化学核心素养之构建模型认知在教学中的应用

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》提出教育质量的根本标准是“促进人的全面发展、适应社会需要”[1]，学生发展核心素养恰与标准指向相一致。高中化学核心素养作为高中生发展核心素养的重要组成部分，是对“高中生通过化学课程能得到什么发展”问题的直接回答[2]。

逻辑分析能力是信息时代的核心，而概念时代需要的是高概念化、高感性的人才。《高中化学课程标准(征求意见稿)》中提出“模型认知”是化学学科核心素养之一。因为，化学研究是在不可见的原子、分子水平上进行的，物质性质及其变化规律的解释也万分抽象。模型的建立，是化学家感性思考力的一种体现，他们可以“看到”试图研究的实体或过程，并据此设计实验和有效探索，进而展开证据推理和知识建构[3]。可见，模型的构建是感性思考与逻辑思维之间的桥梁。

一、化学学科核心素养之模型方法与模型认知能力

1.“模型”的界定

“模型”是指模拟原型的存在结构或运动形态并以某种形式呈现出来，它能描述原型的本质特征，但不再覆盖原型的全部特征[4]。钱学森这样定义模型：“模型是通过对问题现象的分解，利用原理吸收一切主要的因素，略去一切不主要的因素，所创造出来的一幅图画……”

图1 模型认知的过程

2.高中化学模型分类及认知过程

模型方法即利用构建的模型来揭示目标原型的形态、特征和本质的方法。一般的模型认知过程如图1所示；高中化学模型分类及实例见图2；高中生的化学“模型认知”能力包括化学认识思路和化学分析框架[5]，具体方法如表1所示。

图2 高中化学模型分类及实例

表1 化学“模型认知”构成

构成方法认识内容举例认识思路分析,推理研究对象的本质属性和特征、构成要素及其相互关系根据官能团预测未知物质的性质分析框架借助语言、图像、符号,包括数学表达式通过建立模型认知,理解化学现象的本质和规律电子式、化学方程式、平衡曲线图、碰撞理论、PV=nRT等

二、化学学科核心素养培养目标下的“模型”教学现状

创建能够解释真实现象的模型是核心素养之一，但模型认知方式对化学学科的重要性在我国化学教育界对“模型”及其教学的研究上并无充分展现 [4]。

1.当前高中化学关于“模型”的教学现状

高中化学对模型教学的关注与其他学科相比较少。文献报道及教辅资料对教材中的模型资源缺乏深入分析，也尚未系统分类和整理出可用于教学的模型。

教科书是多数教师教学设计的重要依据。研究显示，2006年至今新教材已正式使用12年，但多数教师在计划教学活动时依然着重于教材中的知识结构，真实的教学情境中缺少模型设计，忽视了从模型切入的引导，依照知识为本进行传授式教学，从而在教学中无法关注高于知识本身的学科核心素养[6]，也导致学生在学习过程中难以发展以模型为主的认知想法[7]。

2.《普通高中化学课程标准》中与模型相关的教学要求

学科内容学习是发展核心素养的重要载体，《普通高中化学课程标准》(2017年版)有多处课程内容直接提到与模型相关的教学要求(见表2)。

根据“模型认知”对高中学生发展的具体要求，提出相应的课程目标(包括能认识化学现象与模型之间的关联，能运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质并预测可能的变化)；能依据物质及变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架等。这就要求一线教师尽可能从模型出发开展教育教学研究。

表2 高中化学课程主题内容中与模型相关的教学要求

课程相应主题涉及模型的内容必修主题1:化学科学与实验探究了解实验、假说、模型、比较、分类等方法在化学科学研究中的运用等主题4:简单的有机化合物及其应用搭建球棍模型,认识有机化合物分子结构的特点等选择性必修模块1化学反应原理主题2:化学反应的方向、限度和速率引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程,结合具体实例,促使学生体会化学平衡常数在判断平衡状态、反应方向、分析预测平衡移动方向等方面的功能价值模块2物质结构与性质主题1:原子结构与元素的性质了解有关核外电子运动模型的历史发展过程,认识核外电子的运动特点主题2:微粒间的相互作用与物质的性质能借助分子晶体、共价晶体、离子晶体、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用等主题3:研究物质结构的方法与价值认识物质的空间结构可以借助某些实验手段来测定,通过这些手段所获得的信息可为建立物质结构模型或相关理论解释提供支撑

续表2

课程相应主题涉及模型的内容模块3有机化学基础主题1:有机化合物的组成与结构有机化合物的组成与结构,通过模型拼插或动画模拟建立对有机化合物分子结构的直观认识等主题3:生物大分子及合成高分子情境素材建议采用淀粉、纤维素、蛋白质、脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构示意图或分子模型等选修课程系列1实验化学主题2:化学原理探究借助化学软件、实物模型进行分子结构理论计算、分子结构模型搭建等主题3:化学工程研究进展关注化学理论的历史演进过程,结合理论模型发展中的重要事实和科学家的推理论证过程,引导学生认识化学理论的建立过程和思想方法,发展学生的高级思维能力及其对科学本质的认识等

三、模型在化学教学中的构建和应用

认知心理学认为，学生的知识经验既包括概念系统(如理论、原理、规律、概念等)，又包括表象(如观念和印象等)，在化学学习中，模型可以将印象具体化。因此，模型方法是中学化学教学中较为有效的手段，而课堂是模型方法和模型认知能力落地生根的首要阵地。

HEC-RAS由美国陆军总队水文工程中心开发，可以模拟水面线恒流和非恒流，水质分析及泥沙输移计算[16-17]。本文选用最新版HEC-RAS5.0。HEC-GeoRAS由美国陆军总队水文工程中心和美国环境研究所(ESRI)共同开发，HEC-GeoRAS可以考虑水力学，沉积物输送，河道粗糙度和相关边界条件的影响，并在ArcGIS平台下结合遥感影像提取HEC-RAS模型所需的空间几何数据。模拟的主要操作流程如下：

从各变量的相关系数可以看到，社会认知两个基本维度中，社群性与中庸思维及其各维度存在极显著相关，而能动性与中庸思维总分相关，与多方思考极显著相关。

1.新授课中物理模型和概念模型的应用

学生对新知识的学习是建立在原有知识结构基础之上的。只有当学生将知识与经验联系起来，在头脑中建立形象的模型，对知识既有感性认识又有理性认识，才能形成可靠的知识体系。新授课中，物理模型可以变抽象为直观，概念模型可以让学生对概念性的知识具有感性认识，减少对此类内容的曲解。模型的引入可以较好地引导学生建立正常的知识链接。

急救科普工作，因为是急诊科医护人员自发组织的，医院管理层并不了解。罗杰2008年升任院长一段时间以后，他了解到科普小分队的存在，鼓励医院上下多多支持。

(1)物理模型的应用。高一学生建立“物质的量”这个抽象概念是相当有难度的。教材中的陈述是“为了将一定数目的微观粒子与可称量的宏观物质联系起来，引入了物质的量。1 mol某种微粒集合体中所含的微粒数与0.012 kg12C中所含的原子数相同。”教师可以通过举例将生活中的现象运用到课堂中，如图3中物质的量的物理模型，使每一位学生一说起物质的量，脑中马上跳出粒子的集体这样一个图像，让学生可以不再生搬硬套公式而是根据自己的理解进行计算。

图3 物质的量的物理模型

图4 物质的量的概念图

(2)概念模型的构建。概念模型主要以概念图表达(如图4中物质的量的概念图)。概念图是美国诺瓦克(Joseph D.Novak)教授等人提出的将基本概念网络化并以结构图的形式呈现出来的一种组织和表征知识的教学方式，目的是有效帮助学生理解学科知识。新授课中让学生构建概念图，可以让他们轻松理清概念间的独立和从属关系，使分散的概念系统化、知识结构化。需要注意的是在概念图中每个概念只出现一次。

2.习题课中抽象模型的构建

基于核心素养的化学课程发展所蕴藏的真实性(authenticity)要求是：学生在将化学内容、化学方法、化学应用三者融合于真实情境问题的解决过程中，逐步内化并表现出化学核心素养[8]。习题课中，帮助学生学会根据题干所提供的条件主动构建模型来模拟真实的工业、实验过程，或运用熟悉的模型去解题，可以达到事半功倍的效果。

3.复习课中数学模型的构建和应用

化学高考尝试从以知识和能力立意向对化学核心素养评价过渡，要重点解决情感、态度、思维等内隐要素的评价问题[9]，指引高中化学教学向培养学生学科核心素养的方向转变。复习课中，基于知识的本质特征及内在关联而构建的数学模型有助于让学生理解知识，达到融会贯通的效果。

1.2.2.2 建立患者健康信息卡以利跟踪随访，出院后把住院期间教授患者的各种知识让患者回忆，并予以提醒和补充，让患者或家属真正掌握功能锻炼的科学性、连续性和重要性，出院后定期对患者随访，提供服务指导，使支持教育系统得以延续，告知患者定期复查，如有不适及时就诊。

(1)图形模型的构建。元素价一类二维图是以物质类别为横坐标，以某种元素的化合价为纵坐标，在二维平面内绘制的含有此元素物质的图像。图5所示是硫元素价一类二维图，从物质类别与核心元素硫的价态分析各物质性质，并据此判定物质的类别通性和氧化或还原性。

图5 硫元素价一类二维图

(2)数式模型的应用。数式模型可以训练学生运用数学这门学科工具定量地分析化学问题，让学生能描述、分析和计算相关核心物理量，提升学生对图形的辨识及对图文之间的转换能力。例如，在化学课程中，以曲线图来呈现某一化学过程中的有关变量关系，抽象出规律——这种方法已广泛应用，在化学高考真题中也屡见不鲜。

例如，2017年浙江选考卷30题的(2)③：已知图6是CH4物质的量在350℃下随时间的变化。画出CH4物质的量在400℃下0～t1时刻随时间的变化曲线。已知(2)在常压、Ru/TiO2催化下，CO2和H2混合气体(体积比1∶4，总物质的量a mol)进行反应，测得CO2转化率、CH4和CO选择性随温度变化情况分别如图7和图8所示(选择性：转化的CO2中生成CH4或CO的百分比)。

反应Ⅰ CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH4

“以我观物，万物皆着我色彩”，这一段歌词中丰富的典故使用加上恰如其分的修辞格使人们瞬间产生在“名落孙山”的秀才眼中世界原来是如此悲凉。

反应Ⅱ CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH5

图6 不同温度下CH4物质的量随时间的变化曲线

图7 CO2转化率随温度变化曲线

图8 CH4和CO选择性随温度变化曲线

这就需要对(2)中针对反应Ⅰ和Ⅱ的图7和图8辨识并转化为文字表述。不难发现，反应Ⅰ是放热反应，Ⅱ是吸热反应。400℃下CH4物质的量随时间变化比350℃快，但产率低。

但结局似乎是注定的。当“海战”结束时，挂太阳旗的航模舰艇大多只是带着斑斑点点的颜料，而挂黄龙旗的航模舰艇上已经溅满了五颜六色的彩花……

鉴于当前对化学教材模型素材开发的局限性，文中所列几种模型也有狭隘性，比如物理模型的恰当性、元素价一类二维图功能的完整性。但模型认知本身体现为对客体已有认知的科学总结，教师合理运用构建模型认知的教学方式，确实可使课程内容易于接受，为学生的后续学习提供有力的思维导向和支撑，有助于学生运用化学模型去理解化学现象和解决化学问题，提高学生的可持续发展核心素养[5]。

[参 考 文 献]

[1] 赵婀娜，赵婷玉.今天，为何要提“核心素养”[N].人民日报，2016-10-13(20).

[2] 吴星.对高中化学核心素养的认识[J].化学教学，2017(5)：3.

[3] JUSTI R S，GILBER J K.Models and modelling in chemical education in chemical education：towards research-based practice [M].New York：Kluwer Academic Publishers，2002：425.

[4] 杨玉琴.化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究[J].化学教学，2017(7)：9-14.

[5] 康凯.论高中化学核心素养“模型认知”思维在教学中的培养[J].新课程(下)，2017(10)：24

[6] 顾建辛.关于化学核心素养培育的微观思考：原电池教学中的“证据推理与模型认知”[J].化学教学，2017(11)：38.

[7] GERICKE N，HAGBERG M.Conceptual incoherence as a result of the use of multiple history models in school textbooks [J].Research in Science Education，2010，40(4)：605-623.

[8] 刘江田.化学核心素养及其在高考试题中的体现：以2016 年高考江苏化学试卷为例[J].中学化学教学参考，2017(1/2)：59.

[9] 岳辉，和学新.学科素养研究的进展、问题及展望[J].教育科学研究，2016(1)：52-59.