美國教材中化學概念的建模思想分析
——以“物質是由原子構成的”為例

孫安龍

（江蘇省揚州市邗江區瓜洲中學　江蘇揚州　225129)

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美國教材中化學概念的建模思想分析
——以“物質是由原子構成的”為例

孫安龍

（江蘇省揚州市邗江區瓜洲中學江蘇揚州225129)

摘要：美國教材《化學：概念與應用》中使用了豐富的模型。模型的建立是化學理論建立的基礎。利用模型可以解釋實驗現象和化學規律，并能作出科學預測。提供結構良好的教材有利于教師進行教學設計。

關鍵詞：美國教材；模型；概念

模型是對所研究目標事物的一種呈現形式。模型可幫助學生記憶與解釋概念，它們讓學生的思維可視化。模型通常會較實體更為簡化，其尺度可能比表征對象大或小，是理論與現象間的中介物。

《化學：概念與應用》是美國高中的主流理科教材，該教材中豐富的模型種類及其蘊含的建模思想，對我們的教育教學有著一定的借鑒意義。教材是教師進行教學設計的重要依據之一，所以提供結構良好的教材，能夠幫助學生建構、發展學科概念。現以第二章“物質是由原子構成的”內容為例進行分析。

一、豐富的模型種類

《化學：概念與應用》中的第二章“物質是由原子構成的”使用了豐富的模型。

1.言語模型

言語模型是指解釋的、描述的、陳述的類比和隱喻的模型。如《化學：概念與應用》中用俄羅斯套娃與電子能級對比時描述到“假如將套娃比做原子，那么，最大的套娃代表最外層、能量最高的能級。類似地，最大的套娃也代表價電子。”

2.視覺模型

視覺模型是指學生通過視覺觀察到的模型（如圖片、表格、視頻、動畫等）。通過形象視覺模型的呈現，學生更易感受到微觀世界的奇妙，也更有助于學生正確理解化學概念的內涵。其實學生在進行概念同化的同時，也是在不斷重新建構自己的心智模型，即在不斷修改和完善自己的知識結構。如《化學：概念與應用》中有“電子遷移就像爬梯子”的模型（見圖1）。

圖1　電子遷移視覺模型

3.數學模型

數學模型是指把客觀事物的某些性質借助數學表達式來表現，數學模型是一種抽象、準確和預測的模型。如《化學：概念與應用》中計算氯的平均原子質量的計算方法（見表1）。

表1　氯原子的平均原子質量

4.符號模型

符號模型是指采用特定的化學專用符號，在符合化學原理的前提下，按照特定的化學組合方式代替原型的一種方法，如《化學：概念與應用》中用符號Cl-37表示一種質量數為37，質子數為17，中子數為20的氯原子。

5.混合模型

混合模型是指多種模型的同時使用。如包含語言的視覺模型稱為視覺混合模型。如《化學：概念與應用》中對陰極射線管的處理采取了混合模型，其在語言模型中描述為“當陰極射線管接上高壓電源后，陰極就會放出一束射線，并在涂有熒光粉的板上生成綠光”。其視覺模型的表現如圖2所示。

圖2　陰極射線管視覺模型

二、多樣的模型功能

由于模型不僅是已有認識的總結，同時也增加了人類的假設和猜想，所以模型具有多樣的功能。

1.簡化復雜現象，利于思考

模型是對研究目標的一種簡化描繪，它簡化并體現原型與研究目標的根本聯系，略去微小的細節。在《化學：概念與應用》中的電子式就是表示價電子的常用符號。它是用小黑點（·）表示價電子，再將這些小黑點描在元素符號的周圍。在電子式中，每個小黑點代表一個電子，而元素符號代表原子的內核（除價電子以外的部分）。

2.提供易于理解的方式

通過模型形成一個關于物質內部如何作用的假想機制，然后通過模擬，去推測物質結構，從而解釋觀察到的實驗現象。在《化學：概念與應用》中用爬梯子的模型來解釋電子遷移。就像你要上下梯子一樣，你的腳只能擱在梯子的橫檔上，電子同樣也只能在一定的能量水平上運動，而不是在兩個能級之間運動。當電子吸收了某個特定的能量后，就可躍遷到相對高級的能級上。這個能量就是電子躍遷的兩個能級之間的能量差。

3.提供深刻理解的媒介

在《化學：概念與應用》中用俄羅斯套娃模型來解釋電子能級。假如你抽出最外層的一個套娃，可以發現，里面有一個類似但小一些的套娃。這個套娃代表由原子核和電子組成的內核，但不含價電子。

4.展示強大的預測能

模型在建立過程中，會舍去大量次要的細節，突出物質的主要特征，因而易于發揮想象，使得模型超越現有條件，形成科學預見。在人類認識原子模型的過程中，盧瑟福通過α—粒子散射實驗（也稱為金箔實驗）來研究原子的結構，通過觀察該實驗的現象，他的研究小組預測出因為電子的質量太小，原子核占據幾乎所有的原子質量。也就是說，原子核非常稠密，核的周圍則是容納電子的寬闊空間。

5.提供實驗與理論的推導關系

如對發射光譜的研究促使科學家提出一個觀點，電子是在圍繞原子核周圍的具有特定能量的軌道上運動的。

三、啟示

美國教材《化學：概念與應用》比較重視模型和建立模型的過程在化學核心概念形成過程中的重要作用。尤其是教材中大量精彩圖片（視覺模型）的呈現，使化學中很多抽象、難懂的化學概念形象地呈現在學生面前，降低了學習難度，并符合學生的認知規律。這也提醒我們在教學中要樹立幫助學生逐步學會建立模型的基本方法，這也會提高我們的課堂效率。

參考文獻

［1］王祖浩等.化學概念與應用［M］.杭州：浙江教育出版社，2008

［2］邱美虹，鐘建坪.模型觀點在化學教科書中的角色與對化學教學之啟示［J］.化學教學，2014，（1)：3-7

［3］周紅，馬云鵬，張二慶.模型與建模在科學教育概念轉變中的作用及啟示［J］.現代教育管理，2013，（4)：52-55

［4］何美，裴新寧.科學教學中的建模活動：若干概念與研究主題［J］.全球教育展望，2009，（2)：82-86

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.012

文章編號：1008-0546（2016）04-0031-02

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B