利用模型建构促进学生化学学习

摘要：化学科学模型是认识物质、改造物质和应用物质过程中所体现出的具有化学学科特征的具体或抽象的表征，主要包括形象模型、符号模型、数学模型，利用模型建构促进学生化学学习，能够有效促进学生的认识发展，继而促进学生化学核心素养提高。

关键词：模型；化学模型；建构；化学教学

文章编号：1005C6629（2017）5C0024C05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

“研究发现，化学学习的困难之一在于学生无法为巨观的实验现象与符号搭起联系的桥梁。学生时常只记忆特定表征形式所建构的化学理论、实验的结果以及特定的化学反应，殊不知割裂的、片段式的学习无法统整与理解化学符号与巨观现象的关联”[1]。化学教学中学生在掌握分子、原子、离子等概念时，从宏观深入到微观有一定困难，实验教学常常是宏观的再现，没有起到引发微观理解的作用，教学中若不致力基于化学模型的建构，就会既割断了宏观现象与微观结构之间的联系，也割断了认识发展与学生发现问题、解决问题、形成知识结构之间的联系。其结果是既带来学生化学基本观念的匮乏，也造成了化学教学科学素养教育价值的贫乏。解决这一矛盾的有效方式之一，就是“利用模型建构促进学生化学学习”，在化学教学中形成物质性质及其变化的规律知识与化学模型的相互融合，促进学生化学核心素养的提高。

化学学科中许多概念都会以模型作为传输的载体，模型能帮助学生理解并掌握从化学的视角认识、解释物质结构、性质及其变化的思想方法，获得“处理与化学相关的事物的能力”，“成为具有科学思想的反思性公民”。因为“科学教育的目标不是去获得一堆由具体事实和学科理论杂乱无章地堆砌起来的知识，而应该是实现一个向核心概念逐步逼近的发展过程，这样做有助于学生理解与他们生活相联系的事件和现象”[2]。

2 模型的含义及化学模型的特征

模型是指人们为了某种特定目的而对认识对象所作的一种简化的描述。这种描述可以是定性的（如对原子结构的描述），也可以是定量的（如PV=nRT）。有的借助于具体的实物来描述（如分子结构的球棍模型），有的则通过抽象的形式（如符号、文字、公式等）来描述[3]。卡蒂尔等人总结了科学模型的五个特征：（1）模型可以表明和预测自然现象；（2）模型一向以实证的、概念化的标准来评价；（3）一种模型观念反映的是某一自然过程；（4）模型由经验的或理论的以及这些事物所参与的过程构成；（5）模型可以引导未来的学习、研究[4]。我国有学者把科学模型的表征归纳为直观性、相似性、诠释性三个特征[5]。

一种现象既包含偶然性要素，同时也包含一定规律性要素，化学家的主要目的正是从被研究的现象中区分出哪些是偶然性因素，哪些是确定性因素。根据某种化学现象观察得到的东西，会产生“导致发生这样现象的本质是什么”的疑问。如，我们察看Cu-Zn原电池小灯泡发亮有关现象，可能产生这样的追问：原电池能量转换的本质是什么？金属中的电子和溶液中的离子是如何移动的？这就意味着我们并没有把Cu-Zn原电池有关现象当作是完全随机发生的，而是把所观察到的东西作为一种现象来“理解”，而这种“理解”的过程实际上就是排除其中的偶然性突出其规律性。

化学模型是认识物质、改造物质和应用物质过程中所体现出的具有化学学科特征的具体或抽象的表征。作为一种认识方法和思维方式，化学模型具有三方面的含义：第一，在从客体到模型，以及由假说描述模型的过程中，经过发生、检验和修正模型等研究过程，获取关于物质组成、结构、性质以及变化中内在微观本质等信息，为形成化学理论奠定基础；第二，建构一个能反映物质性质和变化过程中宏观、微观、符号本质联系的化学模型，可被用来表明、理解、猜测物质的性质和变化；第三，通过化学模型的建构与应用，可以促进学生的科学思维以及心智模型的改进，有利于提高学生的化学核心素养。

基于以上对模型的探讨，笔者认为，化学教学中呈现的模型主要包括形象模型、符号模型、数学模型。形象模型就是用图像、图表、模型等直观工具使微粒结构及其运动规律具体化。如分子、原子结构，核外电子运动状态、晶体结构等，化工流程图等形象模型直观地表明了化工生产的过程；用代表性的符号、用语来表示原型的元素及其各部分相互关系的化学符号模型，反映了物质的组成和结构，如化学式，化学方程式，结构式，结构简式，实验式等；数学模型通过数学表达式把微粒运动的内在属性及各微粒之间的内在联系用数学的方式表示出来。如反应速率方程、化学平衡常数方程、溶度积方程、理想气体状态方程等。

3 化学模型的教学功能价值

3.1 形象模型的建构增强了学生对物质微观结构和物质多样性的认识

形象模型能够将化学物质的结构通过最简单的方式呈现（如图1），给学生感性上的认识，这有助于学生对此知识点的体会与识记，也对学生在今后更深入地探究物质性质及其变化的微观本质有着很重要的启发意义。

从图1模型视角可将物质结构的基础知识归纳为：一个理论（物质结构理论），两个层面（原子、分子），三个视角（微粒、作用力、空间布局）。

按照皮亚杰的认知发展理论，思维发展水平“凭借演绎推理等形式解决抽象问题”阶段的学生，物质结构模型的建构过程中主要凭借对事物的具体形象和表象的联想来进行，认知活动处于具体经验支持的逻辑思维水平，因而，建构的物质结构模型是不完整的。学生常常忽略一些其认为不重要的或]有意义的部分。比如，我们在教学中发现学生描述原子时会说明其构成、大小及核外电子的运动状态等，却很少主动提及原子的形状。在我们提示之后，大部分学生会说是球形，但他们不能具体描述是怎样的球形。好多学生觉得我们的问题是“奇怪的”或“没有意义的”。

物质结构的三个核心概念的主要内容则按原子结构、分子结构、晶体结构三个部分先后呈现（表1），每一个部分都是后一个部分的认知基础，最终呈现为从原子结构到分子结构再到晶体结构这一“从里到外”、“逐渐长大”的从微观回到宏观的认识过程。

我们可将“物质结构”中的基础知识、基本概念、核心概念之间的关系用认识模型表示（见图2），从模型中可以清楚地看出，物质结构知识可拆解成由三个部分构成的知识框架，这一知识框架包含着众多的基本概念，而从这些基本概念凝炼成的三个核心概念又正是物质结构模型的主要内容。因此，物质结构概念的教学既是建立知识框架的方法，也是建构物质结构模型的途径。

运用上述模型，引导学生的认识从原子内（核与电子、核与核、电子与电子）到原子间（分子内――化学键），再到分子间（范德华力、氢键）的递进，既逐步构建起“构成物质的微粒之间存在相互作用力”这一核心认识，也逐步建立起“物质由微粒构成，微粒又由更小的微粒构成”的基本观念，以及逐步建立起认识“微粒”间的相互作用和相对位置的认识模型。

元素周期表也是化学形象模型之一，它表明了化学元素及其相关知识一个完整的自然序列规律，以深入认识原子内部结构为基础，理解物质性质及其变化，形成“位、构、性”相互依从的基本认识，也建构了学习、研究物质性质及其变化规律的基本模型。

化工流程图是化学形象模型的另一种形式，能有效解决材料、能源、环境、资源利用等问题的学习与研究，实现了化学知识由静态向动态的转化，使“死知识”与“活应用”相映生辉，强化了对化学模型的动态性、结构性和发展性的认知，也强化了学生可持续发展、科学处理人与自然等态度。

3.2 化学符号模型引导学生建立了“宏观-微观-符号”三重表征整体思维方式。

“宏观-微观-符号”三重表征形式在学生心理上的内化越丰富，越有利于学生对纷繁复杂的物质世界形成整体有序的认识，越有利于对物质性质及其变化全面和透彻地认识和理解，越有利于引导学生找到化学变化中宏观与微观之间的联系与解释模型，并将零散的物质性质及其变化的事实形成相互关联的整体，形成以符号模型统摄的有意义的知识体系。

3.3 图表、等式等数学模型促进学生学习化学知识从经验层面发展到理论模型层面。

随着人类对微粒结构和相互作用方式研究的深入，创立了化学动力学、化学热力学等数学模型，形成了解释复杂化学问题的数学表达式，逐渐建立了化学现象与模型之间的数量联系，使得描述和解释化学现象、预测物质性质及其变化的可能结果变得更为精确。在化学学习过程中引导学生逐渐学会运用数学模型，促进学生学习化学知识从经验层面发展到理论模型层面，将逻辑的思维缜密化。

4 促进学生建构化学模型的教学策略

4.1 通过“对话”促进化学模型的建构

“教学对话就是通过老师的发问、鼓励与引导，学生自由思考、自由表达而获得知识技能、发展能力的教学方法”[6]，对话的重点是教师能有效地设定化学模型的问题认识与解决序列，不断探询学生对物质性质及其变化微观本质的理解程度，引导学生迅速地寻找问题解决的策略。递进式的“对话”重视的不是知识而是思考过程或思考体验，它既促进了学生建构具有逻辑内聚力的化学模型结构，也促进了学生对模型的认识向深处发展。

例如，“从铝土矿中提取铝”的教学，在真实的情境“对话”中，应用铝及其化合物之间的关联和本质特征建构模型（见图3），引导学生理解铝的制备和应用的价值和方法，呈现出利用化学模型提升学生解决问题能力的作用。

情境1：X在地壳中含量7.73%，19世纪中期，拿破仑三世使用铝制酒杯，而大臣们用的则是金杯和银杯；1889年伦敦化学会把铝制的花瓶和杯子作为贵重的礼物送给门捷列夫，表彰他发现了元素周期律为人类做出的巨大贡献。

问题2：电解氧化铝最需要解决的问题是什么？你还知道哪些提取金属铝的方法？为什么要从铝土矿中提取铝？如何从铝土矿中提取铝？

情境3：[实验]探究氧化铝的性质。实验试剂与用品：氧化铝、6.0mol/L NaOH、盐酸、试管、胶头滴管、药匙、废液缸等。实验要求：写出实验方案、实验现象和实验结论。

问题3：如何找到一种能够使氧化铝熔融温度降低的材料？

情境4：铝的再生：“新世纪材料的亮点”再生铝又称二次铝，是目前废物界最有价值的材料。现在世界上每年从废铝回收的铝量约为400万吨，相当于每年铝产量的25%左右，与以铝土矿为起点相比，生产1吨再生铝合金能量消耗仅为新铝的2.6%，并节约10.5吨水，少用消耗固体材料11吨，比电解法制铝时少排放CO2 91%，减少1.9吨废液和废渣。

问题4：未来可以从哪些方面减小铝生产过程中的能耗和成本？调查收集金属铝在日常生活、生产、科研方面的应用，并说明这些应用体现了铝的什么性质？并将调查报告和同学交流。

基于真实情境中的对话，引发了理论假设与实证检验不断交互，引导学生将“图3铝土矿中提取铝”模型结构各种关系的理解逐级向深处发展，准确把握铝及其化合物转化中微观粒子运动的逻辑脉络，化繁为简，强化了对“认识事物要善于追根求源”观点的理解，引导学生从对具体知识的理解上升到对化学基本问题的理解。

4.2 创设情境促进化学模型的建构

科学模型是科学性和假定性的辩证统一。它不仅要接受实践的检验，而且要在实践中不断扩充、改进和修正。因此，在对化学模型的认识、建构和应用过程中：教师既要将注意力放在仔细观察学生获得观念的发展上；也要关注学生的已有知识经验，考察已有的心智模型类型及特点，同时还要关注其化学模型的发展历程。

化学平衡是中学所涉及的四大平衡理论知识的核心，其思想贯穿于整个高中化学知识体系。它不仅是基础知识，也是一种方法和观察物质变化的一种视角，这种方法与视角既影响着学生的化学和其他学科学习，也影响着学生的生活。

影响学生建构化学平衡模型“ν正=ν逆≠0”因素有许多。一是学生需在这“宏观-微观-符号”表征方式之间进行有效的转换，任何一种表征方式的缺失，都将不会产生学习的意义。如在饱和硫酸铜溶液中加入硫酸铜晶体，学生看到的只是晶体不溶解的宏观现象，不能理解现象的微观本质。二是“平衡”的思想在其他学科中也有所显示，形成负迁移。如，物理中的受力平衡以及数学中等式双边的平衡，突出了“相等”的思想，学生会将这种想法迁移在化学平衡的学习中，认为向平衡体系中添加物质，会使反应的化学方程式两边不平衡，因而平衡发生移动。三是日常生活经验以及语言的影响，产生认识误差。

仅仅通过讲授，一些学生难以体会或领悟平衡的动态性质。要想以科学概念替代学生认知结构中的错误概念，必须创造情境，使学生对自己已有的观念产生怀疑，进而反思、澄清其错误概念，形成正确的认识。

4.3 从思维的起点出发逐步构建化学模型

化学模型的大部分内容都是思维的产物，这就要求我们在化学模型的建构中要从最简单的问题开始，即从思维的起点开始，经历学习具体知识、掌握化学思想和方法、探寻答案等过程，循序渐进构建化学模型。

在构建水溶液中微粒浓度相对大小的比较，化学（离子）方程式认识模型时，学生总是先将单一的具体实物“映射”到头脑中，比较难形成电子守恒、电荷守恒、物料守恒等模型，学生看到这些知识时没有在头脑中对它形成一个具体的“形状”或“结构”，他们找不到这样一个可以想象的实体来表征化学反应微粒之间的本质联系，那么要求他们形成相应的守恒模型是很难的。

在简单问题提出和解决的基础上，再通过有层次、阶梯性的问题呈现，启发学生主动参与、互相合作、积极探索，深入理解物质变化运动的守恒模型，并运用守恒模型知识有效解决实际问题。

如，比较溶液中离子浓度大小，首先，分析强电解质的电离，弱电解质的电离平衡（包括水的电离平衡）、盐类的水解平衡等；其次，确定溶液中的微粒种类、微粒数目及微粒间的相互作用；再次，分析溶液中各种微粒的等量关系和不等量关系；最后，运用电荷守恒、电子守恒、物料守恒等模型阐明溶液中各离子浓度大小。从简单问题出发，循序渐进地建构“比较溶液中离子浓度大小”认识模型，通过以上4个教学环节来完成教学过程，在各个教学过程中让学生自主探究、互动交流，有利于促进学生获得相应的守恒模型。

参考文献：

[1]邱美虹，钟建坪.模型观点在化学教科书中的角色与对化学教学之启示[J].化学教学，2014，（1）：3～6.

[2][英]亍す伦著.韦钰译.科学教育的原则和大概念[M].北京：科学普及出版社，2011：2～18，3～7.

[3]雷范军.新课程教学中强化训练化学模型方法初探[J].化学教育，2006，27（4）：17.

[4]文祥，曹志平，易显飞.科学模型的演进及其认识论特征[J].湖南工业大学学报（社会科学版），2011，（4）：29～33.

[5]何美，斐新宇.科学教学中的建模活动：若干概念与研究主题[J].全球教育展望，2009，（2）：82～86.

[6]佐藤学著.钟启泉译.学习的快乐――走向对话[M].北京：教育科学出版社，2004：103.