基于科學建模的化學教學設計

傅永超 王祖浩

摘要：通過探討模型和建模在科學教育領域的重要作用和內涵，分析化學課堂建模教學的四個不同階段：建構模型、使用模型、評估模型和修改模型。選取化學學科中“燃燒的條件”為例，設計科學建模環境下的教學案例，并將建模活動貫穿于課堂始終，不僅提高學生的參與度，還將“燃燒的條件”這一抽象的概念可視化，增強了學生對“燃燒現象”本質的認識，進而提升科學素養。

關鍵詞：科學建模;燃燒的條件;教學設計;共識模型

模型（Model）和建模（Modeling）在科學教育中發揮著重要作用，并逐漸成為國內外科學教育研究的一項重要領域。用模型和建模的方法來學習科學，可以簡化和理想化地再現原型與研究目的有關的各種基本因素和基本聯系，并略去次要的、非本質的細節;可以充分發揮想象、抽象和推理能力，構建一個理想的認識工具;還能突破語言要素的限制，獲得整體映象[1]。

《普通高中課程標準（2017年版）》中，在科學類學科（物理、化學、生物）的學科核心素養部分，均提到了“模型”“建模”“科學思維”等關鍵詞，旨在引領學生將通過建模來學習科學并固化為自己學習科學的一種重要方式。以化學學科為例，“證據推理與模型認知”素養強調通過分析、推理等方法認識研究對象的本質特征、構成要素及其相互關系，建立認知模型，并能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質規律[2]。美國在2013年頒布的《新一代科學教育標準》中，以科學實踐為主要指導理念，強調科學探究向科學實踐的合理轉變，提出一項新的實踐內容：開發和使用模型。該標準將其作為科學和工程學實踐的核心要素之一，并對K-12年級學生需要達到的水平作了具體描述[3]。

由此可見，運用模型和建模的方法來學習科學，已經在目前國內外的科學教育界達成了一種共識。科學建模教學就是要指導學生利用模型建構來促進學習，幫助學生樹立模型意識，并通過建模來體會解決問題時的快樂和成就感，進而提升科學素養。

1 科學模型和建模

1.1 科學模型

模型一詞最早來源于拉丁文“Modulus”，原意為樣本、尺寸、標準。《辭海》中對模型給出了下面的定義：（1）按實物比例和結構制成的物品：飛機模型/模型轎車;（2）又稱“模子”，鑄造或壓制物品用的型器。這個定義主要強調了模型的復制作用。趙萍萍等[4]在查閱《教育大辭典》、高中生物學教科書以及美國《國家科學教育標準》后，總結模型定義中的核心內容是：模型是事物的表征，且這些事物除了具體的實物之外，還包括觀點、概念、事件、過程和系統等。與之相同觀點的還有張發新[5]，他指出模型是人們為了某種特定目的而對認識對象所作的一種簡化的描述，這種描述可以是定性的，也可以是定量的。以上兩種定義，都表達了“模型是一種表征”的觀點，這種表征不是簡單的復制，而是為了達到特定目標，用一種“媒介”的方式對事物做出特別的、更簡化的描述，以方便觀察理解。

王德勝教授[6]提出模型作為表征需滿足下列三個條件：（1）模型與原型具有相似的關系，這種相似關系應被明晰地表達和精確地規定在模型中;（2）模型在科學研究過程中是原型的代替者，是研究原型的間接手段;（3）對模型的研究能夠得到關于原型的信息。這三個條件也是模型應具有的三個性質。他還提出，模型可以分為物質模型和思想模型兩大類，其中，按照思想模型與原型相似的程度和直觀性的大小，還可以將其劃分為形象模型、符號模型、形象符號混合模型、數學模型等。由于化學研究的主要對象是分子，以及分子的組成、結構、性質和相互轉化，所以必須利用一定的思想模型來把握分子的組成、結構、性質和變化的規律。

1.2 科學建模

建立和使用模型的過程是科學家日常工作實踐的核心。科學家通過模型進行思考和推理，可以對他們正在研究的抽象過程和實體進行可視化，為他們提供解釋并對其進行預測，其主要遵循建構、使用、評估和修改的流程（如表1所示）。例如，在對原子內部結構的探索過程中，科學家先后建立了道爾頓實心球模型、湯姆生葡萄干蛋糕模型、盧瑟福行星繞日模型、玻爾模型和現代模型（電子云模型）等。

建模活動能夠為學生提供了解科學探究的機會，學生參與建模實踐可以更加深入地理解科學中的關鍵模型，幫助他們理解科學知識的本質。

本文討論的科學建模，不僅僅是在腦海中建構抽象的模型，理解一個公式/方程式的含義，而是更偏重于對科學現象的解釋和預測，需要用畫圖等方式將抽象機制、原理進行可視化，以達到理解科學本質的目的。用這種方式進行的科學建模活動，才有可能讓學生真正參與到課堂實踐中來。

2 科學建模教學

科學建模教學需要遵循表1的四個步驟，指導學生一步步地進行實踐活動，最終建構能夠解決問題、對科學現象能進行合理解釋和預測的正確模型。

在“建構模型”階段，教師需要充分考慮學生已有的生活經驗、與該領域相關的科學知識以及提供適當的支持建模的證據，引導學生畫出自己心目中對科學現象的理解，其中包括涉及的物質和相關機制、原理，完成對初始模型的建構。

在“使用模型”階段，學生需要用自己建構的初始模型，嘗試對目標現象進行解釋。通過學生對模型中存在的問題進行討論，建模者分析模型中存在的問題，給予適當的解釋，并嘗試修改或重構模型。

在“評估模型”階段，由教師進行引導，在觀察每位學生建模結果的基礎上，從模型的清晰度、完整性、與證據的一致性、解釋科學現象的合理性等方面對模型進行評價，并在適當的時候提供新證據，以支持學生的建模活動。

在“修改模型”階段，學生根據要求對模型進行修改。修改完成后，再次對科學現象進行解釋和預測，經教師統一指導后，達成班級共識模型。

3 “燃燒的條件”教學案例

“燃燒的條件”課例選自九年級《化學》教科書上冊（人教版）第七單元“燃燒及其利用”。以下從教學目標和教學過程兩方面介紹科學建模環境下的化學教學。

3.1 教學目標

（1） 認識燃燒的條件，知道滅火的基本原理。

（2） 了解科學建模活動的一般方法，學習運用科學建模的方法對燃燒現象進行表征，并能對事實進行分析和解釋。

（3） 利用所建構的模型解決生活問題，使學生對化學保持強烈的好奇心和探究欲。培養模型建構的意識，初步形成使用建模來學習化學知識的思維模式。

3.2 設計思路

科學建模是學生學習科學知識、增強對科學本質理解的重要活動方式。通過回憶生活以及化學課堂演示實驗中的燃燒現象，建立對燃燒現象的一般認識，據此建立初始模型。在嘗試對戰艦“歐羅巴”號被大火吞噬之謎進行解釋后，學生對其中存在的問題進行討論，得出燃燒的前兩個條件——可燃物和溫度達到著火點;學生修改自己的初始模型后，再次對燃燒現象進行解釋;接著，教師繼續提供實驗證據支持學生建模，提出燃燒需要的第三個條件——氧氣。至此，達成“燃燒現象”的班級共識模型，展示燃燒發生背后的原理，并根據這個模型，對新現象、新問題進行解釋和預測。

3.3 教學過程

[情景導入]1854年5月30日，英國戰艦“歐羅巴”號按照作戰命令開始遠涉重洋的航行，船艙里結結實實地裝滿了供戰馬吃的草料。2個多月后，船艙突然冒出熊熊大火，大火迅速吞沒了整艘戰艦，片刻之間戰艦便葬身海底，全艦官兵、戰馬無一生還。同學們知道為什么好好的戰艦會葬身火海嗎？今天就讓我們一起走進燃燒，從化學的角度認識燃燒、探索燃燒的條件。

[知識回顧]蠟燭的燃燒、煙花爆竹的燃燒、煤氣的燃燒等等，這些現象在我們生活中十分普遍，為我們所熟知。在之前的學習中，我們也學習了鐵絲、鎂條、木炭等物質的燃燒，同學們能回憶它們燃燒時的現象嗎？將結果填入表2，并總結出物質燃燒時的一般特征。

特征：燃燒是一種發光、放熱的化學反應。

[初次建模]科學建模是我們學習科學知識、掌握科學原理的重要手段。同學們已經對燃燒這一現象及其特征有了一定的了解，能不能用科學建模的手段——畫圖法，將你們所理解的物質燃燒現象表征出來，需要包括上述提到的各個要素。

[小組討論]同學們建構的初始模型中（見圖1），包含了火焰、發光、放熱等要素，但是這些多集中于燃燒的表面現象。用這一模型能否對戰艦“歐羅巴”號被大火吞噬的現象進行解釋呢？如果不能，請同學們小組討論，嘗試對模型中的要素進行補充，并對燃燒現象背后的機制和原理進行更加深入的探討。

討論1：好端端的戰艦不會無緣無故自己燒起來：發光、放出熱量，這就好比放在教室里的白紙不會自燃一樣。

討論2：可能是戰艦上的某樣東西先著火的，比如草料或者木板，進而引發整艘戰艦的覆滅。

討論3：戰艦上有些東西是不會著火的，比如窗玻璃、磚塊、石頭等，它們不會引發大火。

討論4：是什么原因導致戰艦上的東西著火呢？

[教師講解]同學們已經在慢慢接近燃燒背后的真相了。首先，草料、木板是同學們率先懷疑的對象，因為在大家的生活經驗中，都看到過草料和木頭的燃燒，且這兩者都是“比較容易”燒起來的;而玻璃、磚塊等則不能燃燒。我們把可以燃燒的物質叫做可燃物，可燃物是燃燒的首要條件。

其次，與教室里的白紙一樣，戰艦上的草料也不會發生自燃，這背后一定是有原因的。大家知道古人是怎么得到火的嗎？——鉆木取火。其原理主要是通過摩擦生熱使木棍燃燒從而得到火的。“摩擦生熱”代表了溫度的升高，也就是說，常溫下的木棍不會燃燒，只有當到達一定的溫度時，木棍才會燃燒起來。我們把可燃物開始燃燒所需的最低溫度叫做著火點。之所以會認為草料和木頭“比較容易”就能燒起來，是因為這兩者的著火點相對較低，不同物質的著火點也都是不一樣的。

[修改模型]下面請同學們嘗試將可燃物、著火點這兩個要素添加到自己的模型中（見圖2），并嘗試對戰艦“歐羅巴”號被大火吞噬的現象進行解釋。

在戰艦上，草料就是可燃物。一開始，常溫狀態下的草料并沒有燃燒，是因為它的溫度在著火點以下;這之后，戰艦在海上航行了兩個月，可能有士兵不小心引燃了草料，其溫度達到了著火點，引發大火;也有可能到了夏季，氣溫升高，達到了草料的著火點。

[實驗]查閱資料可知，草料的著火點一般在130～250℃，氣溫則到不了這個高度;如果是人為原因的話，一般也能夠及時發現撲滅火災。因此，可能有其他因素在這里起著關鍵的作用。下面我們一起觀察實驗（見圖3），分析產生的實驗現象，看看燃燒還需要具備什么條件。

（1） 在500mL的燒杯中注入300mL熱水（溫度大于40℃），并放入用硬紙圈圈住的一小塊白磷。在燒杯上蓋一片薄銅片，銅片上一端放一小堆干燥的紅磷，另一端放一小塊已用濾紙吸去表面水分的白磷（如圖3Ⅰ），觀察現象。（已知著火點：白磷40℃、紅磷260℃）

（2） 用導管對準燒杯中的白磷，通入少量氧氣（或空氣）（如圖3Ⅱ），觀察現象。

討論1：實驗中銅片上的白磷燃燒而紅磷不燃燒，是因為溫度達到了白磷的著火點，引發白磷自燃。

討論2：放入熱水中的白磷一開始沒有燃燒，通入氧氣后自燃，說明燃燒需要有氧氣。

起初，在熱水下的白磷，滿足了可燃物和達到著火點兩個條件，燃燒現象并沒有發生，直到通入氧氣才發生燃燒。因此，可以得出結論：燃燒需要在有氧氣的情況下才能發生。

至此，我們找到了燃燒所需要的三個條件，缺一不可（見圖4）。只要達到條件，燃燒就能發生，即使是在意想不到的情況下。

戰艦上的草料堆得結結實實，草料會和空氣中的氧氣發生氧化反應，這樣的氧化反應很慢，不像燃燒那樣劇烈地發光發熱，叫緩慢氧化。物質在緩慢氧化反應過程也產生熱，不過放熱很慢，察覺不出來。草料太多太實，空氣不流通，產生的熱不易散發，越積越多，溫度上升達到了草料的著火點。這時，燃燒的三個條件已經滿足，所以草料不經點燃就自行燃燒起來。

[完善模型]請同學們根據燃燒需要的三個條件，對模型進行修改完善（見圖5），并作出相應的解釋說明。

在燃燒現象產生的背后，需要同時滿足3個條件。首先，發生燃燒的物質必須是可燃物，否則燃燒不能發生;其次，可燃物存在的地方一定要有氧氣;其三，一定要有“外力”作用在可燃物上，使其溫度升高至著火點，這個“外力”是燃燒發生的“導火索”，任何能使可燃物溫度升高的方法都包含在其中。

[預測現象]通過建立“燃燒現象”的科學模型，請同學們使用模型來思考以下幾個問題：

（1） 如果不往煤爐里添煤，爐火還能繼續燃燒嗎？為什么？

（2） 爐門關得嚴嚴的，一點氣也不通，爐火還能繼續燃燒嗎？為什么？

（3） 如果把爐里正在燃燒的煤夾出來，煤還能繼續燃燒嗎？為什么？

[解釋原因]下列滅火的實例，請分析其滅火的原因：

（1） 炒菜時油鍋里的油著火，可用鍋蓋蓋滅或放入較多的蔬菜。

（2） 堆放雜物的紙箱著火時，可用水澆滅。

（3） 撲滅森林火災的方法之一，是將大火蔓延路徑前的一片森林砍掉，形成隔離帶。

燃燒需要同時滿足3個條件，只要破壞其中一個條件（移除模型中的可燃物、氧氣或使可燃物溫度達到著火點的導火索），燃燒就不能發生。

4 結語

本課例很好地體現了科學建模的思想，并將科學建模活動貫穿于課堂始終。首先，學生可以構建一個初始模型，畫出一幅包含火焰、發光、放熱的圖像;然后，嘗試著使用模型去解釋戰艦燃燒之謎，當發現某些地方用現有模型無法進行解釋時，則應該去研究產生燃燒所需的其他條件;接著，學生在試圖弄清楚應該在圖片中添加哪些內容時，會產生一些問題和想法。這些“數據”將被用作支持/拒絕模型方面的證據，可以幫助學生對模型進行改進，包括需要有可燃物、溫度要達到著火點、燃燒需要有氧氣等;最終，經教師的統一指導，修改形成班級共識模型，并使用這個模型來解釋、預測新現象。

通過建構、使用、評估、修改模型的過程，不僅提高了學生的參與度，還將“燃燒的條件”這一抽象的概念可視化，增強了學生對“燃燒現象”本質的認識，并能夠利用建立的認知模型解釋、預測新現象和新問題，進而提升科學素養。

參考文獻：

[1][6]王德勝. 化學方法論[M]. 杭州：浙江教育出版社，2007：128～133.

[2]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，2018：4.

[3]National Research Council （NRC）. A Framework for K-12 Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas [S]. Washington，D.C.：The National Academies Press，2012：56～59.

[4]趙萍萍等. 科學教育中模型定義及其分類研究述評[J]. 教育學報，2015，（1）：46～53.

[5]張發新. 利用模型建構促進學生化學學習[J]. 化學教學，2017，（5）：24～28.

[7]Rosria S. Justi，Gilbert J.. Modelling，teachers views on the nature of modelling，and implications for the education of modellers [J]. International Journal of Science Education，2002，24（4）：369～387.

[8]Anhalt，Cynthia O. and Ricardo Cortez. Developing Understanding of Mathematical Modeling in Secondary Teacher Preparation [J]. Journal of Mathematics Teacher Education，2016，19（6）：523～545.