谈“模型”“化学模型”和“模型认知”过程
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作者:郝向英 刘平 吴燕妮 陈志胜 王赵志 唐青
“模型认知”是一种科学的思维方法，既是“化学科核心素养”，也是高中数学、物理和生物的核心素养之一，建构和应用模型的方法在学习、工作和科研中作用重大，应用广泛！但是，我们在与中学化学教师和化学师范学生接触过程中，发现很多教师和同学对“模型”“化学模型”认识模糊，不知道中学化学中哪些内容属于“化学模型”，对“模型认知”的过程也没有系统的认识;在教学中无意识地应用了“模型认知”的一些方法，其实在写“教学设计”时根本没有考虑过这方面的内容。因此，本文就“模型”“化学模型”和“模型认知”过程这几个方面做一点系统的探讨，以达抛砖引玉之作用。
一、模型及分类
模型又称为“模子”、模板或模具。从广义上讲：如果一件事物能随着另一件事物的改變而改变，那么此事物就是另一件事物的模型。用通俗的话说是选择或制造一个模板，以后照着这个模板学习、思考、研究及工作就更加的方便、快捷及科学。模型可分为形式模型、思维模型和操作模型，其分类见下表。
与化学科相关度较高的几种模型是：“实体模型”“数学模型”“理论模型”及“操作模型”中的基本操作、典型操作流程和典型计算步骤。
二、认识化学模型
要培养学生的“模型认知”素养，首先就要化学教师要认识与化学科相关的各种模型。只有认识、理解了化学模型，了解了“模型认知”的过程，才可能应用化学模型进行教学，让学生理解化学模型并能应用“模型认知”方法学习化学知识。
1.形式模型
（1）实体模型：实体模型是指我们在生产生活和教育科研中实际存在的、具有一定体积和重量的物理形态和按一定比例放大或缩小的物件、图形等。在化学中可以分为实验装置模型、工业设备模型和分子原子模型。
①实验装置模型：典型实验装置就是一种能演变出多种构形相似、功能相近的变形装置的模型。例如：初中化学的“固+固加热反应装置”“固+液反应装置”，高中的“气体吸收装置”，由它们可以演变出多种变形装置。
②工业设备模型：是缩小版的工业设备。如教学中使用的炼铁高炉模型、污水处理厂和换流阀水冷设备模型等，这些把大型工业设备缩小做成便于学生观察的道具就是“工业设备模型”。
③分子、原子模型：分子模型可以是球棍式、比例式模型。
④物质关系模型：在化学中主要指物质性质关系（如思维导图）或转化关系图和“元素价——类图”等。在教学中板书或让学生画这两种转化关系图，有利于学生将碎片化的物质性质知识结成网络、形成牢固的记忆。
2.思维模型
思维模型分为数学模型、理论模型和推理模型。数学模型还可以细分为公式模型、方程模型、算法模型和图象模型，推理模型分为归纳推理、演绎推理和类比推理。
（1）数学模型：数学模型分为公式模型、方程模型、算法模型和曲线模型。理科类的各种公式就是模型的一种，这些公式往往可以推论出其它变形公式。
（2）理论模型：化学中有着各种各样的理论模型，如原子分子论、元素周期表与元素周期律、化学平衡理论、电解质及电离理论、电化学理论、热化学理论（化学反应与能量变化、反应热、中和热、盖斯定律等）、电化学理论（原电池、电解池等）、原子轨道和分子轨道（由薛定谔方程计算得出的结果）、化学键理论、分子间作用力、杂化轨道理论、分子轨道理论、价层电子互斥理论、晶体结构理论等，都属于理论模型。而理论模型的建立通常是运用了推理模型，推理须遵循的基本逻辑，它是由一个或几个已知的判断（前提）推出新判断（结论）的过程。推理模型可分为归纳推理、演绎推理和类比推理。
3.操作模型
典型规范的操作方法或步骤就是操作模型。在化学教学中的实验基本操作、典型实验规范操作步骤或流程、典型计算步骤和教学模式，都是操作模型。例如：实验室蒸馏装置和氯气的制取装置的安装、制取和拆卸的规范步骤，工业生产流程（如自来水生产流程），化学计算要求表达的计算步骤都是。教学策略中的教学模式，如“自学点拨式”“激疑探究式”“点拨反馈式”、洋思中学的“先学后教”、杜郎口中学的“10+35”、魏书生的“六步教学法”、邱学华的“先练后讲，先试后导”、东卢中学的“讲学稿或导学案”及“翻转课堂”等，都是教学实操模型。
三、不同知识“模型认知”的方式和过程
学生思维发展必须符合科学知识和思维发展的规律，不同知识块在引导学生思维发展过程中，模型认知的方式和过程也略有不同。教师要了解这些思维过程的不同点，恰当地应用在教学之中。
1.实验模型的建构和应用
实验模型的建构和应用经过了具体问题、分析问题、构建模型、理解模型和应用模型几个环节，思维逐步深入，能力要求也不断提高。由知识表征过渡到行为表征，最后形成抽象表征。
2 .物质关系模型的建构和应用
物质关系模型可以是转换关系图和二维价类图，它的建构运用了由特殊到一般的归纳推理过程。先选定具体物质，再通过发散联想钠的各种化合物，用箭头将含该元素的单质和各种化合物联系起来，或在价类二维坐标中定点写出和连接，从而建构出物质转化关系模型。
3.理论模型的建构和应用
（1）归纳推理：以归纳推理方式建构理论模型及应用的过程见下图（以质量守恒定律为例）。
（2）演绎推理：以演绎推理方式建构理论模型及应用过程见下图（以原子理论模型为例）。
（3）类比推理：以类比推理方式建构理论模型及应用过程见下图（以勒沙特原理例）。
（4）其它模型：限于文章篇幅，以下几类模型不再画出二维图，只展示它们的思维过程：
公式模型：测量数据—→发现规律—→建立公式—→发现误差—→修正建立公式模型，
例：平衡时各物质浓度→浓度商是定值→平衡常数公式→与方程系数有关→平衡常数公式;
方程模型：具体方程式—→一类方程—→发现规律—→方程模型—→应用：
例：盐酸与烧碱反应→酸碱反应→只有H+与OH-反应→离子方程式→离子方程式书写;
曲线模型：具体反应—→实验数据—→坐标描点—→曲线模型—→推广应用：
例：酸碱中和反应→pH数据→坐标描点→中和滴定曲线→氧化还原滴定曲线;
典型计算步骤模型：计算原理→计算各步骤→重复练习→计算步骤模式;
教学模式：教学方法→教学步骤→关键步骤→教学模式→应用推广。
只有理解了模型，才能应用模型，直至在更高的层次上创造新的模型。在化学教学中一些简答题，如用化学平衡原理解释合成氨的条件选择、用溶度积和沉淀溶解平衡原理解释沉淀的溶解与转化、用杂化验轨道或价层电子互拆理论解释分子的性质或空间结构等，教师要求学生抓住关键词先表达什么、再表达什么，也是一种模型认知，即特定内容的“语言表达模型”;处理问题思维方式、人才能力维度和一些学习方式也是模型，如“是非原则模型”“艾森豪威尔矩阵模型”“认知扭曲原理模型”“肯定式探询模型”“双重回路学习模型”“个人能力模型”等。所以化学核心素养中的“模型认知”非常重要，需要我们广大化学教师认识、发现、体会并运用到教学中，使学生通过“学科知识→学科方法→思维方法”的认知过程，形成“模型认知”的意识和能力。
责任编辑 徐国坚
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