張發(fā)新

摘要：化學(xué)科學(xué)模型是認(rèn)識物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)過程中所體現(xiàn)出的具有化學(xué)學(xué)科特征的具體或抽象的表征，主要包括形象模型、符號模型、數(shù)學(xué)模型，利用模型建構(gòu)促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)，能夠有效促進(jìn)學(xué)生的認(rèn)識發(fā)展，繼而促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)提高。

關(guān)鍵詞：模型；化學(xué)模型；建構(gòu)；化學(xué)教學(xué)

文章編號：1005–6629（2017）5–0024–05 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 問題的提出

“研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)學(xué)習(xí)的困難之一在于學(xué)生無法為巨觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與符號搭起聯(lián)系的橋梁。學(xué)生時(shí)常只記憶特定表征形式所建構(gòu)的化學(xué)理論、實(shí)驗(yàn)的結(jié)果以及特定的化學(xué)反應(yīng)，殊不知割裂的、片段式的學(xué)習(xí)無法統(tǒng)整與理解化學(xué)符號與巨觀現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)”[1]?；瘜W(xué)教學(xué)中學(xué)生在掌握分子、原子、離子等概念時(shí)，從宏觀深入到微觀有一定困難，實(shí)驗(yàn)教學(xué)常常是宏觀的再現(xiàn)，沒有起到引發(fā)微觀理解的作用，教學(xué)中若不致力基于化學(xué)模型的建構(gòu)，就會既割斷了宏觀現(xiàn)象與微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，也割斷了認(rèn)識發(fā)展與學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、形成知識結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。其結(jié)果是既帶來學(xué)生化學(xué)基本觀念的匱乏，也造成了化學(xué)教學(xué)科學(xué)素養(yǎng)教育價(jià)值的貧乏。解決這一矛盾的有效方式之一，就是“利用模型建構(gòu)促進(jìn)學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)”，在化學(xué)教學(xué)中形成物質(zhì)性質(zhì)及其變化的規(guī)律知識與化學(xué)模型的相互融合，促進(jìn)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的提高。

化學(xué)學(xué)科中許多概念都會以模型作為傳輸?shù)妮d體，模型能幫助學(xué)生理解并掌握從化學(xué)的視角認(rèn)識、解釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化的思想方法，獲得“處理與化學(xué)相關(guān)的事物的能力”，“成為具有科學(xué)思想的反思性公民”。因?yàn)椤翱茖W(xué)教育的目標(biāo)不是去獲得一堆由具體事實(shí)和學(xué)科理論雜亂無章地堆砌起來的知識，而應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)一個(gè)向核心概念逐步逼近的發(fā)展過程，這樣做有助于學(xué)生理解與他們生活相聯(lián)系的事件和現(xiàn)象”[2]。

2 模型的含義及化學(xué)模型的特征

模型是指人們?yōu)榱四撤N特定目的而對認(rèn)識對象所作的一種簡化的描述。這種描述可以是定性的（如對原子結(jié)構(gòu)的描述），也可以是定量的（如PV=nRT）。有的借助于具體的實(shí)物來描述（如分子結(jié)構(gòu)的球棍模型），有的則通過抽象的形式（如符號、文字、公式等）來描述[3]?？ǖ贍柕热丝偨Y(jié)了科學(xué)模型的五個(gè)特征：（1）模型可以表明和預(yù)測自然現(xiàn)象；（2）模型一向以實(shí)證的、概念化的標(biāo)準(zhǔn)來評價(jià)；（3）一種模型觀念反映的是某一自然過程；（4）模型由經(jīng)驗(yàn)的或理論的以及這些事物所參與的過程構(gòu)成；（5）模型可以引導(dǎo)未來的學(xué)習(xí)、研究[4]。我國有學(xué)者把科學(xué)模型的表征歸納為直觀性、相似性、詮釋性三個(gè)特征[5]。

一種現(xiàn)象既包含偶然性要素，同時(shí)也包含一定規(guī)律性要素，化學(xué)家的主要目的正是從被研究的現(xiàn)象中區(qū)分出哪些是偶然性因素，哪些是確定性因素。根據(jù)某種化學(xué)現(xiàn)象觀察得到的東西，會產(chǎn)生“導(dǎo)致發(fā)生這樣現(xiàn)象的本質(zhì)是什么”的疑問。如，我們察看Cu-Zn原電池小燈泡發(fā)亮有關(guān)現(xiàn)象，可能產(chǎn)生這樣的追問：原電池能量轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是什么？金屬中的電子和溶液中的離子是如何移動(dòng)的？這就意味著我們并沒有把Cu-Zn原電池有關(guān)現(xiàn)象當(dāng)作是完全隨機(jī)發(fā)生的，而是把所觀察到的東西作為一種現(xiàn)象來“理解”，而這種“理解”的過程實(shí)際上就是排除其中的偶然性突出其規(guī)律性。

化學(xué)模型是認(rèn)識物質(zhì)、改造物質(zhì)和應(yīng)用物質(zhì)過程中所體現(xiàn)出的具有化學(xué)學(xué)科特征的具體或抽象的表征。作為一種認(rèn)識方法和思維方式，化學(xué)模型具有三方面的含義：第一，在從客體到模型，以及由假說描述模型的過程中，經(jīng)過發(fā)生、檢驗(yàn)和修正模型等研究過程，獲取關(guān)于物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及變化中內(nèi)在微觀本質(zhì)等信息，為形成化學(xué)理論奠定基礎(chǔ)；第二，建構(gòu)一個(gè)能反映物質(zhì)性質(zhì)和變化過程中宏觀、微觀、符號本質(zhì)聯(lián)系的化學(xué)模型，可被用來表明、理解、猜測物質(zhì)的性質(zhì)和變化；第三，通過化學(xué)模型的建構(gòu)與應(yīng)用，可以促進(jìn)學(xué)生的科學(xué)思維以及心智模型的改進(jìn)，有利于提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)。

基于以上對模型的探討，筆者認(rèn)為，化學(xué)教學(xué)中呈現(xiàn)的模型主要包括形象模型、符號模型、數(shù)學(xué)模型。形象模型就是用圖像、圖表、模型等直觀工具使微粒結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律具體化。如分子、原子結(jié)構(gòu)，核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等，化工流程圖等形象模型直觀地表明了化工生產(chǎn)的過程；用代表性的符號、用語來表示原型的元素及其各部分相互關(guān)系的化學(xué)符號模型，反映了物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，如化學(xué)式，化學(xué)方程式，結(jié)構(gòu)式，結(jié)構(gòu)簡式，實(shí)驗(yàn)式等；數(shù)學(xué)模型通過數(shù)學(xué)表達(dá)式把微粒運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在屬性及各微粒之間的內(nèi)在聯(lián)系用數(shù)學(xué)的方式表示出來。如反應(yīng)速率方程、化學(xué)平衡常數(shù)方程、溶度積方程、理想氣體狀態(tài)方程等。

3 化學(xué)模型的教學(xué)功能價(jià)值

3.1 形象模型的建構(gòu)增強(qiáng)了學(xué)生對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和物質(zhì)多樣性的認(rèn)識

形象模型能夠?qū)⒒瘜W(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)通過最簡單的方式呈現(xiàn)（如圖1），給學(xué)生感性上的認(rèn)識，這有助于學(xué)生對此知識點(diǎn)的體會與識記，也對學(xué)生在今后更深入地探究物質(zhì)性質(zhì)及其變化的微觀本質(zhì)有著很重要的啟發(fā)意義。

從圖1模型視角可將物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識歸納為：一個(gè)理論（物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論），兩個(gè)層面（原子、分子），三個(gè)視角（微粒、作用力、空間布局）。

按照皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，思維發(fā)展水平“憑借演繹推理等形式解決抽象問題”階段的學(xué)生，物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的建構(gòu)過程中主要憑借對事物的具體形象和表象的聯(lián)想來進(jìn)行，認(rèn)知活動(dòng)處于具體經(jīng)驗(yàn)支持的邏輯思維水平，因而，建構(gòu)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型是不完整的。學(xué)生常常忽略一些其認(rèn)為不重要的或沒有意義的部分。比如，我們在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生描述原子時(shí)會說明其構(gòu)成、大小及核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等，卻很少主動(dòng)提及原子的形狀。在我們提示之后，大部分學(xué)生會說是球形，但他們不能具體描述是怎樣的球形。好多學(xué)生覺得我們的問題是“奇怪的”或“沒有意義的”。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)的三個(gè)核心概念的主要內(nèi)容則按原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)三個(gè)部分先后呈現(xiàn)（表1），每一個(gè)部分都是后一個(gè)部分的認(rèn)知基礎(chǔ)，最終呈現(xiàn)為從原子結(jié)構(gòu)到分子結(jié)構(gòu)再到晶體結(jié)構(gòu)這一“從里到外”、“逐漸長大”的從微觀回到宏觀的認(rèn)識過程。

我們可將“物質(zhì)結(jié)構(gòu)”中的基礎(chǔ)知識、基本概念、核心概念之間的關(guān)系用認(rèn)識模型表示（見圖2），從模型中可以清楚地看出，物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識可拆解成由三個(gè)部分構(gòu)成的知識框架，這一知識框架包含著眾多的基本概念，而從這些基本概念凝煉成的三個(gè)核心概念又正是物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的主要內(nèi)容。因此，物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念的教學(xué)既是建立知識框架的方法，也是建構(gòu)物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的途徑。

運(yùn)用上述模型，引導(dǎo)學(xué)生的認(rèn)識從原子內(nèi)（核與電子、核與核、電子與電子）到原子間（分子內(nèi)——化學(xué)鍵），再到分子間（范德華力、氫鍵）的遞進(jìn)，既逐步構(gòu)建起“構(gòu)成物質(zhì)的微粒之間存在相互作用力”這一核心認(rèn)識，也逐步建立起“物質(zhì)由微粒構(gòu)成，微粒又由更小的微粒構(gòu)成”的基本觀念，以及逐步建立起認(rèn)識“微?！遍g的相互作用和相對位置的認(rèn)識模型。

元素周期表也是化學(xué)形象模型之一，它表明了化學(xué)元素及其相關(guān)知識一個(gè)完整的自然序列規(guī)律，以深入認(rèn)識原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，理解物質(zhì)性質(zhì)及其變化，形成“位、構(gòu)、性”相互依從的基本認(rèn)識，也建構(gòu)了學(xué)習(xí)、研究物質(zhì)性質(zhì)及其變化規(guī)律的基本模型。

化工流程圖是化學(xué)形象模型的另一種形式，能有效解決材料、能源、環(huán)境、資源利用等問題的學(xué)習(xí)與研究，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)知識由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)化，使“死知識”與“活應(yīng)用”相映生輝，強(qiáng)化了對化學(xué)模型的動(dòng)態(tài)性、結(jié)構(gòu)性和發(fā)展性的認(rèn)知，也強(qiáng)化了學(xué)生可持續(xù)發(fā)展、科學(xué)處理人與自然等態(tài)度。

3.2 化學(xué)符號模型引導(dǎo)學(xué)生建立了“宏觀-微觀-符號”三重表征整體思維方式。

“宏觀-微觀-符號”三重表征形式在學(xué)生心理上的內(nèi)化越豐富，越有利于學(xué)生對紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界形成整體有序的認(rèn)識，越有利于對物質(zhì)性質(zhì)及其變化全面和透徹地認(rèn)識和理解，越有利于引導(dǎo)學(xué)生找到化學(xué)變化中宏觀與微觀之間的聯(lián)系與解釋模型，并將零散的物質(zhì)性質(zhì)及其變化的事實(shí)形成相互關(guān)聯(lián)的整體，形成以符號模型統(tǒng)攝的有意義的知識體系。

3.3 圖表、等式等數(shù)學(xué)模型促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識從經(jīng)驗(yàn)層面發(fā)展到理論模型層面。

隨著人類對微粒結(jié)構(gòu)和相互作用方式研究的深入，創(chuàng)立了化學(xué)動(dòng)力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)等數(shù)學(xué)模型，形成了解釋復(fù)雜化學(xué)問題的數(shù)學(xué)表達(dá)式，逐漸建立了化學(xué)現(xiàn)象與模型之間的數(shù)量聯(lián)系，使得描述和解釋化學(xué)現(xiàn)象、預(yù)測物質(zhì)性質(zhì)及其變化的可能結(jié)果變得更為精確。在化學(xué)學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)學(xué)生逐漸學(xué)會運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)知識從經(jīng)驗(yàn)層面發(fā)展到理論模型層面，將邏輯的思維縝密化。

4 促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)化學(xué)模型的教學(xué)策略

4.1 通過“對話”促進(jìn)化學(xué)模型的建構(gòu)

“教學(xué)對話就是通過老師的發(fā)問、鼓勵(lì)與引導(dǎo)，學(xué)生自由思考、自由表達(dá)而獲得知識技能、發(fā)展能力的教學(xué)方法”[6]，對話的重點(diǎn)是教師能有效地設(shè)定化學(xué)模型的問題認(rèn)識與解決序列，不斷探詢學(xué)生對物質(zhì)性質(zhì)及其變化微觀本質(zhì)的理解程度，引導(dǎo)學(xué)生迅速地尋找問題解決的策略。遞進(jìn)式的“對話”重視的不是知識而是思考過程或思考體驗(yàn)，它既促進(jìn)了學(xué)生建構(gòu)具有邏輯內(nèi)聚力的化學(xué)模型結(jié)構(gòu)，也促進(jìn)了學(xué)生對模型的認(rèn)識向深處發(fā)展。

例如，“從鋁土礦中提取鋁”的教學(xué)，在真實(shí)的情境“對話”中，應(yīng)用鋁及其化合物之間的關(guān)聯(lián)和本質(zhì)特征建構(gòu)模型（見圖3），引導(dǎo)學(xué)生理解鋁的制備和應(yīng)用的價(jià)值和方法，呈現(xiàn)出利用化學(xué)模型提升學(xué)生解決問題能力的作用。

情境1：鋁在地殼中含量7.73%，19世紀(jì)中期，拿破侖三世使用鋁制酒杯，而大臣們用的則是金杯和銀杯；1889年倫敦化學(xué)會把鋁制的花瓶和杯子作為貴重的禮物送給門捷列夫，表彰他發(fā)現(xiàn)了元素周期律為人類做出的巨大貢獻(xiàn)。

問題2：電解氧化鋁最需要解決的問題是什么？你還知道哪些提取金屬鋁的方法？為什么要從鋁土礦中提取鋁？如何從鋁土礦中提取鋁？

情境3：[實(shí)驗(yàn)]探究氧化鋁的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)試劑與用品：氧化鋁、6.0mol/L NaOH、鹽酸、試管、膠頭滴管、藥匙、廢液缸等。實(shí)驗(yàn)要求：寫出實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

問題3：如何找到一種能夠使氧化鋁熔融溫度降低的材料？

情境4：鋁的再生：“新世紀(jì)材料的亮點(diǎn)”再生鋁又稱二次鋁，是目前廢物界最有價(jià)值的材料?，F(xiàn)在世界上每年從廢鋁回收的鋁量約為400萬噸，相當(dāng)于每年鋁產(chǎn)量的25%左右，與以鋁土礦為起點(diǎn)相比，生產(chǎn)1噸再生鋁合金能量消耗僅為新鋁的2.6%，并節(jié)約10.5噸水，少用消耗固體材料11噸，比電解法制鋁時(shí)少排放CO2 91%，減少1.9噸廢液和廢渣。

問題4：未來可以從哪些方面減小鋁生產(chǎn)過程中的能耗和成本？調(diào)查收集金屬鋁在日常生活、生產(chǎn)、科研方面的應(yīng)用，并說明這些應(yīng)用體現(xiàn)了鋁的什么性質(zhì)？并將調(diào)查報(bào)告和同學(xué)交流。

基于真實(shí)情境中的對話，引發(fā)了理論假設(shè)與實(shí)證檢驗(yàn)不斷交互，引導(dǎo)學(xué)生將“圖3鋁土礦中提取鋁”模型結(jié)構(gòu)各種關(guān)系的理解逐級向深處發(fā)展，準(zhǔn)確把握鋁及其化合物轉(zhuǎn)化中微觀粒子運(yùn)動(dòng)的邏輯脈絡(luò)，化繁為簡，強(qiáng)化了對“認(rèn)識事物要善于追根求源”觀點(diǎn)的理解，引導(dǎo)學(xué)生從對具體知識的理解上升到對化學(xué)基本問題的理解。

4.2 創(chuàng)設(shè)情境促進(jìn)化學(xué)模型的建構(gòu)

科學(xué)模型是科學(xué)性和假定性的辯證統(tǒng)一。它不僅要接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，而且要在實(shí)踐中不斷擴(kuò)充、改進(jìn)和修正。因此，在對化學(xué)模型的認(rèn)識、建構(gòu)和應(yīng)用過程中：教師既要將注意力放在仔細(xì)觀察學(xué)生獲得觀念的發(fā)展上；也要關(guān)注學(xué)生的已有知識經(jīng)驗(yàn)，考察已有的心智模型類型及特點(diǎn)，同時(shí)還要關(guān)注其化學(xué)模型的發(fā)展歷程。

化學(xué)平衡是中學(xué)所涉及的四大平衡理論知識的核心，其思想貫穿于整個(gè)高中化學(xué)知識體系。它不僅是基礎(chǔ)知識，也是一種方法和觀察物質(zhì)變化的一種視角，這種方法與視角既影響著學(xué)生的化學(xué)和其他學(xué)科學(xué)習(xí)，也影響著學(xué)生的生活。

影響學(xué)生建構(gòu)化學(xué)平衡模型“ν正=ν逆≠0”因素有許多。一是學(xué)生需在這“宏觀-微觀-符號”表征方式之間進(jìn)行有效的轉(zhuǎn)換，任何一種表征方式的缺失，都將不會產(chǎn)生學(xué)習(xí)的意義。如在飽和硫酸銅溶液中加入硫酸銅晶體，學(xué)生看到的只是晶體不溶解的宏觀現(xiàn)象，不能理解現(xiàn)象的微觀本質(zhì)。二是“平衡”的思想在其他學(xué)科中也有所顯示，形成負(fù)遷移。如，物理中的受力平衡以及數(shù)學(xué)中等式雙邊的平衡，突出了“相等”的思想，學(xué)生會將這種想法遷移在化學(xué)平衡的學(xué)習(xí)中，認(rèn)為向平衡體系中添加物質(zhì)，會使反應(yīng)的化學(xué)方程式兩邊不平衡，因而平衡發(fā)生移動(dòng)。三是日常生活經(jīng)驗(yàn)以及語言的影響，產(chǎn)生認(rèn)識誤差。

僅僅通過講授，一些學(xué)生難以體會或領(lǐng)悟平衡的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。要想以科學(xué)概念替代學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的錯(cuò)誤概念，必須創(chuàng)造情境，使學(xué)生對自己已有的觀念產(chǎn)生懷疑，進(jìn)而反思、澄清其錯(cuò)誤概念，形成正確的認(rèn)識。

4.3 從思維的起點(diǎn)出發(fā)逐步構(gòu)建化學(xué)模型

化學(xué)模型的大部分內(nèi)容都是思維的產(chǎn)物，這就要求我們在化學(xué)模型的建構(gòu)中要從最簡單的問題開始，即從思維的起點(diǎn)開始，經(jīng)歷學(xué)習(xí)具體知識、掌握化學(xué)思想和方法、探尋答案等過程，循序漸進(jìn)構(gòu)建化學(xué)模型。

在構(gòu)建水溶液中微粒濃度相對大小的比較，化學(xué)（離子）方程式認(rèn)識模型時(shí)，學(xué)生總是先將單一的具體實(shí)物“映射”到頭腦中，比較難形成電子守恒、電荷守恒、物料守恒等模型，學(xué)生看到這些知識時(shí)沒有在頭腦中對它形成一個(gè)具體的“形狀”或“結(jié)構(gòu)”，他們找不到這樣一個(gè)可以想象的實(shí)體來表征化學(xué)反應(yīng)微粒之間的本質(zhì)聯(lián)系，那么要求他們形成相應(yīng)的守恒模型是很難的。

在簡單問題提出和解決的基礎(chǔ)上，再通過有層次、階梯性的問題呈現(xiàn)，啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)參與、互相合作、積極探索，深入理解物質(zhì)變化運(yùn)動(dòng)的守恒模型，并運(yùn)用守恒模型知識有效解決實(shí)際問題。

如，比較溶液中離子濃度大小，首先，分析強(qiáng)電解質(zhì)的電離，弱電解質(zhì)的電離平衡（包括水的電離平衡）、鹽類的水解平衡等；其次，確定溶液中的微粒種類、微粒數(shù)目及微粒間的相互作用；再次，分析溶液中各種微粒的等量關(guān)系和不等量關(guān)系；最后，運(yùn)用電荷守恒、電子守恒、物料守恒等模型闡明溶液中各離子濃度大小。從簡單問題出發(fā)，循序漸進(jìn)地建構(gòu)“比較溶液中離子濃度大小”認(rèn)識模型，通過以上4個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)來完成教學(xué)過程，在各個(gè)教學(xué)過程中讓學(xué)生自主探究、互動(dòng)交流，有利于促進(jìn)學(xué)生獲得相應(yīng)的守恒模型。

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