“模型認知”素養：內涵與教學進路

程俊 蘭建祥

摘 ?要：“模型認知”素養是化學學科核心素養的重要組成部分。本文辨析了模型的概念與分類、“模型認知”的內涵與“模型認知”素養水平，并以一節電化學優質展示課為案例，提煉出發展“模型認知”素養的流程和教學策略。

關鍵詞：模型認知；模型；電化學；原電池；電解池

“模型”方法作為一種重要的科學操作與科學思維的方法，蘊含著很高的認知價值。人類在認識和改造客觀世界的過程中，從實踐出發，運用概括、歸納、抽象等思維方式對在實踐中獲取的信息進行加工，形成對客體屬性、特征的理解和認識，即模型。這種理解和認識一旦被證實符合客觀或正確反映了客觀，即產生知識、理論或真理。

“模型認知”這一重要的科學思維方法，正隨著新課程改革進入廣大化學教師的視野，發展學生的“模型認知”素養也逐漸成為化學教學所追求的目標?？上驳氖?，很多老師已經有意識地在教學中建立各種認知模型，基于模型認知增進學生的學科理解，形成學生解決復雜問題的思維框架。但是，調研中也發現，發展學生模型認知素養的教學，其效果并不理想。為此，本文試圖厘清與模型認知相關的概念，并以《電解原理的應用》為例，構建基于模型認知的教學流程，提出基于模型認知的教學策略。本節課例曾面向全國進行展示，并受到廣泛的一致好評。本節課的授課人為深圳市新安中學（集團）蘭建祥老師。

1?模型的概念及分類

1.1 模型的概念

關于模型的釋義可謂眾說紛紜。但概括起來，主要有兩種意涵。其一，是指實物的鏡像模型，此模型是實物原型在物理形狀上的再現，再現的載體通常有實物仿制或圖像刻畫。鏡像模型與實物原型只具有物理意義上的全等或相似的映照關系。其二，是指思維模型，此模型是實物原型本質屬性、特征、關系或規律的揭示，揭示的方法是運用概括、歸納、抽象等思維方式對在原型客體進行簡縮或提煉、形象與假設的表達。[1][2]思維抽象模型與實物原型具有具象與抽象、表面與本質的邏輯關聯。

鏡像模型能夠實現“以小見大”的效果，以利于從整體上考察系統中各部分之間的關系，讓認知更整體、更系統。思維模型能對原型內部的運行機制或作用原理進行揭示或解釋，讓認知更本質、更精確、更簡潔。一般情況下，人們談及的模型，多半是指思維模型，因為思維模型更具認識論和方法論的意義。

1.2 化學教學中的模型分類

在化學教學的語境中，模型也大體包括鏡像模型和思維模型兩大類。鏡像模型如煉鐵高爐的構造示意圖，合成氨工業工藝流程示意圖，化學反應裝置示意圖等等。思維模型可以根據其來源分為學科理論模型和教學認知模型。學科理論模型是指化學課程中已有的概念、原理、定律、結論等，如有效碰撞模型、原子結構模型、八電子穩定結構學說等，這些模型是人類在長期認知客觀世界過程中形成的已有科學模型和認知成果，業已成為化學學科的重要內容。另一類思維模型，是教師在日常教學中為了幫助學生理解學科內容而自主建構的思維模型，如物質轉化關系圖、蓋斯定律圖示模型、氣體制備實驗模型、實驗探究的一般思路模型、等效平衡思維模型、原電池工作原理模型等等。

2?“模型認知”的內涵與水平

2.1 “模型認知”的內涵

“模型認知”不是一個特定的詞組，它包含模型和認知兩方面。蘭建祥指出“模型認知”在中學化學教學中有兩個理解指向，即關于模型的認知和基于模型的認知。前者是指認知化學課程中的已有模型，后者是指借助模型方法來認知，兩者分別指向教學內容范疇與教學方法范疇。[3]楊玉琴認為“模型認知”是利用模型進行思維的一種方法?[4]，吳星認為“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。?[5]吳克勇認為“模型認知”是人們利用模型認識事物或通過建模解決問題。[6]歸納起來，在化學教學中，模型既是認知對象，也是認知方法。

《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）對“模型認知”素養的釋義為：“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，解釋現象的本質和規律”。[7]可見，“新課標”的“模型認知”素養更強調其作為一種思維方法的價值，即通過建構模型認識事物、解決問題，在方法論上屬于“基于模型的認知”。

2.2 “模型認知”素養水平

關于化學學科核心素養中模型認知的水平層級，吳星等概括為三層，即認識科學模型、掌握模型方法、探索模型建構。[8]楊玉琴將模型認知劃分為四個水平，即認識模型、理解模型、運用模型和建構模型。[9]蘭建祥認為建構模型、解釋模型、應用模型是達成“模型認知”素養的三個遞進層次。[10]?在“新課標”關于化學學科核心素養的水平劃分中，將“模型認知”素養劃分為4個水平，提取其關鍵動詞：水平1為“識別、關聯、匹配”，水平2為“理解、描述、表示、運用”，水平3為“認識、評價、改進、說明”，水平4為“分析、建構、選擇、優化”。[11]?雖然新課標把“模型認知”素養界定為四個水平層次，但每個層次都包括建模、解模與用模三個要素，只是三個要素在不同水平中的表現程度不同而已。

在“模型認知”的素養發展中，蘊含著豐富的思維活動，教學應該循序漸進地由基礎水平到高水平逐步發展學生的“模型認知”素養。但我們也清楚看到，基于模型認知的教學在當下的課堂教學中雖然被重視，但“模型認知”素養培育的效果并不理想，多數學生還只是停留在模型理解階段，內化模型并靈活應用模型去遷移解決陌生問題或復雜問題的能力還遠未抵及，學生自主建構模型、和自主優化模型的能力培養更是相差甚遠。因此，研究建模教學的路徑與實踐策略顯得極為必要和重要。

3?基于模型認知的教學案例分析

如上所述，建構模型、解釋模型、應用模型是發展“模型認知”素養的三個遞進層次。如何基于這三個遞進層次實施發展“模型認知”素養的教學呢？筆者以《電解原理的應用》新授課為例進行剖析。

3.1 建構模型環節

任務一：原型呈現

【1】回顧熟悉的電解水的化學反應：2H2O電解（=====）2H2↑＋O2↑，引導學生基于微觀層面理解兩個電極的四種產物

①陰極：生成OH－和H2???????②陽極：生成H＋和O2

任務二：原型剖析

【1】視頻播放：家用多功能電解水機

【2】引導學生分析家用多功能電解水機工作原理（有膜電解）：

陰極：生成OH－和H2，產生堿性水和富氫水（供飲用）

②陽極：生成H＋和O2，產生酸性水和富氧水（供洗滌用）

任務三：原型變式

【1】引導學生分析問題：如圖所示，將下列溶液投入電解池的陽極室或陰極室之后，會發生什么變化：

Na2SO3溶液投入陽極室→被氧化???②Na2CO3溶液投入陽極室→被酸化

③NaHCO3溶液投入陰極室→被堿化????④NaNO3溶液投入陰極室→被還原

任務四：模型建構

引導學生基于電解水機的工作原理來構建電解水溶液的電解應用模型：

圖4：電解水溶液的電解應用模型

案例分析：本節課的模型建構，是從經典、簡單的原型呈現和演繹開始，以生產生活中的事實作為證據，對呈現的原型進行證據推理和微觀分析，從而揭示原型的本質或規律；然后對原型進行“主體變換”，使學生在認知上實現觸類旁通、舉一反三；最后一步就是在“一系列具體事實”的基礎之上概括出一般原理，即建構模型。

對比一般的模型建構，本節課的建模過程有三個明顯的特征：一是選取的原型外延簡單、內涵簡潔，有利于學生對原型的關鍵要素進行深入剖析；二是承載原型的情境素材銜接學生的已知或貼近學生的日常生活，有利于誘發學生對原型進行深入探索的興趣；三是對原型進行證據推理與本質抽象的過程鞭辟入里，使模型的建構順理成章、水到渠成。

3.2 解釋模型環節

任務一：強化模型理解

【1】提問：將Na2SO3溶液處理為Na2SO4溶液為例，要實現模型的應用價值，該如何投料呢→向陽極投料，使Na2SO3被氧化。

【2】視頻展示：生鮮蔬菜加工企業用電解水技術降低蔬菜中的農藥殘留并進行消毒殺菌處理（借此強化學生基于模型來感知電解在工業生產實際中的應用）。

任務二：破解模型障礙

解惑：如何理解NO3－離子在電解池的陰極可以被還原成N2？?→可以理解為H＋得電子首先被還原成H原子，H原子具有極強的活性，NO3－直接捕獲H原子而被還原！

案例分析：面對從具體到抽象構建出來的認知模型，學生開始可能將信將疑。故此，需要對模型進行進一步的詮釋，以鞏固、強化學生對模型的理解，或者有針對性地化解學生的理解困惑。比如，對于電解水溶液的電解應用模型，學生常見的困惑就是“含氧酸根離子通常被認為不放電，但亞硫酸根離子為何能被氧化、硝酸根離子為何能被還原？”再比如，電解水溶液的電解應用模型，其本質是基于電解水來理解電解的應用，所以其適用條件是電解水溶液，而且是非氯化鈉型的水溶液（因為Cl－的放電能力大于OH－，此時不再只是電解水）。通過適當的問題對模型進行剖析，豐富學生對模型的理解，這是實現正確和準確應用模型的前提。

3.3 應用模型環節

任務一：解釋性應用

【1】借助15道有關電解應用的高考題（去題干、去選項、留目標、留裝置），引領學生運用模型去解釋電解在工農業生產中形形色色的應用。

【2】歸納總結：將15道題高考題中有關電解的應用在模型中對號入座，感悟認知模型的“威力”。

圖5：電解水溶液模型的應用擴展圖

任務二：創造性應用

【1】請設計一個電解裝置，利用Na2SO4溶液制備酸和堿？

【2】請設計一個電解裝置，將NaHSO3溶液再生為Na2SO3溶液？

案例分析：建模的目的是用模，通過運用模型來描述和解釋化學現象，并建立解決復雜化學問題的思維框架。只有實現模型的應用，才能彰顯模型的價值；也只有經歷模型應用的過程，才能深化和固化學生對模型的本質性理解，才能實現知識向能力的有效轉化，才能真正發展“模型認知”素養。在以上應用模型環節，將模型應用設計為解釋性應用和創造性應用兩個梯度。解釋性應用表現為運用模型解釋問題，創造性應用表現為運用模型自主提出解決問題的方案。

4?基于模型認知的教學策略分析

反思當前基于模型認知的教學中存在的問題，結合上述課例的啟示，深感有三個值得思考和探尋的問題：建怎樣的模型，如何建構模型，如何解模和用模。

4.1 建構怎樣的模型

在基于模型認知的教學中，“模型”是手段，“認知”是目的，所以“模型認知”的前提與關鍵是建構一個有用且好用的模。

所謂有用，即有效。作為模型，不能只是對原型簡單放大或縮小的再現，而必須是揭示現象背后的本質和規律，這也是模型的根本屬性。誠然，模型越能揭示現象背后的本質和規律，模型的效用性越好。所以，教學中建立的認知模型，應該是有用、有效的模型。

所謂好用，即用起來簡便。從原型到模型的過程，是一個從具象到抽象、從表象到本質的過程，實質是一個去偽存真、抓大放小的過程。故此，簡約、簡明是模型的重要屬性。模型越簡單，不僅越具有概括性、統攝性和普適性，而且用起來也更能發揮披云見日、一針見血之效。如果建構的模型內涵繁瑣、體系龐雜，這樣的模型則與模型認知之本義背道而馳。

以上課例中建構的電解應用模型，在內涵上能揭示本質和規律，在形式上簡單明了，這樣的模型既管用又好用，為發展學生的“模型認知”素養提供了基本前提和保障。以上模型，也被很多觀摩教學的老師所關注和認同，并在教學實踐中參考和借鑒。

4.2 如何建構模型

多數老師的建模教學，有兩種傾向有待優化：其一，是課堂上缺少建模過程或過程唐突，換言之，模型建構過程沒有學生的參與。有的老師是把自己建構的模型直接呈現在學生面前，硬性讓學生去機械地套用模型。學生缺少對模型的基本理解，只能生搬硬套。于是，模型的認知價值難以體現。其二，課堂上有建模過程，但用于建模的“原型”不具有最佳的適切性。這里的適切性，包括選取的原型是否具有足夠的建模價值，也就是原型與模型是否具有高度的匹配性；適切性也包括選取的原型是否貼近學生的生活實際，這在很大程度上影響著學生進行證據推理的欲望和動機。

在以上課例中，學生全程參與了對原型現象的證據推理、變式理解和抽象歸納過程，學生最終成為模型建構的主人。而且，作為建模選取的原型既簡單又生動，尤其是借助家用電解水機這一生活小情境，就讓電解原理應用模型完美地展現在學生面前，對原型的選取堪稱絕妙。

4.3 如何解模和用模

解模和用模是建模之后的重要環節，教學要重視對這一環節的設計。用模著眼于三個需要，一是運用模型解釋化學現象，揭示現象的本質和規律，即所謂的解釋性應用；二是運用模型自主制定解決問題的整體方案，即所謂的創造性應用；三是通過運用模型形成解決復雜化學問題的思維框架。對教學而言，應用模型的本質，就是訓練學生基于模型認知的科學方法與科學思維能力，形成學生的高階思維能力。一旦把認知模型內化為思維能力，則學生在遇到類似的系列問題時，就能更有方向、更具效率地運用知識去分析和解決問題。

課堂教學中如何有效且高效地進行“用?！钡慕虒W設計呢？這里有兩個問題值得琢磨：一是選擇什么樣的情境問題，二是設置多少情境問題。前者是對情境問題質的考慮，后者是對情景問題量的斟酌。首先，情境問題應該是基于真實生活、社會場景創設的問題，引領學生運用模型去解決真問題，在探索問題解決的思維活動中掌握知識、發展智力、開啟智慧。其次，設置的情境問題需要一定的數量，使得用模的強度達到一定的頻次，方能實現從量變到質變。也就是說，一組情境問題更能強化學生用模的能力訓練，更有利于學生感知模型的力量，也更有助于思維能力的固化，最終形成解決問題的思維模式。

在以上課例的解模和用模環節，執教者首先是結合學生在模型理解中可能存在的認知困惑或障礙進行模型解讀，然后借助系列情境進行組合，據此強化學生的用模能力，同時讓學生感知模型的功能與價值，最終形成解決同類問題的模型匹配策略。

4.4 發展“模型認知”素養教學流程

如何在教學中切實有效地發展學生的“模型認知”素養，多數教師還亟需具體路徑策略或流程的指引。模型建構是模型理解和應用的前提與基礎，模型理解和應用是模型建構的目的與延續。所以，建構模型、解釋模型、應用模型是教學中發展學生“模型認知”素養的三個遞進層次。這三個遞進層次的流程，在以上課例中得以充分展現。并且，模型建構包括原型呈現、原型剖析和原型變式三個步驟；模型理解指向學生對模型的認知障礙或認知困惑；模型應用遵循由易到難、由低級到高級的應用程序，即由解釋性應用發展到創造性應用；在模型反復理解和反復應用中，形成新的模型理解，由此對模型進行評價以改進和優化模型，使得“模型認知”處于不斷建立和修正的動態過程。

圖6：發展“模型認知”素養教學流程

參考文獻：

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