化學教學中的模型認知與模型建構及應用

羅炳杰

（廈門市大同中學前埔校區，福建 廈門 361008）

《高中化學課程標準（征求意見稿）》將高中化學學科核心素養細分為5個維度，其中“證據推理與模型認知”這一維度是化學學習和研究的方法和工具。“模型認知”是指基于模型的認知，是學習和研究化學的重要方法。如原子結構、分子結構、晶體結構等知識常用原子、分子、晶體等模型構建；物質變化、能量變化、化學平衡、電離平衡等知識常用分析模型、原理模型、思維模型、數學模型等模型構建。理解和掌握物質的結構、性質、變化、原理等知識是培養化學學科核心素養的前提，缺乏知識的理解，談論核心素養就如同無源之水、無本之木。

一、“模型認知”的意義與模型的類型

“模型認知”是指基于模型的認知，“模型”相對于“原型”而言，是研究對象的替代物，是按比例或特征制成與實物相似的物體或圖型。“認知”是認識客觀規律及其本質的心理活動，是人們對客觀事物的理性認知過程。奧蘇伯爾的學習理論認為，采用建模思想，將化學問題中次要的、非本質的信息舍去，可使本質的知識變得清晰，更容易納入學習者已有的框架，使學習者在解決問題時遷移更容易、學習效率更高。

模型包括實物模型和非實物形式模型兩類，非實物形式模型又包括數學模型、圖像模型和語義模型等。實物模型一般是指比例模型，如晶體模型、分子模型、合成氨工藝模型等。數學模型用數學表達式表達，如化學反應速率方程、化學平衡常數、庫侖定律、水的離子積等；圖像模型用坐標系描述，如速率與時間關系、電子云等；語義模型用詞語描述，如阿伏伽德羅定律、蓋斯定律、元素周期律以及化學用語等。建構主義認為，對于學習者來說，支持有意義的學習最有效的策略之一就是對他們所學的知識進行模型的建構。學習者通過分析、推理、綜合、演繹等抽象思維活動構建模型，所構建模型具有深刻性、規律性和指導性，它幫助學習者更加深入理解現象的本質，發現內在的變化規律，指導一般問題的解決。

二、化學教學中常見的幾種模型的構建

1.構建數軸模型，凸顯概念本質

物質的溶解性、溶液的酸堿性等概念常用數軸法表征。運用數軸法的優點是能清晰地反映概念的本質區別與聯系。例如，非電解質、弱電解質、強電解質等三個不同概念，通過數軸的方式凸顯其本質區別是電離度的不同（見圖1）。

圖1 非電解質、強弱電解質與電離度的關系

如溶液、膠體和濁液這三種不同分散系，用數軸（見圖2）凸顯分散系的本質區別是分散質微粒直徑大小不同，同時還揭示了過濾法與滲析法的本質區別。

圖2 分散系與微粒直徑、半透膜孔徑、濾紙孔徑大小的關系

又如，非極性鍵、極性鍵、離子鍵的區別可用數軸（見圖3）表示，該數軸模型可清晰地表達化學鍵與電負性差值關系，既體現化學鍵的本質區別，又體現了化學鍵從量變到質變的變化過程。該數軸模型能指導后續的學習，如金屬元素與非金屬元素不一定形成離子化合物，為什么AlCl3所形成的是共價化合物而不是離子化合物、氮氧氟元素容易形成氫鍵等知識。

圖3 化學鍵與電負性差值的關系

在化學的教學過程中，教師應盡可能地引導學生將所學的知識聯系起來，知識聯系得越緊密則知識掌握越牢固，記憶也會越深刻，運用越靈活。在化學教學過程中，運用數軸模型這一工具能起到聯系概念，凸顯概念間的本質區別的作用。

2.構建坐標模型，理解反應熱概念

化學反應能量變化概念容易混淆，如焓變與反應條件、焓變與物質的鍵能、焓變與物質的焓之間的關系等。若用平面直角坐標系模型能清晰揭示三個概念的本質區別，可設計如下坐標模型（見圖4）。

圖4 反應過程與物質的焓關系圖

坐標模型反映了物質的焓、焓變、鍵能三者之間的關系；反映了焓變與反應前后物質的焓有關，而與反應條件無關；反映了焓變兩種不同計算方法；反映了化學反應的能量守恒和質量守恒，模型的學習能較好地提高學習效率。

3.構建思維模型，培養電化學思維

高中化學電化學的教學過程中，因為電化學知識涉及概念多、綜合性強，許多學生感到束手無策，其主要原因是死記硬背電子流向、離子流向、電極反應等知識，沒有理解產生這些變化背后的原因。從教學實踐看，問題在于教師受到應試教育的影響，常注重知識教學而忽略了方法的指導。從人的認知角度看，零碎的知識無法納入知識結構，無法形成整體的認知，而模型能整合零碎信息，把信息有序整理，使信息以結構或形象的形式在人腦中有序編碼。因此，幫助學生構建思維模型是解決認知的關鍵。在教學實踐中，可以將具體的實驗裝置圖，經分析、推理、綜合和簡化，構建出圖5和圖6思維模型圖。

圖5 原電池思維模型

圖6 電解池思維模型

從圖5原電池思維模型分析：電子從負極流向正極，陰離子從正極流向負極，電子流向與陰離子流向一致構成閉合回路。從圖6電解池思維模型分析：電子從負極流向陰極，陰離子從陰極流向陽極，電子從陽極流出經導線流回正極。比較圖5和圖6，發現共同點是電子與陰離子流向一致構成閉合回路，電子總是從負極出發最終流回正極。圖5和圖6思維模型圖去除次要信息或一般信息，突出電子流向形成電子守恒思想，所學知識容易納入已有的知識結構。

三、例談運用模型解決實際問題

不同的教學內容運用不同的模型構建。如元素化合物性質的教學可采用以下模型：物質通性→物質氧化還原性→物質特性；阿伏加德羅定律教學模型：理論→模型→應用；化學平衡移動教學模型：實驗→模型→應用；問題解決的模型：問題→模型→求解。下面以2017年全國高考新課標Ⅲ卷理科綜合第26題為例，說明認知模型的構建和應用。

［26題（節選）］綠礬是含有一定量結晶水的硫酸亞鐵，某化學興趣小組對綠礬的一些性質進行探究。回答下列問題：

（2）為測定綠礬中結晶水含量，將石英玻璃管（帶端開關K1和K2）（設為裝置A）稱重，記為m1g。將樣品裝入石英玻璃管中，再次將裝置A稱重，記為m2g。按下圖連接好裝置進行實驗。

②將下列實驗操作步驟正確排序_________（填標號）；重復上述操作步驟，直至A恒重，記為m3g。

a.點燃酒精燈，加熱 b.熄滅酒精燈

c.關閉K1和K2d.打開K1和K2，緩緩通入N2

e.稱量A f.冷卻至室溫

③根據實驗記錄，計算綠礬化學式中結晶水數目x=_____（列式表示）。

數據獲取模型：定量實驗基本模型為：實驗目的→原理→方法→獲取數據→數據處理→數據分析。根據基本模型，綠礬結晶水含量的測定步驟為：實驗目的→實驗原理→實驗方法（量差法）→第一次稱量（裝置A）→第二次稱量（裝置A和綠礬晶體質量）→第三次（裝置A和硫酸亞鐵質量），實驗所需數據采取三次稱量的方法獲取。通過模型教學指導學生學會根據實驗目的、原理、方法，獲取實驗數據的一般程序和方法。

實驗操作模型：定量實驗關鍵是如何準確獲取所需數據，實驗數據準確與否決定實驗成敗。由于硫酸亞鐵易氧化，實驗圍繞避免硫酸亞鐵會被空氣氧化影響數據準確性來設計，一般模型是：排除實驗前干擾→主要反應→排除實驗后干擾→獲取數據。依據模型，本題實驗操作方法是：排氣（防氧化）→點燈→熄燈→冷卻→關閉K1K2→稱量，其②答案是dabfce。同類實驗還有H2還原CuO實驗，其操作方法是：先通入H2氣→點燈→熄燈→繼續通入H2。

數據處理模型：本實驗數據處理既可用化學式（FeSO4·xH2O）模型求解；也可用化學方程式模型求解，如：FeSO4·xH2O=FeSO4+xH2O。模型是一個很好的直觀工具，方便思維切入。通過模型的構建既獲取了知識又學會方法、提高了能力。

四、結語

模型認知有助于化學學習，能否熟練構建或運用模型直接影響學習效率，模型是思維的中介或橋梁，它整合問題情境中的各個要素關系，使知識系統化、組織化和結構化，有助于學生對化學知識的記憶、貯存、再現和遷移，有助于學生更高效地學習。總之，構建思維模型可起到“描述”“解釋”“預測”和“指導”的作用。

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［3］汪紀苗，周千紅.模型認知在有機推斷問題解決中的應用［J］.化學教學，2017（8）.

［4］顧建辛.關于化學核心素養培育的微觀思考［J］.化學教學，2017（11）.