劉雅麗 濮江 周青

摘要： 模型和建模是國際科學(xué)教育的主要內(nèi)容，發(fā)展學(xué)生建模能力是我國新一輪課程標(biāo)準(zhǔn)中化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”的重要組成部分。通過分析優(yōu)質(zhì)復(fù)習(xí)課“再探金屬的活動性順序”探究如何提高學(xué)生的建模能力。在教學(xué)中，以真實情境為背景、以科學(xué)探究為方法，以模型建構(gòu)為過程，將真實情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生建模能力，發(fā)展學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 建模能力; 模型建構(gòu); 科學(xué)探究; 真實情境; 教學(xué)研究

文章編號： 10056629（2019）9003905? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

模型與建模是科學(xué)發(fā)展和科學(xué)教育的重要元素，也是學(xué)習(xí)科學(xué)必不可少的認(rèn)知與能力，模型認(rèn)知和建模能力體現(xiàn)了科學(xué)本質(zhì)的要求，是科學(xué)教育的重要目標(biāo)[1， 2]。我國《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也首次提出“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”作為化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，在模型建構(gòu)能力方面要求學(xué)生能對復(fù)雜的化學(xué)問題情境中的關(guān)鍵要素進(jìn)行分析并建構(gòu)相應(yīng)的模型，能選擇不同模型綜合解釋或解決化學(xué)問題[3]?？梢娊Ｄ芰κ菍W(xué)習(xí)自然科學(xué)的核心能力，是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的關(guān)鍵能力之一[4]。然而，目前高中化學(xué)教學(xué)中對于發(fā)展學(xué)生模型認(rèn)知和建模能力的意識相對薄弱[5]。在中學(xué)的教科書中，關(guān)于模型建構(gòu)、模型運(yùn)用的比重相對較低，學(xué)習(xí)過程中學(xué)生難以發(fā)展以模型為主的認(rèn)知習(xí)慣，僅僅是解釋相關(guān)概念，缺乏真正建構(gòu)模型和運(yùn)用模型的技能[6， 7]。那么，如何培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知和建模能力呢？

本文通過分析全國第二次初中化學(xué)優(yōu)質(zhì)課大賽中“再探金屬的活動性順序（復(fù)習(xí)課）”，該課例通過科學(xué)探究解決實際問題來培養(yǎng)學(xué)生的建模能力，將模型建構(gòu)和模型應(yīng)用落到實處，可為學(xué)科核心素養(yǎng)在課堂上的落地提供教學(xué)參考。

1? 模型和建模能力

模型是對物體、事件、想法或現(xiàn)象的認(rèn)知和表征，不同的表征方式達(dá)到不同的功能和目的，是聯(lián)系學(xué)習(xí)經(jīng)驗與科學(xué)思維的中介產(chǎn)物。模型可以簡化所表征的事物或使事物抽象化，實現(xiàn)對事物的描述、解釋和預(yù)測[8]。在自然科學(xué)研究中，客觀對象不能直接研究時，在一定的觀察、實驗和對所獲得的科學(xué)事實初步概括之后，利用想象、抽象、類比等方法建構(gòu)一個簡化且集中反映客體本質(zhì)關(guān)系的模型，并通過模型揭示原型客體的形態(tài)、本質(zhì)和特征?；瘜W(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的“模型認(rèn)知”思維方法是由化學(xué)研究對象的特殊性所決定的?；瘜W(xué)模型是以一種以觀念形態(tài)描述原型的特征、性質(zhì)、規(guī)律的抽象概念或理論模型，例如分子、原子模型，理想氣體模型，以及本文中提及的金屬活動性順序模型，是描述對化學(xué)規(guī)律的認(rèn)知過程的模型。建模能力是指把握客觀事物特征、運(yùn)用已有概念域中的相關(guān)概念建構(gòu)心智模型并通過操作性活動解決問題的能力，其可分為內(nèi)隱的心智行為能力和外顯的科學(xué)探究能力，體現(xiàn)在模型建構(gòu)的歷程中[9]。內(nèi)隱的認(rèn)知和心理過程無法直接表現(xiàn)，可以用外顯的、可操作的科學(xué)探究過程發(fā)展建模能力。

2? 建模歷程

建模即模型的建構(gòu)，張志康等[10]認(rèn)為建模是模型產(chǎn)生的一個歷程，將建模歷程分為六個部分（見表1），可推進(jìn)對科學(xué)本質(zhì)的理解。學(xué)生在建模的歷程中逐漸提高建模能力。

3? 優(yōu)秀教學(xué)案例分析

利用對金屬的活動性順序的復(fù)習(xí)將學(xué)生已經(jīng)形成的心智模型通過科學(xué)模型的建構(gòu)歷程轉(zhuǎn)換成科學(xué)模型。通過科學(xué)探究活動解決鈀在金屬活動性順序中的位置、分辨未知金屬、合理處理實驗廢液等實際問題，在此過程中完成學(xué)生對金屬活動性順序模型（即對金屬活動性順序規(guī)律和系列金屬反應(yīng)的認(rèn)知和表征）的建構(gòu)和應(yīng)用，將真實情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，為培養(yǎng)和提高學(xué)生建模能力提供抓手。整個教學(xué)過程分為四個學(xué)習(xí)任務(wù)，分別是（1）模型選擇： 金屬活動性順序重排;（2）模型建立和效化： 確定鈀在金屬活動性順序中的位置;（3）模型應(yīng)用： 利用金屬活動性順序模型確定未知金屬;（4）模型調(diào)適和重建： 運(yùn)用金屬活動性順序模型合理處理氯化鈀廢液。

3.1? 學(xué)習(xí)任務(wù)一模型選擇： 金屬活動性順序重排

模型選擇是指從熟悉的模型中選擇一個合適的模型解決問題。本節(jié)課為復(fù)習(xí)課，學(xué)生對金屬活動性順序已經(jīng)具有一定的理解，形成了心智模型。課程的第一部分復(fù)習(xí)金屬活動性順序相關(guān)知識，以自制工藝品情境導(dǎo)入（實質(zhì)為鐵和硫酸銅的反應(yīng)）。通過將順序錯亂的金屬按照正確的金屬活動性順序重新排列來鞏固已學(xué)知識，學(xué)生從自己已有的認(rèn)知中選擇正確的金屬活動性順序模型，掌握正確的金屬活動性順序，并可以借助金屬活動性順序模型解釋金屬反應(yīng)的相關(guān)規(guī)律。教師引導(dǎo)學(xué)生指出還未解決的疑惑，提出證據(jù)推理和模型建構(gòu)的思想，用金屬活動性順序模型解決實際問題，見圖1。

3.2? 學(xué)習(xí)任務(wù)二模型建立和效化： 確定鈀在金屬活動性順序中的位置

模型建立是確定所選模型的相關(guān)成分與結(jié)構(gòu)，從而建立個人解決問題的初步模型;模型效化是對模型的不斷修正。“學(xué)習(xí)任務(wù)二”利用科學(xué)探究的方法建立關(guān)于金屬活動性順序的科學(xué)模型，分析模型的具體內(nèi)容和模型的結(jié)構(gòu)，用已有對模型的理解做出解釋和預(yù)測，基于實驗現(xiàn)象分析有效證據(jù)并得出結(jié)論。教師引導(dǎo)學(xué)生討論模型表示的具體含義，確認(rèn)模型中各相關(guān)部分的關(guān)系和結(jié)構(gòu)，對模型的相關(guān)部分進(jìn)行評估、檢驗和效化，確定模型的內(nèi)部一致性和外部適用性，通過完整的科學(xué)探究活動深化學(xué)生對模型建構(gòu)歷程的認(rèn)識，見圖2。

3.3? 學(xué)習(xí)任務(wù)三模型應(yīng)用： 利用金屬活動性順序模型確定未知金屬

模型應(yīng)用是利用已效化的模型解決相似情境的問題，證實模型的適切性。在學(xué)生完成模型建構(gòu)之后，教師給出具有相似情境的問題： 利用金屬活動性順序模型確定教師給出的未知金屬，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用“學(xué)習(xí)任務(wù)二”中建構(gòu)的解決問題的科學(xué)模型解決相似情境的問題，通過實驗探究收集數(shù)據(jù)并推理出科學(xué)的結(jié)論，以此判斷學(xué)生構(gòu)建的模型的穩(wěn)定性和學(xué)生對模型的應(yīng)用能力，合理利用金屬活動性順序模型解釋相似情境的問題，證實模型解決實際問題的效果。同時，進(jìn)一步確定模型的適用性，見圖3。

3.4? 學(xué)習(xí)任務(wù)四模型調(diào)適和重建： 運(yùn)用金屬活動性順序模型合理處理氯化鈀廢液

模型調(diào)適是使用此模型解決新情境下的問題，評估模型的適用度。課程的最后一項任務(wù)是對前面所學(xué)內(nèi)容的綜合應(yīng)用。通過學(xué)習(xí)建模的歷程解決新情境問題需要學(xué)生自主設(shè)計實驗解決之前實驗探究中遺留的實際問題，以此培養(yǎng)學(xué)生證據(jù)推理和模型認(rèn)知能力。學(xué)生依據(jù)實際問題中各類物質(zhì)的不同特征，尋找方法和證據(jù)分析建構(gòu)相應(yīng)的模型，在解決新情境問題的過程中對已經(jīng)認(rèn)識的模型進(jìn)行調(diào)適和遷移。同時，在教師創(chuàng)設(shè)的科學(xué)探究問題的解決過程中，培養(yǎng)學(xué)生可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的觀念。在進(jìn)一步的學(xué)習(xí)中，學(xué)生將該模型進(jìn)行修正、強(qiáng)化、延伸結(jié)構(gòu)和功能，使建模變成持續(xù)循環(huán)的過程（見圖4）。

4? 教學(xué)策略與建議

4.1? 以真實情境為背景，注重學(xué)生建構(gòu)科學(xué)模型解決實際問題

科學(xué)模型的建構(gòu)需要以事實為依據(jù)。教師在教學(xué)設(shè)計中以真實情境“‘銀樹變‘紅樹”導(dǎo)入課程，并且在教學(xué)過程中，學(xué)生在真實情境下利用建構(gòu)關(guān)于金屬活動性順序的科學(xué)模型解決了“確定金屬鈀在金屬活動性順序的位置”“利用金屬活動性順序確定未知金屬”“回收氯化鈀廢液”三個實際問題。整個學(xué)習(xí)過程注重從學(xué)生已有的知識和經(jīng)驗出發(fā)，在熟悉的生活情境和社會實踐情境中構(gòu)建相應(yīng)的科學(xué)模型，發(fā)展學(xué)生解決實際問題的能力。真實、具體的問題情境是學(xué)生形成和發(fā)展化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要平臺，為培養(yǎng)學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供真實的表現(xiàn)機(jī)會。用真實情境導(dǎo)入實際問題、用化學(xué)知識和方法構(gòu)建科學(xué)模型解決實際問題，從而提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的社會責(zé)任感。

4.2? 以模型建構(gòu)為過程，培養(yǎng)學(xué)生模型認(rèn)知能力

模型認(rèn)知能力的高低是學(xué)習(xí)科學(xué)知識的關(guān)鍵因素。教學(xué)設(shè)計中教師通過探究鈀在金屬活動性順序中的位置的過程引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)解決問題的認(rèn)知模型。知識是由學(xué)生主動認(rèn)知并建構(gòu)的，教師提供了恰當(dāng)?shù)那榫澈筒煌瑢哟?、不同階段的實際問題幫助學(xué)生組織、整合知識，利用已有的認(rèn)知構(gòu)建新的模型。知識的學(xué)習(xí)過程和模型的建構(gòu)過程是相輔相成的，建構(gòu)模型的過程可以幫助學(xué)生整合知識，合理組織學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，從化學(xué)思維方式的視角學(xué)習(xí)化學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生的模型認(rèn)知能力。

4.3? 以科學(xué)探究為方法，促進(jìn)學(xué)生對構(gòu)建模型和應(yīng)用模型的理解

外顯的、可操作的科學(xué)探究可以促進(jìn)學(xué)生對模型和模型建構(gòu)的理解。在教學(xué)設(shè)計中，共有兩次有意義的科學(xué)探究活動，分別是“確定鈀在金屬活動性順序中的位置”和“利用金屬活動性順序確定未知金屬”。提升學(xué)生對科學(xué)探究的理解可以促進(jìn)學(xué)生更好地認(rèn)識構(gòu)建模型和應(yīng)用模型的意義?？茖W(xué)探究過程中要注重學(xué)生對科學(xué)探究活動的親身體驗，注重提出問題、做出猜想和假設(shè)的重要性，注重依據(jù)事實進(jìn)行判斷并檢驗猜想和假設(shè)的正確性?？茖W(xué)探究是通過實驗、觀察等多種手段對證據(jù)進(jìn)行收集、推理和判斷，最終得出結(jié)論的完整的具有嚴(yán)謹(jǐn)邏輯性的過程，在過程中需要學(xué)生體驗、設(shè)疑、思考、總結(jié)、判斷和反思，并完整地完成模型建構(gòu)和模型應(yīng)用的過程，進(jìn)一步促進(jìn)對構(gòu)建模型和應(yīng)用模型的理解。

4.4? 將真實情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，發(fā)展學(xué)生建模能力

發(fā)展具有內(nèi)隱和外顯兩種特征的建模能力已成為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要任務(wù)，通過真實情境的設(shè)置發(fā)展外顯的科學(xué)探究能力解決生活生產(chǎn)中的實際問題成為準(zhǔn)確把握建模能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將真實情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合解決實際問題，真正實現(xiàn)了教學(xué)情境的真實性、研究體系的條理性、實驗過程的探究性、教學(xué)內(nèi)容的綜合性、學(xué)生思考過程的創(chuàng)新性等目標(biāo)。在真實情境問題的解決過程中，利用科學(xué)探究的手段引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用已有知識建構(gòu)模型并應(yīng)用模型的教學(xué)設(shè)計思路貫穿整個教學(xué)過程，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中將日常心智模型通過科學(xué)模型的建構(gòu)歷程轉(zhuǎn)換成科學(xué)模型，發(fā)展自身的建模能力（見圖5）。

由此可見，在整個學(xué)習(xí)（復(fù)習(xí)）過程中，以真實情境為背景，以科學(xué)探究為方法，以模型建構(gòu)為過程，將真實情境、科學(xué)探究和模型建構(gòu)有機(jī)結(jié)合，真實反映了學(xué)生的科學(xué)建模過程，發(fā)展了學(xué)生的建模能力，提高了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

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