化学模型认知的内涵和教学实践

陈廷俊

摘要：学生化学模型认知能力的培养，要求教师认真研究化学模型认知的内涵以及化学模型认知与证据推理的关系，准确把握化学模型要素与表征化学问题的内在联系、适用范围和科学局限性，深刻理解其在化学发展中的作用、功能与价值。化学教学要恰当选择化学模型来表征学习内容，正确运用化学模型解释物质结构与性质，科学评价化学模型的使用条件和适用范围，积极建构学习与研究化学问题的认知模型。

关键词：化学模型认知;证据推理;化学键

中图分类号：G633.8 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2019）06A-0068-04

《普通高中化学课程标准（2017年版）》强调学生要认识实验、假说、模型、比较、分类等方法在化学研究中的运用，在高中化学学科核心素养中“证据推理与模型认知”[1]强调化学核心素养的关键是发展学生的认知能力。化学教学很重要的任务就是培养学生的化学模型认知能力，帮助学生认识化学模型与“原型”的关系，理解化学模型的本质及其在化学发展过程中的作用，运用化学模型解释化学现象并揭示其本质规律，建构学习与解决化学问题的认知模型。

一、化学模型认知的内涵诠释

1.化学模型认知的内涵

认知是指人们获取知识、应用知识和加工知识的过程，是人类最基本的心理活动。它包括感觉、知觉、记忆、思维、想象和语言等。认知能力是人脑加工、存储和提取信息的能力，通常指观察能力、记忆能力、想象能力、理解能力和概括能力等。化学模型认知一方面指对物质模型和理论模型的认知，即通过模型认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，形成对化学问题的形象化、系统化认识，并通过探寻证据来优化模型;另一方面指通过分析、抽象和概括等方法建构认知模型，形成学习和解决不同化学问题的系统思维方法。化学模型认知能力由低到高的素养水平[2]参见表1。

2.化学模型认知与证据推理

化学模型是在对化学实际问题科学分析的基础上，用化学语言或数理逻辑方法对问题进行抽象、简化、概括，抓住其本质特征，略去非本质特征，从化学视角来反映或近似地反映实际问题所得出的关于实际问题的描述或者模拟。模型认知是基于原型的某些现象、特征、性质、规律等的抽象与概括，是通过大量事实证据推理得出的，其目的是通过模型来描述化学研究对象、解释化学现象、揭示化学本质规律，并预测其可能结果。

证据推理是对所得到的证据通过溯因、类比、演绎、归纳等方法，是从已知去推理未知的一种逻辑思维过程。这就要求用于推理的证据必须真实有效，证据可以是直接从自然现象、生活经验和实验事实中得到的，也可以是来源于化学史实、学术成果、权威文献的间接证据。证据推理包括对证据的“证实”和“证伪”两个方面，证实是以化学现象或实验事实为依据证明物质结构与化学原理等是正确的，而证伪是通过新的证据来证明其存在问题或错误。证实和证伪作为一种重要的推理方法，证实可以证明理论的确定性，而证伪则能揭示理论的不确定性，这也恰恰是科学猜测和假说得以证明并不断发展的动力。

二、化學模型认知的教学实践

1.恰当匹配化学模型来表征学习内容

化学模型可以分为物理模型、概念模型、数学模型和模拟模型等。物理模型是以实物、模型图或仪器装置图形式直观地表达认识对象的特征，包括原子模型、分子模型（球棍模型与比例模型）、晶体模型、实验装置图、化工设备模型等。概念模型是指以图示、文字等组成的流程图形式对事物的规律和机理进行描述与阐明，既能揭示化学的本质特征，又直观形象，包括化学符号模型、逻辑结构图、概念图等。数学模型是用数学符号、式子、程序、图表等对化学本质属性进行定量抽象和刻画，包括数学方程、函数图表等。模拟模型是指运用计算机程序对物质结构和化学原理等进行生动形象的动画模拟。

化学模型是对化学物质及其本质特征的高度抽象与概括，让化学知识的呈现方式更加直观化、具体化。它和原型之间具有相似的形态、相像的结构、相近的功能，有效地阐述了原型的特点和内在各因素间的相互关系。教师要根据具体教学内容选择合适的化学模型，指导学生对原型进行说明和解释，明确化学物质或理论与化学模型之间的内在联系，帮助学生厘清研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，促进学生对抽象的物质结构、化学概念、化学理论和化学反应过程的理解和应用。如，学习氯化钠的结构，必修阶段选择原子结构示意图等来帮助学生理解其形成过程和本质特点，选修阶段则需要借助氯化钠的晶体模型来帮助学生认识其空间结构，而如果想让学生更清晰地理解粒子在空间的排列情况，运用计算机模拟模型则效果更好。如何选择化学模型进行教学，一方面要根据课程标准的学习要求，另一方面要结合学生的认知水平和教学实际，教师可以提供氯化钠模型让学生分析，也可以指导学生搭建氯化钠的晶体模型，最重要的是帮助他们学会恰当匹配模型来认识物质的方法。

2.正确运用化学模型解释物质的结构与性质

化学学科与其他自然科学的本质区别就是从微观的视角来解释宏观物质及其现象，并准确运用化学符号进行表征。任何一种化学物质所表现出的性质与变化规律都是由其特定结构决定的，即结构决定性质。结构化学中的模型，具有代表性的有经典化学结构模型、化学键的电子理论模型、现代结构化学理论模型[3]。经典化学结构模型比较直观地反映了分子或晶体内部粒子的空间分布与相互作用，它对物质的价键结构、共轭分子、立体化学、配位理论和金属密堆积方式等进行了描述和解释。化学键的电子理论模型客观地反映了原子或分子中电子的行为，共价键（配位键）和离子键从电子层次上很好地解释了原子形成化学键的本质。

这些理论模型的提出和发展是因为随着科学技术的发展，人们对物质结构的认识不断深入，原有理论模型无法解释现实问题。了解结构化学中的模型发展脉络，我们就能正确运用这些模型来解释物质的组成、结构、性质与变化。如，开始学习甲烷、乙烯、乙炔时，可以通过让学生搭建球棍模型和展示比例模型来帮助学生理解其原子在空间的分布和原子间成键情况，书写其电子式。显然，这种模型认知是运用经典化学结构模型和化学键电子理论模型来解释物质结构的，只能粗略表示原子间成键的情况，无法准确解释真实分子结构中原子的成键情况。当学生学习了杂化轨道理论以后，就可以运用杂化轨道理论来解释甲烷、乙烯、乙炔的分子结构。学生在分析键长、键角、键能等实验数据的基础上，揭示碳原子杂化方式、碳原子成键类型，深入理解甲烷、乙烯、乙炔结构与性质的关系，从而能科学预测烷烃、烯烃、炔烃的结构和性质。经过这样的模型认知发展，学生不仅理解了结构决定性质，而且还知道化学模型是为了解释客观事实而提出的，随着科学的不断发展，化学模型将不断得到修正和完善。

3.科学评价化学模型的使用条件和适用范围

化学模型是一种假说或理论，是特定历史阶段基于实验事实提出的，但并不等于客观物质的本质。人们对事物的认识过程通常是由简到繁、由表及里、由浅入深、循序渐进的。每一种化学模型都是在特定历史条件和发展阶段提出来的，它必将随着科学发展和社会进步而不断发展并日臻完善。因此，我们在使用化学模型时，一定要科学评价化学模型提出的背景、化学模型解释的对象、化学模型的使用条件和适用范围。要站在化学模型提出的历史年代来评价其对科学发展的价值与意义，而不能简单运用现在的理论去否定它们对化学形成与发展的重大贡献，更不能混淆化学模型的使用条件和适用范围。

“如果改变影响化学平衡的一个条件（如浓度、压强、温度等），平衡就会向着减弱这种改变的方向移动。”这是大家非常熟悉的勒夏特列原理，它是从化学热力学角度研究反应条件对化学平衡的影响，而不是定量研究化学平衡建立的方程，对化学反应速率的快慢也不进行讨论。明确它的使用条件和适用范围，我们就可以准确判断改变维持化学平衡条件时平衡移动的方向。对于可逆反应N2+3H22NH3，正反应是气体体积减小、放热的化学反应。根据勒夏特列原理讨论合成氨的条件，降低温度、增大压强可以提高平衡时混合物中氨气的含量，及时分离生成的氨也有利于氨的生成;但是工业生产不可能只讨论反应自发进行的趋势，必须综合考虑经济效益。再结合化学动力学理论，升高温度、增大压强、使用催化剂都可以加快合成氨的化学反应速率。这样，对于我国目前工业生产通常选择铁触媒作为催化剂、500℃、20MPa～50MPa，就需要综合两种理论模型进行分析，使用催化剂、升高温度、加压都可以加快化学反应速率，500℃时铁触媒活性最大，20MPa～50MPa是考虑动力材料设备影响，从而指导学生建构合成氨工业生产条件的认知模型。

4.积极建构学习与研究化学问题的认知模型

化学模型认知能力要求学生不仅能认识模型、运用模型、评价模型，而且要求学生能够建构客观反映物质结构、化学概念与原理等化学模型或学习与解决化学问题的认知模型。化学认知模型是某一具体化学问题在学生思维中的映射图或是映像，是学生在对化学问题具有一定感性认识基础上，经过分析、比较、抽象、概括、想象等复杂思维加工而建构的。它折射出的是化学思维的具体过程和方法。建构化学认知思维模型的过程就是寻找解决问题的实践路径，实现核心知识、问题解决和思维模式的有机整合，使学生思维模式结构化、系统化、深刻化。

SO2作为一种酸性氧化物，可以通过类比CO2来学习，但是由于+4价硫的特殊性，SO2又表现出还原性和氧化性。此外，SO2还具有漂白性、毒性，空气中的SO2会形成酸雨而造成环境污染。诸多内容相互交织，容易给学生学习造成困难。教师要通过分析教材内容，梳理出化学核心素养线——“宏观辨识→微观探析→变化观念→科学探究→证据推理→社会价值”，化学知识线——“酸性氧化物→氧化性、还原性、特性→转化关系→实验探究→原理解释→硫酸工业”。在此基础上，根据学生的认知发展规律及元素化合物学习方法，帮助学生建构SO2的认知思维線——“物质类别与元素价态→物质性质→化学反应→实验探究→原理解释→社会价值”。教学时重点引导学生从物质类别和硫元素的化合价来学习SO2的化学性质，通过酸性氧化物能和碱性氧化物、水、碱等发生反应，元素中间价态形成的化合物既有氧化性又有还原性，让学生提出假设并进行实验探究与证据推理，加深对氧化还原规律的理解应用。同时，将硫酸工业导致酸雨的产生，“钙基固硫法”防治SO2污染（SO2→CaSO3→CaSO4）等进行巧妙整合，不仅实现SO2知识的组织化与结构化，而且让学生能够对与化学相关的社会热点问题做出正确的价值判断，凸显知识的应用价值，培养了学生的科学精神与社会责任，从而帮助学生建构SO2的认知模型。

三、化学模型认知的教学反思

1.客观认识化学模型在化学发展中的作用

化学模型在化学发展过程中发挥了非常重要的作用。化学家通过科学假设建构模型来解释化学现象、概念和理论，既揭示了化学的本质规律，也帮助人们深刻理解化学知识。从化学发展历程来看，化学就是不断提出假设建构模型，运用模型解释事实，完善和发展模型，审视和修正模型的过程。随着科学和技术的发展，当原有化学模型与客观事实发生矛盾冲突时，化学家将重新审视化学模型，探究其与客观事实不符的关键因素，分析原有化学模型的局限性和存在问题。通过不断审视与修正，如果仍然无法解释客观事实，化学家会在分析原有模型存在问题的基础上，寻找证据来否定原有化学模型，并重新建构化学模型来解释客观事实。也许在今天来看，原有化学模型非常简单，甚至存在某些缺陷，但是从化学整个发展历程来看，它为化学的形成与发展奠定了基石，提供了非常重要的研究样本，指引着化学研究的方向。

2.有效提升教师化学模型认知教学能力

如何培养学生化学模型认知能力？首先取决于教师的化学模型认知能力。教师对化学模型的功能、价值认识是否客观准确，对化学模型在化学发展中的作用和演变是否清晰，这些都直接影响着教师教学时对模型的选择与匹配、运用与评价，也制约着教师能否引导学生像化学家那样去思考研究问题。其次，教师必须了解化学模型建立、发展的过程，适用的条件和范围，存在的问题和需要进一步完善的方面，准确把握化学知识的科学本质。再次，教师必须能够准确诊断学生对已有化学模型的认知经验、能力水平、存在问题，并据此确定化学模型认知能力培养目标和解决策略。这样，教师就能够有效整合教学资源，设计问题情境，指导学生从不同视角、不同方式选择匹配的化学模型来认识和理解化学知识，厘清化学知识的思维脉络，实现知识的结构化与系统化。

化学教学中学生模型认知能力的培养，需要教师认真研究《普通高中化学课程标准（2017年版）》中模型认知与证据推理的素养发展的四级水平，系统梳理中学化学模型，准确把握化学模型要素与表征化学问题间的内在联系、适用范围和科学局限性，深刻理解其功能与价值，将模型选择与匹配、解释和运用、建构与演变妥帖地嵌入化学教学。教师指导学生建构化学认知模型，要考虑化学知识的特点、学生的知识经验、思维水平和能力发展差异，尽可能构建与不同知识模块学习问题相匹配的认知模型，将化学知识由点到线、由线到面、由面到体，实现知识表征的多维、立体和丰富，从而帮助学生结构化地分析、理解和运用化学知识，提升学生的思维品质和解决问题的能力。

参考文献：

[1][2]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2018：3-5.90-91.

[3]王德胜.化学方法论[M].杭州：浙江教育出版社， 2007：134-140.

责任编辑：赵赟