“模型认知”素养：内涵与教学进路

程俊 兰建祥

摘  要：“模型认知”素养是化学学科核心素养的重要组成部分。本文辨析了模型的概念与分类、“模型认知”的内涵与“模型认知”素养水平，并以一节电化学优质展示课为案例，提炼出发展“模型认知”素养的流程和教学策略。

关键词：模型认知；模型；电化学；原电池；电解池

“模型”方法作为一种重要的科学操作与科学思维的方法，蕴含着很高的认知价值。人类在认识和改造客观世界的过程中，从实践出发，运用概括、归纳、抽象等思维方式对在实践中获取的信息进行加工，形成对客体属性、特征的理解和认识，即模型。这种理解和认识一旦被证实符合客观或正确反映了客观，即产生知识、理论或真理。

“模型认知”这一重要的科学思维方法，正随着新课程改革进入广大化学教师的视野，发展学生的“模型认知”素养也逐渐成为化学教学所追求的目标。可喜的是，很多老师已经有意识地在教学中建立各种认知模型，基于模型认知增进学生的学科理解，形成学生解决复杂问题的思维框架。但是，调研中也发现，发展学生模型认知素养的教学，其效果并不理想。为此，本文试图厘清与模型认知相关的概念，并以《电解原理的应用》为例，构建基于模型认知的教学流程，提出基于模型认知的教学策略。本节课例曾面向全国进行展示，并受到广泛的一致好评。本节课的授课人为深圳市新安中学（集团）兰建祥老师。

1 模型的概念及分类

1.1 模型的概念

关于模型的释义可谓众说纷纭。但概括起来，主要有两种意涵。其一，是指实物的镜像模型，此模型是实物原型在物理形状上的再现，再现的载体通常有实物仿制或图像刻画。镜像模型与实物原型只具有物理意义上的全等或相似的映照关系。其二，是指思维模型，此模型是实物原型本质属性、特征、关系或规律的揭示，揭示的方法是运用概括、归纳、抽象等思维方式对在原型客体进行简缩或提炼、形象与假设的表达。[1][2]思维抽象模型与实物原型具有具象与抽象、表面与本质的逻辑关联。

镜像模型能够实现“以小见大”的效果，以利于从整体上考察系统中各部分之间的关系，让认知更整体、更系统。思维模型能对原型内部的运行机制或作用原理进行揭示或解释，让认知更本质、更精确、更简洁。一般情况下，人们谈及的模型，多半是指思维模型，因为思维模型更具认识论和方法论的意义。

1.2 化学教学中的模型分类

在化学教学的语境中，模型也大体包括镜像模型和思维模型两大类。镜像模型如炼铁高炉的构造示意图，合成氨工业工艺流程示意图，化学反应装置示意图等等。思维模型可以根据其来源分为学科理论模型和教学认知模型。学科理论模型是指化学课程中已有的概念、原理、定律、结论等，如有效碰撞模型、原子结构模型、八电子稳定结构学说等，这些模型是人类在长期认知客观世界过程中形成的已有科学模型和认知成果，业已成为化学学科的重要内容。另一类思维模型，是教师在日常教学中为了帮助学生理解学科内容而自主建构的思维模型，如物质转化关系图、盖斯定律图示模型、气体制备实验模型、实验探究的一般思路模型、等效平衡思维模型、原电池工作原理模型等等。

2 “模型认知”的内涵与水平

2.1 “模型认知”的内涵

“模型认知”不是一个特定的词组，它包含模型和认知两方面。兰建祥指出“模型认知”在中学化学教学中有两个理解指向，即关于模型的认知和基于模型的认知。前者是指认知化学课程中的已有模型，后者是指借助模型方法来认知，两者分别指向教学内容范畴与教学方法范畴。[3]杨玉琴认为“模型认知”是利用模型进行思维的一种方法 [4]，吴星认为“模型认知”是运用模型思想（模型方法）认识事物和解决问题的思维方法。 [5]吴克勇认为“模型认知”是人们利用模型认识事物或通过建模解决问题。[6]归纳起来，在化学教学中，模型既是认知对象，也是认知方法。

《普通高中化学课程标准（2017年版）》（以下简称“新课标”）对“模型认知”素养的释义为：“知道可以通过分析、推理等方法认识研究对象的本质特征、构成要素及其相互关系，建立认知模型，并能运用模型解释化学现象，解释现象的本质和规律”。[7]可见，“新课标”的“模型认知”素养更强调其作为一种思维方法的价值，即通过建构模型认识事物、解决问题，在方法论上属于“基于模型的认知”。

2.2 “模型认知”素养水平

关于化学学科核心素养中模型认知的水平层级，吴星等概括为三层，即认识科学模型、掌握模型方法、探索模型建构。[8]杨玉琴将模型认知划分为四个水平，即认识模型、理解模型、运用模型和建构模型。[9]兰建祥认为建构模型、解释模型、应用模型是达成“模型认知”素养的三个递进层次。[10] 在“新课标”关于化学学科核心素养的水平划分中，将“模型认知”素养划分为4个水平，提取其关键动词：水平1为“识别、关联、匹配”，水平2为“理解、描述、表示、运用”，水平3为“认识、评价、改进、说明”，水平4为“分析、建构、选择、优化”。[11] 虽然新课标把“模型认知”素养界定为四个水平层次，但每个层次都包括建模、解模与用模三个要素，只是三个要素在不同水平中的表现程度不同而已。

在“模型认知”的素养发展中，蕴含着丰富的思维活动，教学应该循序渐进地由基础水平到高水平逐步发展学生的“模型认知”素养。但我们也清楚看到，基于模型认知的教学在当下的课堂教学中虽然被重视，但“模型认知”素养培育的效果并不理想，多数学生还只是停留在模型理解阶段，内化模型并灵活应用模型去遷移解决陌生问题或复杂问题的能力还远未抵及，学生自主建构模型、和自主优化模型的能力培养更是相差甚远。因此，研究建模教学的路径与实践策略显得极为必要和重要。

3 基于模型认知的教学案例分析

如上所述，建构模型、解释模型、应用模型是发展“模型认知”素养的三个递进层次。如何基于这三个递进层次实施发展“模型认知”素养的教学呢？笔者以《电解原理的应用》新授课为例进行剖析。

3.1 建构模型环节

任务一：原型呈现

【1】回顾熟悉的电解水的化学反应：2H2O电解（=====）2H2↑＋O2↑，引导学生基于微观层面理解两个电极的四种产物

①阴极：生成OH－和H2       ②阳极：生成H＋和O2

任务二：原型剖析

【1】视频播放：家用多功能电解水機

【2】引导学生分析家用多功能电解水机工作原理（有膜电解）：

阴极：生成OH－和H2，产生碱性水和富氢水（供饮用）

②阳极：生成H＋和O2，产生酸性水和富氧水（供洗涤用）

任务三：原型变式

【1】引导学生分析问题：如图所示，将下列溶液投入电解池的阳极室或阴极室之后，会发生什么变化：

Na2SO3溶液投入阳极室→被氧化   ②Na2CO3溶液投入阳极室→被酸化

③NaHCO3溶液投入阴极室→被碱化    ④NaNO3溶液投入阴极室→被还原

任务四：模型建构

引导学生基于电解水机的工作原理来构建电解水溶液的电解应用模型：

图4：电解水溶液的电解应用模型

案例分析：本节课的模型建构，是从经典、简单的原型呈现和演绎开始，以生产生活中的事实作为证据，对呈现的原型进行证据推理和微观分析，从而揭示原型的本质或规律；然后对原型进行“主体变换”，使学生在认知上实现触类旁通、举一反三；最后一步就是在“一系列具体事实”的基础之上概括出一般原理，即建构模型。

对比一般的模型建构，本节课的建模过程有三个明显的特征：一是选取的原型外延简单、内涵简洁，有利于学生对原型的关键要素进行深入剖析；二是承载原型的情境素材衔接学生的已知或贴近学生的日常生活，有利于诱发学生对原型进行深入探索的兴趣；三是对原型进行证据推理与本质抽象的过程鞭辟入里，使模型的建构顺理成章、水到渠成。

3.2 解释模型环节

任务一：强化模型理解

【1】提问：将Na2SO3溶液处理为Na2SO4溶液为例，要实现模型的应用价值，该如何投料呢→向阳极投料，使Na2SO3被氧化。

【2】视频展示：生鲜蔬菜加工企业用电解水技术降低蔬菜中的农药残留并进行消毒杀菌处理（借此强化学生基于模型来感知电解在工业生产实际中的应用）。

任务二：破解模型障碍

解惑：如何理解NO3－离子在电解池的阴极可以被还原成N2？ →可以理解为H＋得电子首先被还原成H原子，H原子具有极强的活性，NO3－直接捕获H原子而被还原！

案例分析：面对从具体到抽象构建出来的认知模型，学生开始可能将信将疑。故此，需要对模型进行进一步的诠释，以巩固、强化学生对模型的理解，或者有针对性地化解学生的理解困惑。比如，对于电解水溶液的电解应用模型，学生常见的困惑就是“含氧酸根离子通常被认为不放电，但亚硫酸根离子为何能被氧化、硝酸根离子为何能被还原？”再比如，电解水溶液的电解应用模型，其本质是基于电解水来理解电解的应用，所以其适用条件是电解水溶液，而且是非氯化钠型的水溶液（因为Cl－的放电能力大于OH－，此时不再只是电解水）。通过适当的问题对模型进行剖析，丰富学生对模型的理解，这是实现正确和准确应用模型的前提。

3.3 应用模型环节

任务一：解释性应用

【1】借助15道有关电解应用的高考题（去题干、去选项、留目标、留装置），引领学生运用模型去解释电解在工农业生产中形形色色的应用。

【2】归纳总结：将15道题高考题中有关电解的应用在模型中对号入座，感悟认知模型的“威力”。

图5：电解水溶液模型的应用扩展图

任务二：创造性应用

【1】请设计一个电解装置，利用Na2SO4溶液制备酸和碱？

【2】请设计一个电解装置，将NaHSO3溶液再生为Na2SO3溶液？

案例分析：建模的目的是用模，通过运用模型来描述和解释化学现象，并建立解决复杂化学问题的思维框架。只有实现模型的应用，才能彰显模型的价值；也只有经历模型应用的过程，才能深化和固化学生对模型的本质性理解，才能实现知识向能力的有效转化，才能真正发展“模型认知”素养。在以上应用模型环节，将模型应用设计为解释性应用和创造性应用两个梯度。解释性应用表现为运用模型解释问题，创造性应用表现为运用模型自主提出解决问题的方案。

4 基于模型认知的教学策略分析

反思当前基于模型认知的教学中存在的问题，结合上述课例的启示，深感有三个值得思考和探寻的问题：建怎样的模型，如何建构模型，如何解模和用模。

4.1 建构怎样的模型

在基于模型认知的教学中，“模型”是手段，“认知”是目的，所以“模型认知”的前提与关键是建构一个有用且好用的模。

所谓有用，即有效。作为模型，不能只是对原型简单放大或缩小的再现，而必须是揭示现象背后的本质和规律，这也是模型的根本属性。诚然，模型越能揭示现象背后的本质和规律，模型的效用性越好。所以，教学中建立的认知模型，应该是有用、有效的模型。

所谓好用，即用起来简便。从原型到模型的过程，是一个从具象到抽象、从表象到本质的过程，实质是一个去伪存真、抓大放小的过程。故此，简约、简明是模型的重要属性。模型越简单，不仅越具有概括性、统摄性和普适性，而且用起来也更能发挥披云见日、一针见血之效。如果建构的模型内涵繁琐、体系庞杂，这样的模型则与模型认知之本义背道而驰。

以上课例中建构的电解应用模型，在内涵上能揭示本质和規律，在形式上简单明了，这样的模型既管用又好用，为发展学生的“模型认知”素养提供了基本前提和保障。以上模型，也被很多观摩教学的老师所关注和认同，并在教学实践中参考和借鉴。

4.2 如何建构模型

多数老师的建模教学，有两种倾向有待优化：其一，是课堂上缺少建模过程或过程唐突，换言之，模型建构过程没有学生的参与。有的老师是把自己建构的模型直接呈现在学生面前，硬性让学生去机械地套用模型。学生缺少对模型的基本理解，只能生搬硬套。于是，模型的认知价值难以体现。其二，课堂上有建模过程，但用于建模的“原型”不具有最佳的适切性。这里的适切性，包括选取的原型是否具有足够的建模价值，也就是原型与模型是否具有高度的匹配性；适切性也包括选取的原型是否贴近学生的生活实际，这在很大程度上影响着学生进行证据推理的欲望和动机。

在以上课例中，学生全程参与了对原型现象的证据推理、变式理解和抽象归纳过程，学生最终成为模型建构的主人。而且，作为建模选取的原型既简单又生动，尤其是借助家用电解水机这一生活小情境，就让电解原理应用模型完美地展现在学生面前，对原型的选取堪称绝妙。

4.3 如何解模和用模

解模和用模是建模之后的重要环节，教学要重视对这一环节的设计。用模着眼于三个需要，一是运用模型解释化学现象，揭示现象的本质和规律，即所谓的解释性应用；二是运用模型自主制定解决问题的整体方案，即所谓的创造性应用；三是通过运用模型形成解决复杂化学问题的思维框架。对教学而言，应用模型的本质，就是训练学生基于模型认知的科学方法与科学思维能力，形成学生的高阶思维能力。一旦把认知模型内化为思维能力，则学生在遇到类似的系列问题时，就能更有方向、更具效率地运用知识去分析和解决问题。

课堂教学中如何有效且高效地进行“用模”的教学设计呢？这里有两个问题值得琢磨：一是选择什么样的情境问题，二是设置多少情境问题。前者是对情境问题质的考虑，后者是对情景问题量的斟酌。首先，情境问题应该是基于真实生活、社会场景创设的问题，引领学生运用模型去解决真问题，在探索问题解决的思维活动中掌握知识、发展智力、开启智慧。其次，设置的情境问题需要一定的数量，使得用模的强度达到一定的频次，方能实现从量变到质变。也就是说，一组情境问题更能强化学生用模的能力训练，更有利于学生感知模型的力量，也更有助于思维能力的固化，最终形成解决问题的思维模式。

在以上课例的解模和用模环节，执教者首先是结合学生在模型理解中可能存在的认知困惑或障碍进行模型解读，然后借助系列情境进行组合，据此强化学生的用模能力，同时让学生感知模型的功能与价值，最终形成解决同类问题的模型匹配策略。

4.4 发展“模型认知”素养教学流程

如何在教学中切实有效地发展学生的“模型认知”素养，多数教师还亟需具体路径策略或流程的指引。模型建构是模型理解和应用的前提与基础，模型理解和应用是模型建构的目的与延续。所以，建构模型、解释模型、应用模型是教学中发展学生“模型认知”素养的三个递进层次。这三个递进层次的流程，在以上课例中得以充分展现。并且，模型建构包括原型呈现、原型剖析和原型变式三个步骤；模型理解指向学生对模型的认知障碍或认知困惑；模型应用遵循由易到难、由低级到高级的应用程序，即由解释性应用发展到创造性应用；在模型反复理解和反复应用中，形成新的模型理解，由此对模型进行评价以改进和优化模型，使得“模型认知”处于不断建立和修正的动态过程。

图6：发展“模型认知”素养教学流程

参考文献：

[1]《化学哲学基础》编委会．化学哲学基础．北京：科学出版社，1986：305

[2]肖立志．认知模型论—关于自然科学发展模式的一个论纲［J］．学术界，1989 （5） ： 13～19．

[3][10]兰建祥.知识教学的精神转向[M].陕西：陕西师范大学出版总社，2019：66、70.

[4]杨玉琴.证据推理与模型认知：内涵解析及实践策略[J].化学教育（中英文），2019 （23） ：23-29

[5][8]吴星，吕琳，景崤壁.化学学科核心素养中“模型认知”的解读[J].化学教学，2020 （06）：3-8.

[6]吴克勇.模型认知解读及教学思考——以化学学科为例[J].教育研究与评论（中学教育学），2017（07）：75-78.

[7][11]中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017 版）[M].北京：人民教育出版社， 2018：4、90-91.

[9]杨玉琴.化学核心素养之“模型认知”能力的测评研究[J].化学教学，2017（07）：9-14.