孫安龍

（江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)瓜洲中學(xué)　江蘇揚(yáng)州　225129)

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美國教材中化學(xué)概念的建模思想分析
——以“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”為例

孫安龍

（江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)瓜洲中學(xué)江蘇揚(yáng)州225129)

摘要：美國教材《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中使用了豐富的模型。模型的建立是化學(xué)理論建立的基礎(chǔ)。利用模型可以解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和化學(xué)規(guī)律，并能作出科學(xué)預(yù)測。提供結(jié)構(gòu)良好的教材有利于教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：美國教材；模型；概念

模型是對所研究目標(biāo)事物的一種呈現(xiàn)形式。模型可幫助學(xué)生記憶與解釋概念，它們讓學(xué)生的思維可視化。模型通常會較實(shí)體更為簡化，其尺度可能比表征對象大或小，是理論與現(xiàn)象間的中介物。

《化學(xué)：概念與應(yīng)用》是美國高中的主流理科教材，該教材中豐富的模型種類及其蘊(yùn)含的建模思想，對我們的教育教學(xué)有著一定的借鑒意義。教材是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一，所以提供結(jié)構(gòu)良好的教材，能夠幫助學(xué)生建構(gòu)、發(fā)展學(xué)科概念?，F(xiàn)以第二章“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”內(nèi)容為例進(jìn)行分析。

一、豐富的模型種類

《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中的第二章“物質(zhì)是由原子構(gòu)成的”使用了豐富的模型。

1.言語模型

言語模型是指解釋的、描述的、陳述的類比和隱喻的模型。如《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中用俄羅斯套娃與電子能級對比時描述到“假如將套娃比做原子，那么，最大的套娃代表最外層、能量最高的能級。類似地，最大的套娃也代表價電子?！?/p>

2.視覺模型

視覺模型是指學(xué)生通過視覺觀察到的模型（如圖片、表格、視頻、動畫等）。通過形象視覺模型的呈現(xiàn)，學(xué)生更易感受到微觀世界的奇妙，也更有助于學(xué)生正確理解化學(xué)概念的內(nèi)涵。其實(shí)學(xué)生在進(jìn)行概念同化的同時，也是在不斷重新建構(gòu)自己的心智模型，即在不斷修改和完善自己的知識結(jié)構(gòu)。如《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中有“電子遷移就像爬梯子”的模型（見圖1）。

圖1　電子遷移視覺模型

3.數(shù)學(xué)模型

數(shù)學(xué)模型是指把客觀事物的某些性質(zhì)借助數(shù)學(xué)表達(dá)式來表現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型是一種抽象、準(zhǔn)確和預(yù)測的模型。如《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中計(jì)算氯的平均原子質(zhì)量的計(jì)算方法（見表1）。

表1　氯原子的平均原子質(zhì)量

4.符號模型

符號模型是指采用特定的化學(xué)專用符號，在符合化學(xué)原理的前提下，按照特定的化學(xué)組合方式代替原型的一種方法，如《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中用符號Cl-37表示一種質(zhì)量數(shù)為37，質(zhì)子數(shù)為17，中子數(shù)為20的氯原子。

5.混合模型

混合模型是指多種模型的同時使用。如包含語言的視覺模型稱為視覺混合模型。如《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中對陰極射線管的處理采取了混合模型，其在語言模型中描述為“當(dāng)陰極射線管接上高壓電源后，陰極就會放出一束射線，并在涂有熒光粉的板上生成綠光”。其視覺模型的表現(xiàn)如圖2所示。

圖2　陰極射線管視覺模型

二、多樣的模型功能

由于模型不僅是已有認(rèn)識的總結(jié)，同時也增加了人類的假設(shè)和猜想，所以模型具有多樣的功能。

1.簡化復(fù)雜現(xiàn)象，利于思考

模型是對研究目標(biāo)的一種簡化描繪，它簡化并體現(xiàn)原型與研究目標(biāo)的根本聯(lián)系，略去微小的細(xì)節(jié)。在《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中的電子式就是表示價電子的常用符號。它是用小黑點(diǎn)（·）表示價電子，再將這些小黑點(diǎn)描在元素符號的周圍。在電子式中，每個小黑點(diǎn)代表一個電子，而元素符號代表原子的內(nèi)核（除價電子以外的部分）。

2.提供易于理解的方式

通過模型形成一個關(guān)于物質(zhì)內(nèi)部如何作用的假想機(jī)制，然后通過模擬，去推測物質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而解釋觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。在《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中用爬梯子的模型來解釋電子遷移。就像你要上下梯子一樣，你的腳只能擱在梯子的橫檔上，電子同樣也只能在一定的能量水平上運(yùn)動，而不是在兩個能級之間運(yùn)動。當(dāng)電子吸收了某個特定的能量后，就可躍遷到相對高級的能級上。這個能量就是電子躍遷的兩個能級之間的能量差。

3.提供深刻理解的媒介

在《化學(xué)：概念與應(yīng)用》中用俄羅斯套娃模型來解釋電子能級。假如你抽出最外層的一個套娃，可以發(fā)現(xiàn)，里面有一個類似但小一些的套娃。這個套娃代表由原子核和電子組成的內(nèi)核，但不含價電子。

4.展示強(qiáng)大的預(yù)測能

模型在建立過程中，會舍去大量次要的細(xì)節(jié)，突出物質(zhì)的主要特征，因而易于發(fā)揮想象，使得模型超越現(xiàn)有條件，形成科學(xué)預(yù)見。在人類認(rèn)識原子模型的過程中，盧瑟福通過α—粒子散射實(shí)驗(yàn)（也稱為金箔實(shí)驗(yàn)）來研究原子的結(jié)構(gòu)，通過觀察該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，他的研究小組預(yù)測出因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量太小，原子核占據(jù)幾乎所有的原子質(zhì)量。也就是說，原子核非常稠密，核的周圍則是容納電子的寬闊空間。

5.提供實(shí)驗(yàn)與理論的推導(dǎo)關(guān)系

如對發(fā)射光譜的研究促使科學(xué)家提出一個觀點(diǎn)，電子是在圍繞原子核周圍的具有特定能量的軌道上運(yùn)動的。

三、啟示

美國教材《化學(xué)：概念與應(yīng)用》比較重視模型和建立模型的過程在化學(xué)核心概念形成過程中的重要作用。尤其是教材中大量精彩圖片（視覺模型）的呈現(xiàn)，使化學(xué)中很多抽象、難懂的化學(xué)概念形象地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，降低了學(xué)習(xí)難度，并符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。這也提醒我們在教學(xué)中要樹立幫助學(xué)生逐步學(xué)會建立模型的基本方法，這也會提高我們的課堂效率。

參考文獻(xiàn)

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doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2016.04.012

文章編號：1008-0546（2016）04-0031-02

中圖分類號：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B