(guān)電解應(yīng)用的高考題(去題干、去選項(xiàng)、留目標(biāo)、留裝置),引領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用模型去解釋電解在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中形形色色的應(yīng)用。
【2】歸納總結(jié):將15道題高考題中有關(guān)電解的應(yīng)用在模型中對號入座,感悟認(rèn)知模型的“威力”。
圖5:電解水溶液模型的應(yīng)用擴(kuò)展圖
任務(wù)二:創(chuàng)造性應(yīng)用
【1】請設(shè)計一個電解裝置,利用Na2SO4溶液制備酸和堿?
【2】請設(shè)計一個電解裝置,將NaHSO3溶液再生為Na2SO3溶液?
案例分析:建模的目的是用模,通過運(yùn)用模型來描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象,并建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。只有實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)用,才能彰顯模型的價值;也只有經(jīng)歷模型應(yīng)用的過程,才能深化和固化學(xué)生對模型的本質(zhì)性理解,才能實(shí)現(xiàn)知識向能力的有效轉(zhuǎn)化,才能真正發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)。在以上應(yīng)用模型環(huán)節(jié),將模型應(yīng)用設(shè)計為解釋性應(yīng)用和創(chuàng)造性應(yīng)用兩個梯度。解釋性應(yīng)用表現(xiàn)為運(yùn)用模型解釋問題,創(chuàng)造性應(yīng)用表現(xiàn)為運(yùn)用模型自主提出解決問題的方案。
4?基于模型認(rèn)知的教學(xué)策略分析
反思當(dāng)前基于模型認(rèn)知的教學(xué)中存在的問題,結(jié)合上述課例的啟示,深感有三個值得思考和探尋的問題:建怎樣的模型,如何建構(gòu)模型,如何解模和用模。
4.1 建構(gòu)怎樣的模型
在基于模型認(rèn)知的教學(xué)中,“模型”是手段,“認(rèn)知”是目的,所以“模型認(rèn)知”的前提與關(guān)鍵是建構(gòu)一個有用且好用的模。
所謂有用,即有效。作為模型,不能只是對原型簡單放大或縮小的再現(xiàn),而必須是揭示現(xiàn)象背后的本質(zhì)和規(guī)律,這也是模型的根本屬性。誠然,模型越能揭示現(xiàn)象背后的本質(zhì)和規(guī)律,模型的效用性越好。所以,教學(xué)中建立的認(rèn)知模型,應(yīng)該是有用、有效的模型。
所謂好用,即用起來簡便。從原型到模型的過程,是一個從具象到抽象、從表象到本質(zhì)的過程,實(shí)質(zhì)是一個去偽存真、抓大放小的過程。故此,簡約、簡明是模型的重要屬性。模型越簡單,不僅越具有概括性、統(tǒng)攝性和普適性,而且用起來也更能發(fā)揮披云見日、一針見血之效。如果建構(gòu)的模型內(nèi)涵繁瑣、體系龐雜,這樣的模型則與模型認(rèn)知之本義背道而馳。
以上課例中建構(gòu)的電解應(yīng)用模型,在內(nèi)涵上能揭示本質(zhì)和規(guī)律,在形式上簡單明了,這樣的模型既管用又好用,為發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng)提供了基本前提和保障。以上模型,也被很多觀摩教學(xué)的老師所關(guān)注和認(rèn)同,并在教學(xué)實(shí)踐中參考和借鑒。
4.2 如何建構(gòu)模型
多數(shù)老師的建模教學(xué),有兩種傾向有待優(yōu)化:其一,是課堂上缺少建模過程或過程唐突,換言之,模型建構(gòu)過程沒有學(xué)生的參與。有的老師是把自己建構(gòu)的模型直接呈現(xiàn)在學(xué)生面前,硬性讓學(xué)生去機(jī)械地套用模型。學(xué)生缺少對模型的基本理解,只能生搬硬套。于是,模型的認(rèn)知價值難以體現(xiàn)。其二,課堂上有建模過程,但用于建模的“原型”不具有最佳的適切性。這里的適切性,包括選取的原型是否具有足夠的建模價值,也就是原型與模型是否具有高度的匹配性;適切性也包括選取的原型是否貼近學(xué)生的生活實(shí)際,這在很大程度上影響著學(xué)生進(jìn)行證據(jù)推理的欲望和動機(jī)。
在以上課例中,學(xué)生全程參與了對原型現(xiàn)象的證據(jù)推理、變式理解和抽象歸納過程,學(xué)生最終成為模型建構(gòu)的主人。而且,作為建模選取的原型既簡單又生動,尤其是借助家用電解水機(jī)這一生活小情境,就讓電解原理應(yīng)用模型完美地展現(xiàn)在學(xué)生面前,對原型的選取堪稱絕妙。
4.3 如何解模和用模
解模和用模是建模之后的重要環(huán)節(jié),教學(xué)要重視對這一環(huán)節(jié)的設(shè)計。用模著眼于三個需要,一是運(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,即所謂的解釋性應(yīng)用;二是運(yùn)用模型自主制定解決問題的整體方案,即所謂的創(chuàng)造性應(yīng)用;三是通過運(yùn)用模型形成解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。對教學(xué)而言,應(yīng)用模型的本質(zhì),就是訓(xùn)練學(xué)生基于模型認(rèn)知的科學(xué)方法與科學(xué)思維能力,形成學(xué)生的高階思維能力。一旦把認(rèn)知模型內(nèi)化為思維能力,則學(xué)生在遇到類似的系列問題時,就能更有方向、更具效率地運(yùn)用知識去分析和解決問題。
課堂教學(xué)中如何有效且高效地進(jìn)行“用模”的教學(xué)設(shè)計呢?這里有兩個問題值得琢磨:一是選擇什么樣的情境問題,二是設(shè)置多少情境問題。前者是對情境問題質(zhì)的考慮,后者是對情景問題量的斟酌。首先,情境問題應(yīng)該是基于真實(shí)生活、社會場景創(chuàng)設(shè)的問題,引領(lǐng)學(xué)生運(yùn)用模型去解決真問題,在探索問題解決的思維活動中掌握知識、發(fā)展智力、開啟智慧。其次,設(shè)置的情境問題需要一定的數(shù)量,使得用模的強(qiáng)度達(dá)到一定的頻次,方能實(shí)現(xiàn)從量變到質(zhì)變。也就是說,一組情境問題更能強(qiáng)化學(xué)生用模的能力訓(xùn)練,更有利于學(xué)生感知模型的力量,也更有助于思維能力的固化,最終形成解決問題的思維模式。
在以上課例的解模和用模環(huán)節(jié),執(zhí)教者首先是結(jié)合學(xué)生在模型理解中可能存在的認(rèn)知困惑或障礙進(jìn)行模型解讀,然后借助系列情境進(jìn)行組合,據(jù)此強(qiáng)化學(xué)生的用模能力,同時讓學(xué)生感知模型的功能與價值,最終形成解決同類問題的模型匹配策略。
4.4 發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)教學(xué)流程
如何在教學(xué)中切實(shí)有效地發(fā)展學(xué)生的“模型認(rèn)知”素養(yǎng),多數(shù)教師還亟需具體路徑策略或流程的指引。模型建構(gòu)是模型理解和應(yīng)用的前提與基礎(chǔ),模型理解和應(yīng)用是模型建構(gòu)的目的與延續(xù)。所以,建構(gòu)模型、解釋模型、應(yīng)用模型是教學(xué)中發(fā)展學(xué)生“模型認(rèn)知”素養(yǎng)的三個遞進(jìn)層次。這三個遞進(jìn)層次的流程,在以上課例中得以充分展現(xiàn)。并且,模型建構(gòu)包括原型呈現(xiàn)、原型剖析和原型變式三個步驟;模型理解指向?qū)W生對模型的認(rèn)知障礙或認(rèn)知困惑;模型應(yīng)用遵循由易到難、由低級到高級的應(yīng)用程序,即由解釋性應(yīng)用發(fā)展到創(chuàng)造性應(yīng)用;在模型反復(fù)理解和反復(fù)應(yīng)用中,形成新的模型理解,由此對模型進(jìn)行評價以改進(jìn)和優(yōu)化模型,使得“模型認(rèn)知”處于不斷建立和修正的動態(tài)過程。
圖6:發(fā)展“模型認(rèn)知”素養(yǎng)教學(xué)流程
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