化學學科核心素養中“模型認知”的解讀

吳星 呂琳 景崤壁

摘要： 對高中化學課程標準中模型、模型認知、認知模型等相關概念的內涵進行了分析，解讀了化學學科核心素養中“模型認知”的蘊意，化學學科核心素養中“模型認知”包含認識科學模型、掌握模型方法和探索模型建構等內涵。

關鍵詞： 高中化學; 模型; 模型認知; 學科核心素養

文章編號： 10056629（2020）0000306? 中圖分類號： G633.8? 文獻標識碼： B

1 問題的提出

2018年教育部頒布的《普通高中化學課程標準（2017年版）》凝練了化學學科核心素養的維度，包括“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”“科學探究與創新意識”“科學態度與社會責任”等5個方面，并將化學學科核心素養中的“模型認知”表述為： 知道可以通過分析、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，揭示現象的本質和規律[1]。自課程標準頒布以來，廣大化學教育工作者對“證據推理與模型認知”的研究傾注了大量的心血，諸多對“證據推理與模型認知”的研究形成了一些新的認識，但仍有必要進行深入的探討，以期化學學科核心素養在化學課程實施中落地能順利實施。

2 對“模型”“認知模型”“模型認知”的理解

《普通高中化學課程標準（2017年版）》中相繼出現了模型、認知模型和模型認知等概念，分析這些概念的內涵、區別和聯系，對于理解化學學科核心素養中的“模型認知”具有一定的幫助。

2.1 模型

“模型”的中文原意為規范。《說文解字》[2]上說“模，法也”，清代段玉裁作出了如下的注釋：“以本曰模，以金曰鎔，以土曰型，以竹曰范，皆法也?！薄掇o?！穂3]對“模型”一詞作了如下解釋： 根據實物、設計或設想，按比例、生態或其他特征制成的同實物相似的物體，供展覽、觀賞、繪畫、攝影、試驗或觀測等用。在英語中“模型（Model）”一詞源出于拉丁文的Modulus，意思是尺度、樣本、標準。隨著近代實驗科學的興起和現代科學認識的深化，模型一詞的涵義有了較大的變化。

《教育大辭典》認為模型是原系統的一種簡化、抽象和類比表示，不包括原系統的全部特征，但能集中表現出它的本質特征。美國《國家科學教育標準》（1996版）認為模型是與真實物體、單一事件或一類事件對應的而且具有解釋力的體系或結構，模型可以幫助科學家和工程師了解事物的運作方式。錢學森認為模型就是通過我們對問題的分解，利用我們考察來的機理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素所創造出來的一幅圖畫，一個思想上的結構物[4]。吉爾伯特（J.K. Gilbert）和博爾特（C.J. Boulter）認為，模型是對一種觀點、一個實物、一個事件、一個概念、一個過程或者一個系統的表征[5]。邱美虹認為模型用以表征現象、概念、過程、事件或是物件等，它可以以不同的表征方式來呈現（如圖像、文字等多元方式），以達到不同的功能與目的（如解釋性、描述性等等）[6]。

模型分類的多元化是模型定義多樣性的具體表現。人們經常說的科學模型、認知模型、心智模型、物理模型、數學模型、比例模型、類比模型，實物模型、概念模型、思維模型、思想模型、過程模型、系統模型、符號模型、數據模型等等，足以說明這一點。

雖然對模型有眾多的定義，但多數學者認同：“模型”是指人們為了認識世界中的特定對象（“目標對象”即“原型”）而構想或構造出來、用于表征（模仿、模擬、刻畫、代替、代表）目標對象的一種簡化、抽象或近似的描述?；瘜W課程標準中所說的模型，如“能運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律”[7]，多數是指化學家在化學科學發展中所建構的科學模型。

2.2 認知模型

認知模型（Cognitive Model）是模型的一種類型。廣義上講，認知模型是個體對真實世界某一特定對象進行認知的過程模型，是人們在認識事物（事件）、理解世界過程中所形成的相對穩定的心智結構，是組織和表征知識的模式。

由于人類認知活動的復雜多樣性，難以建立一個囊括一切認識活動的認知模型。根據人類的某一種認知有其對應結構原則的假設，人們經常研究能反映一方面或若干方面的認知特征的單一認知模型，如文字識別模型，記憶語義網絡模型、人類聯想記憶模型、人類長期記憶模型等。科學探索的計算研究或“機器發現”研究的主要目標就是為人類推理的思維過程建立一些認知模型。

科學認知模型是科學學術共同體對認識對象進行認知的過程性描述或刻畫，它是一個有層次結構的復雜系統?？茖W認知模型也有細化為學科認知模型研究的。以物理認知模型為例，穆良柱[8]認為，物理學本質上是人類對整個自然界形成的可證偽的系統化認知，物理學家最終的目標是試圖用少數幾個基本原理解釋整個自然界。根據物理學家在實踐中的嘗試，可總結歸納出物理認知模型（見圖1）?！拔锢碚J知模型”試圖說明物理認知過程由實驗物理、理論物理、應用物理三個認知要素所組成，實驗物理認知和理論物理認知對應的是科學探索過程，應用物理認知則對應技術應用過程。在實現每個認知步驟目標過程中，貫穿著物理學家做事的方法（物理方法）和物理學家做人的方法（追求真理、積極樂觀的物理精神）。

綜合上述分析，似乎可以對認知模型形成一般性的認識： 認知模型是主體（個體或學術共同體）在認識某一特定對象過程中不斷形成的、相對穩定、有層次結構的組織和表征知識的系統。由于人類認知對象和認知過程的復雜性，人們常會給認知模型冠以“域”，稱為“××認知模型”。

化學課程標準中多處出現“認知模型”，如在課程目標中要求學生能運用多種認知模型來描述和解釋物質的結構、性質和變化，預測物質及其變化的可能結果;在化學學科核心素養的描述中提出： 知道可以通過分析、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，揭示現象的本質和規律。課程標準中所說的認知模型，可以理解為學生根據化學家們研究化學現象的一般思路和方法，所建構的對化學研究對象的認知模型。

2.3 模型認知

自《普通高中化學課程標準（2017年版）》將“證據推理與模型認知”總結概括為化學學科核心素養的維度以來，許多化學教育工作者對“模型認知”給出了自己的解讀。如化學中的“模型認知”可理解為“利用模型進行思維的一種方法”[9]（楊玉琴，2019），“模型認知”是指人們利用模型認識事物或通過建模解決問題[10]（吳克勇，2017），把“證據推理與模型認知”中的“證據推理”和“模型認知”，分別理解為“基于證據的推理”和“基于模型的認知”[11]（陸軍，2017）。

雖然“模型認知（Model Cognition）”和“認知模型（Cognitive Model）”，僅是詞語順序的顛倒，但所表達的意義差異卻很大。從字面理解“模型認知”應該有對模型的認知和運用模型認知的意思。

由于“模型認知”首見于《普通高中化學課程標準（2017年版）》，只能從其中尋求解釋和答案?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》對化學學科核心素養給出了下列描述：“宏觀辨識與微觀探析”“變化觀念與平衡思想”“證據推理與模型認知”要求學生形成化學學科的思想和方法;“科學探究與創新意識”從實踐層面激勵學生勇于創新;“科學態度與社會責任”進一步揭示了化學學習更高層次的價值追求[12]。上述描述說明“模型認知”更側重于化學學科的思想和方法。

“模型認知”是運用模型思想（模型方法）認識事物和解決問題的思維方法。對學生而言，“模型認知”包括運用科學家們已經建構的科學模型分析解決問題、像科學家那樣運用模型方法，通過建構模型分析解決問題等要素。

Z3 高中化學學科核心素養中“模型認知”的蘊意

3.1 科學學科教育中的模型與模型建構

模型思想和模型方法是自然科學領域最重要的學科思想和方法。Justi & Driel認為模型與建模對科學教育的重要性表現在三個方面，一是學習科學，學生了解主要的科學與歷史模型，以及這些模型的范圍與限制;二是學習動手做科學，提供機會給學生創造、表達和測試他們的模型;三是學習科學本質，學生學習模型的本質和認識模型的角色，知道科學探究的產物是模型的建構與傳播[13]。

《普通高中數學課程標準（2017年版）》[14]在數學學科核心素養中對“數學建模”給出了下列描述： 數學建模是對現實問題進行數學抽象，用數學語言表達問題、用數學方法構建模型解決問題的素養。數學建模過程主要包括在實際情境中從數學的視角發現問題、提出問題，分析問題、建立模型，確定參數、計算求解，檢驗結果、改進模型，最終解決實際問題。《普通高中物理課程標準（2017年版）》[15]在物理學科核心素養中認為，“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式;是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格?！镀胀ǜ咧猩镎n程標準（2017年版）》[16]在學科核心素養中要求： 學生應該在學習過程中逐步發展科學思維，如能夠基于生物學事實和證據運用歸納與概括、演繹與推理、模型與建模、批判性思維、創造性思維等方法，探討、闡釋生命現象及規律，審視或論證生物學社會議題。

由數學、物理、生物課程標準對“模型”和“建?！钡拿枋隹梢园l現，作為學科思想和方法的“模型建構”更強調培養通過建構模型以解決實際問題的素養。數學把“模型建構”看成是建立數學與外部世界的“橋梁”，更關注“模型建構”在解決實際問題中的作用;物理將“基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程”表征成科學思維的一種方式，關注學生通過識別、應用、選擇、建構物理模型解決實際問題。

化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、性質、轉化及其應用的一門基礎學科，其特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017年版）》將“證據推理與模型認知”作為化學學科核心素養的一個要素，并賦予了“模型認知”更豐富的內涵。

3.2 化學學科核心素養中的“模型認知”

《普通高中化學課程標準（2017年版）》在課程目標、學科核心素養及水平、學業質量標準、內容標準、學習要求、教學建議等部分都有“模型認知”（包括模型、認知模型和模型認知）的相關描述（見表1）。

高中化學課程標準首先將化學家們建構的科學模型（也可簡稱為化學模型）作為重要的化學學習內容，要求學生通過化學學習能識別、選擇、運用化學模型解釋化學事實和解決問題。其次將模型思想方法作為重要的化學學科思維方法，要求學生能認識模型在化學科學研究中的作用，體驗化學家建構模型的過程，掌握建立證據與模型關系、分析模型與研究對象之間異同、評價模型應用范疇、改進和發展模型等方法。再其次將建構模型作為學生通過化學課程實施必須發展的重要能力，要求學生在化學學習中能建構多種認知模型，在復雜的化學問題情境中能建構模型解釋復雜的化學問題。

因而，化學學科核心素養中的“模型認知”，包含“認識科學模型、掌握模型方法、探索模型建構”3個方面的內容，認識科學模型既是化學學習的重要內容，又是掌握模型方法的重要載體，學生在認知科學模型過程中掌握模型方法;掌握模型方法是認知科學模型的重要成果，也是探索模型建構的基礎;探索模型建構是認識科學模型和掌握模型方法的能力體現，是認識科學模型和掌握模型方法的目的和歸屬。從認識科學模型到掌握模型方法，再到探索模型建構，體現了化學學科核心素養中的“模型認知”水平由低到高的發展順序。

3.2.1 認識科學模型

“科學模型”是科學家為了研究現實世界中的目標對象而構想或構造出來、用于表征（模仿、模擬、刻畫、代替、代表）目標對象的映像?？茖W研究的目的是認識、改造和保護世界，科學家們的研究可以認為是通過直接研究模型而間接地研究現實世界的。這是因為現實世界的任何實際部分都是復雜的，需要將研究對象的一些次要的細節、非本質的聯系舍去，需要運用抽象、簡約、理想化等方法，用一種結構上相類似但又比較簡單的形式（模型）去再現研究對象（原型）的各種復雜結構、功能和聯系。隨著現代科學的發展，科學研究的領域已從宏觀領域進入微觀和宇觀領域，使得現代科學的研究對象的非直觀化因素大大增加，這就需要通過高度抽象思維和形象思維，運用符號、圖形、數據等形式（模型）來反映研究對象的本質，從而克服研究對象非直觀化所帶來的認知困難。

化學家們在認識客觀世界過程中，建立了許多科學模型，如探索物質結構所建立的原子、分子、晶體結構模型，探索微粒之作用力所建立的雜化軌道理論、價健理論、分子軌道理論、分子間作用力模型，探索化學變化規律所建立的碰撞理論、過渡態理論、化學平衡理論模型等?；瘜W家們建立的科學模型是學生學習化學的重要內容。

認識科學模型是掌握模型方法和探索模型建構的基礎。在化學課程實施中，要充分利用化學家們所建立的科學模型組織教學，引導學生認識化學中的常用科學模型，知道科學模型解釋說明的對象，理解模型與研究對象的差異，認識模型的使用條件和適用范圍，能在情境問題解決中利用化學家們建構的科學模型描述物質化學變化的過程，解釋化學事實，并根據模型預測物質的性質和變化等。

3.2.2 掌握模型方法

模型是最常用的科學表征方法，模型方法已經成為現代科學認識中的一種極為重要的認識手段和思維方式。科學研究首先要確定研究對象（原型）、提出問題，根據特定研究目標并抓住原型的本質特征，對研究對象進行操作以獲得有關信息，當信息達到一定數量后便對其進行必要的排列與分類，繼而把它們通過一定的抽象、簡約化等變換操作，初步建構一個能反映原型本質聯系的觀念形態模型，通過修改完善形成較為穩固且完整的觀念形態模型，并進一步回答更深層次的問題[17]。

科學模型既能對原型進行解釋說明，又能遷移應用于解釋說明類似的原型，還能通過對模型的進一步研究為形成理論建立基礎[18]（見圖2）

模型方法在學生的化學學習中具有重要作用。模型方法是學生學習化學的重要手段，學生掌握了模型方法就能更透徹地理解化學學科知識。模型方法作為化學學科思維方法，能提高學生的科學思維能力，學生一旦將模型方法內化為自己的認知圖式，就能獲得思維水平的發展，同時模型方法還有助于培養學生的創造性思維能力。

掌握模型方法是學生認識科學模型的重要成果，也是學生探索模型建構的關鍵能力。化學課程實施中要充分引導學生沿著化學家創建科學模型的足跡，經歷化學家建立和發展科學模型的過程，讓學生不僅理解科學模型，還能了解和掌握模型方法;要引導學生認識化學概念、原理等理論知識的產生和發展過程，體驗模型方法在化學原理和理論發展中的作用。

3.2.3 探索模型建構

建模（modeling）是一種人類自然的認知現象，是人類描述和解釋自然現象的概念化過程，當遇到未知的現象時，人們很自然地會建構關于那些現象的個人理論，并以模型的方式在心智中表征它們[19]。建模的結果是建立關于現象、事物或系統的概念體系。

科學研究（或學習）的過程就是對自然世界建模的過程[20，21]，建模是一種“過程性知識”。在科學建模過程中，人們遵循科學認識的一般規律和原則，應用一定的科學理論，對研究對象進行描述，根據已有知識、理論和經驗進行抽象，構想并衍生出初步模型，再經過驗證等若干操作形成可表征研究對象的模型。

科學哲學家拉瑞？勞丹（Larry. Laudan）認為，科學認知過程就是解決問題的過程，解決問題是科學認知的基本單元，科學認知的目標是盡量把已解決的經驗問題的范圍擴展到最大，把反常和概念問題的范圍縮減到最小，以獲得具有高度解決問題效力的理論;科學認知的價值由理論解決的經驗問題的數目和重要性來決定，這就是科學認知模型[22]。

化學課程實施中讓學生探索模型建構，就是讓學生探索建構化學認知模型，也就是要讓學生探索建構化學問題解決模型。

學生的化學學習過程就是建立科學認知的過程?；瘜W科學的研究對象決定了其研究內容的豐富性，化學學科具有內在邏輯結構，從學科核心觀念層面可分為物質與能量、化學變化與平衡、微粒與相互作用、物質結構與性質等，從主題內容維度可分為科學實驗探究、化學變化規律、物質結構性質、物質轉化利用等。每個化學主題內容的特點決定了其認知模型具有不同的特征。在化學學習中要讓學生像化學家研究化學那樣認知化學，建構與主題內容相適應的認知模型，這對學生認知化學科學本質是十分有利的。

化學課程實施中讓學生探索模型建構，就要讓學生在模型建構和科學探究中學習化學[23]?？茖W探究可以幫助學生了解科學研究過程，并將科學知識運用到實際生活情境中，而模型正是科學探究的重要成果之一。在科學探究中讓學生不斷建構、使用、評價和修訂模型，建立起科學知識具有可檢驗性、可修正性、解釋性、推測性和生成性等本質特征的科學知識觀。

建構解決復雜化學問題的思維模型是學生探索模型建構的重要內容。學生在解決復雜化學問題的過程中，針對需要解決的問題，通過觀察等手段獲取信息，在真實復雜情境中建立科學理論模型與研究對象的聯系，建構起解決復雜問題的思維框架。解決復雜問題的過程既是創造性地應用科學模型的過程，也是建構模型的過程，在化學課程實施中，要讓學生通過復雜化學問題解決培養自己的模型建構能力，并在復雜化學問題解決中評價學生的模型建構能力水平。

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