单旭峰

⁽教育部考试中心^，北京  ^100084)

摘要^:模型方法是重要的科学研究方法^。模型认知是高中化学课程标准中的学科核心素养之一^。通过分析研究可将考试中的模型分成为概念模型^、结构模型^、过程模型^、数学模型以及复杂模型等类型^。对以往模型认知素养的考查进行梳理和分析  有利于促进中学化学学科核心素养的培养^，提升学生的关键能力^。

关键词^:学科核心素养^;模型认知^;课程标准

文章编号^{:1005-6629(2019)3-0008-05}   中图分类号^:G633．8    文献标识码^:B

模型是一种重要的研究方法^。在近代科学的产生和发展过程中^，模型方法发挥了举足轻重的作用^。在化学科学研究中^，化学家巧妙地构建了大量的认知模型^，既促进了化学理论的发展^，也有效地帮助了学习者或其他研究者了解化学理论及最新的研究成果^。例如科研文章的发表时^，经常以图文摘要的形式简要描述论文主要的内容和研究成果的创新形式^。这种图文摘要就是一种认知模型^，可以帮助读者快速了解文章的研究成果^。在化学教学过程中也呈现了大量的认知模型^，帮助学生认识和掌握化学基本理论^［1］。

²⁰¹⁷年教育部颁布了^《普通高中化学课程标准⁽²⁰¹⁷年版^)》(以下简称“课程标准”⁾提出了化学学科核心素养的基本要求^，包括“宏观辨识与微观探析”“变化观念与平衡思想”“证据推理与模型认知”“科学探究与创新意识”“科学态度与社会责任”五个方面^［2］。化学学科核心素养中的模型认知素养要求“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^，揭示现象的本质和规律”^。在化学学科的教学和评价过程中要进一步加强对模型认知素养的认识^，因此需要进一步梳理模型的基本内涵^、基本分类形式和考查思路^。

1.模型的含义及分类初探

1.1模型概念及功能

^《教育大辞典^》认为模型是原型的一种简化^、抽象和类比表示^，不代表原型的全部特征^，但能表现出它的关键的和本质的特征。模型的原型可为物质^、概念^、事件^、过程和系统^。在科学教育界^，模型的概念众说纷纭^，其核心要素为^:模型是人们为了达到对目标对象进行解释^、认识或研究等特定目的^，对目标对象所作的一种简化的^、直观的^、定性的或定量的^、文字的或图形的描述^。吉尔伯特认为模型作为科学理论与现实世界之间的桥梁^，具有三个功能^:可以使抽象的事物具体化^、可视化^;可以将复杂的现象或事物简单化^;可以为科学的解释和预测提供依据^［3］。

^2.模型分类初步分析

“课程标准”中有多处提到了“模型”一词^，并在教学过程中要求学生学会制作模型^，并应用模型来解决问题^。“课程标准”对模型内涵的认识主要是物质结构模型^，包括原子结构^、分子结构和晶体结构模型等^，例如“用球棍模型搭建常见简单有机分子结构“能借助分子晶体^、共价晶体^、离子晶体^、金属晶体等模型说明晶体中的微粒及其微粒间的相互作用”^。除了结构模型，“课程标准”提出了^“引导学生经历化学平衡常数模型建构的过程^”。为进一步贯彻落实模型素养的教学目标^，急需从分类的角度对模型进行研究^，在教学过程中落实核心素养^。

在科学教育领域^，不同的学者从不同的角度基于自己的研究成果对模型进行分类^。赵萍萍^、刘恩山等梳理了大量的关于科学教育的模型及功能的研究文献^［4］，基于模型功能的视角将模型分为八类^:尺度模型^、类比模型^、图像和符号模型^、数学模型^、不表示数学关系的图表和表格^、理论模型^、概念^—过程模型^、系统模型等^。其中“图像和符号模型”“不表示数学关系的图表和表格”中图像和图表有些重叠^，不太符合化学学科的内容及特点^。所以要基于学科的特点以及学生的认知特点^，对学科化的教育认知模型进行科学合理的分类^，既有利于教学实施^，也有利于素养评价^。

化学是研究物质结构^、性质^、应用及其变化规律的科学^。原子^、分子等微观粒子不可直接观察^，物质性质及其反应变化规律十分抽象^，所以需要根据实际情况^，使用分析^、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^，建构模型以解释和认识物质结构^、性质和变化规律^。根据模型的定义^、核心要素及化学学科的研究特点^，结合理论模型^、实物模型和思维模型的分类方法^{［5～8］，}可将中学化学学科的认知模型从内容和形式上分为如下几类^。

⁽¹⁾概念模型^:化学概念模型形式上属于文

字或符号描述模型^，本质上属于理论模型^，其内涵是将化学现象或化学事实抽象归纳^，揭示化学学科本质特征的理性知识^。例如化学中最常用的元素符号^、结构式^、方程式^、反应类型^、燃烧焓^、电离能^、电负性等^。

⁽²⁾结构模型^:结构模型属于实物模型^，属于图形表示模型^，是普遍认同的模型^，也是传统意义上的模型^，在化学科学中应用广泛^。该类模型最接近模型的本意^———比例模型^，即根据对象的外形和结构特征^，按比例进行放大或者缩小^。其具体内涵是将物质^、装置等抽象的^、复杂的结构用简单易懂的方式展示出来^，便于解释研究对象内部结构的相对关系^、功能和工作机制等^。主要包括物质结构模型和装置结构模型^。在教科书中使用大量的模型来解释原子^、分子和晶体结构^，阐释不同结构之间的关系及功能^。

⁽³⁾过程模型^:过程模型属于理论模型和思维模型的结合体^，其内涵是用图形图像表示反应或生产过程中某个物理量的变化过程或者某元素的存在形式⁽状态⁾的转化过程^，主要包括反应量化模型^、物质转化模型^。

⁽⁴⁾数学模型^:数学模型属于理论模型^，其内涵为用数量关系来表示结构与性质的数量关系^、物质反应及变化过程中的规律^。例如在某一温度下^，反应达到平衡时物质的浓度⁽或压强⁾之间存在一个定量关系^，即平衡常数^;特定反应下^，反应物浓度与达到平衡的时间之间的关系模型等等^。

⁽⁵⁾复杂模型^:该类模型是理论模型^、实物模型和思维模型的复合体^，如在物质结构模型的基础上建立的某些物理量之间的定量关系^。理想气体模型就是属于复杂模型^，其是在微观物质结构模型的基础上^，抽象表示物质的压强^、温度^、体积^、物质的量之间的数学模型^。再如化学中的元素周期表也是基于思维模型和实物基础上的复杂模型^，包含了大量的物质结构和性质等信息^。

2..      对“模型认知”素养评价的归类分析

模型的概念并不是现在的^“课程标准^”首次提出^，在过去的教学和考试评价中已经有所要求^。2004年颁布的^《普通高中化学课程标准⁽实验^)》(以下简称“课程标准⁽实验^)”) 中多处提到了“模型”一词^，例如“能列举金属晶体的基本堆积模型”“用球棍模型^、多媒体软件展示有机化合物分子的空间结构和异构现象”^，要求学生学会制作模型^，并应用模型来解决问题^［9］。

考试大纲对模型的评价提出了具体的要求^:“通过对自然界^、生产和生活中的化学现象的观察^，以及实验现象^、实物^、模型的观察^……”“将分析和解决问题的过程及成果^，能正确地运用化学术语及文字^、图表^、模型^、图形等进行表达^……”。这里模型的含义是模型的方法^，主要是指结构模型和过程模型^［10］，所以对这两种模型的考查尤其深入^。对于结构模型的考查尤其突出^，体现了“课程标准⁽实验^)”和考试大纲的要求^。“物质结构与性质”模块试题注重对物质⁽ 原子^、分子和晶体⁾结构模型的观察和表达等方面的考查^。其实对模型的考查与教学的要求基本相似^，主要分为三个层次^:认识模型^、应用模型^、建构模型^。这三个层次是递进的关系^，对于最高层次的建构模型，主要包括发现问题^、建立模型^、解决问题三个主要环节^。在高考中对模型素养的评价主要体现在认识模型基础上的应用模型^，要求学生能够认识理解相关概念和方法的基础上^，利用已经学过或者试题中提供的模型解释化学现象^、阐释变化规律和揭示反应本质等^。下面将对化学中的模型进行分析^，以期在今后的考试评价中对模型认知素养的落实发挥良好的推动作用^。

2.1概念模型

高考化学注重对各种类型概念的考查^，要求学生在理解的基础上利用其分析和阐释问题^，除了教材讲授的概念之外^，还经常设置一些陌生概念的定义^，考查学生对这些抽象概念的理解和应用的情况^，例如近几年高考试题提供了转化效率^、能量密度^、原子坐标参数^、晶胞参数^、大π键等新概念，要求学生在理解的基础上分析一些问题、解释一些事实。例如能量密度概念的考查属于应用层次，要求计算二甲醚的能量密度，并与甲醇燃料电池进行对比分析，从能量密度的角度认识不同燃料电池的优劣。

2.2结构模型

(1)原子结构模型。在教科书中，介绍了不同时期的原子结构模型^［11］:汤姆逊“葡萄干布

丁”模型、卢瑟福核式模型、玻尔电子分层模型、量子力学模型等等。由于化学课程更多关注与元素化学性质关系密切的核外电子排布，结合中学的认知特点，在教学和考试中从构造原理的角度考查核外电子排布情况，以往的考试要求是让学生写出原 子 结 构 示 意 图。实 施“课 程 标 准 (实验)”以来，对原子结构的考查方式发生了变化,大多数是让学生以轨道表达式或电子排布式表示核外电子排布情况。在近10年的课程标准全国高考化学卷中的“物质结构与性质”模块均对该模型进行了考查，如2017年的全国II卷要求学生写出氮原子价层电子的轨道表达式(电子排布图)。

(2)分子结构模型。分子结构模型是以价键理论和杂化轨道理论等物质结构理论为基础的比例模型，表示分子中原子的连接方式、相对大小和相对位置。分子结构模型主要包括球棍模型、填充模型等。掌握分子结构模型，有利于直观认识同分异构现象及化学性质之间的差异，在要求上属于认识模型层面。例如2017年给出新型五氮阴离子的结构模型，让学生基于结构理论，从原子的连接方式、原子的相对大小、分子内氢键等信息分析该模型代表的物质及结构信息。

⁽³⁾ 晶体结构模型^。晶体是固体内部微粒在空间上按照一定规律周期性重复排列构成的^。晶体结构模型可以帮助认识微粒是如何排列的^?具有什么样的规律性^?  这部分是实施“课程标准⁽实验^)”考试以来新增加的内容^，在课程标准考试的初期^(2007～2010年⁾没有对该模型方法和内容进行深入考查^。从²⁰¹¹年开始考查立方氮化硼的晶体结构^，要求学生从微观角度使用切割方法分析晶胞中含有的微粒数目并计算晶体的密度^。2011年以来考查的晶体结构涉及的物质包括ZnS、K₃FeF₆、SiO₃^2－、［Cu(NH₃)₄(H₂O)₂］²⁺、Cu₂O、Al、金刚 石、CaF₂、NaVO₃、Ge、GaAs、CuCl、KIO₃、(N₅) ₆( H₃O)₃( NH₄) ₄Cl、MgO、MnO、K₃C₆₀等等。随着对晶体结构的考查逐渐深入^，其得分率逐年稳步提升^，说明在教学中逐渐重视晶体结构模型^。大部分学生能从本质上理解晶体结构模型并能利用其分析陌生物质的晶体结构^，体现了高考对教学的引导和促进作用^。

^2．2．2   装置结构模型

装置结构模型属于实物模型^，是实际装置按比例缩小并保留关键功能结构的图形^。从化学学科知识内容上看^，装置结构模型主要包括电化学装置^、实验仪器装置以及生产设备装置等^。

⁽¹⁾电化学装置结构模型^。电化学装置主要包括四个类型^:广泛应用的化学电源^、研发中的新型原电池^、实验室中的电解装置以及工业生产中的电化学设备^。这些装置本身比较复杂^，但是在示意图的呈现上均包括电化学反应的几个关键信息^:电极及材料^、电解液^、反应的物质^、电子⁽离子⁾迁移的方向^、选择性隔膜等等^。如²⁰¹⁷年^I卷外加电流的阴极保护装置^、2017年^III卷全固态锂硫电池^、2017年^IV卷电化学制备^NH₃的装置等均给出这些信息^。该种模型的呈现^，要求学生利用电化学知识基于对电池结构推理发生的物理化学变化^。

⁽²⁾ 实验仪器结构模型^。这种模型其实就是实验仪器的真实呈现^，既有熟悉的也有陌生的^。其考查的基本要求是学生认识实验仪器装置的基本结构和功能^，合理选用实验仪器^，并能利用其组装成一套实验装备安全进行实验^。

⁽³⁾生产装置结构模型^。这种模型是实际生产过程装置的简化表示^，与实验仪器结构模型类似^。在装置结构模型中呈现一些关键的信息^，由 于^“课程标准⁽实验^)”设置了^“化学与技术^”模块^，在²⁰⁰⁷至²⁰¹⁶年的试卷中均设置了该模块^，其中的大部分试题提供了装置的简化结构模型^，让学生根据实验装置和反应原理分析实际工业生产过程^。

^2．3   过程模型

⁽¹⁾反应过程量化模型^。反应过程量化模型是指在反应变化过程中某两个物理量之间的关系变化图^。如在试题中提供反应过程中能量与反应进程的相对关系^，给出反应物^、中间体和生成物的势能相对位置^，根据这些能量差就能计算活化能和反应焓等物理量^。如例¹中要求学生分析^N₂^O和^NO反应的能量变化过程^，其实就是以图形的方式展示反应过程的能量变化^。

例¹由^N₂^O和^NO反应生成^N₂和^NO₂的能量变化如图所示^，若生成^{1mol N}₂^，其Δ^H= kJ·mol^－1。

图 ¹  例¹题图

再如例 ²中^，溶液中氢离子浓度与加入盐酸体积关系图^，就是物质浓度变化过程的图表模式^。由于物质的平衡浓度是与反应物平衡转化率⁽目标物质平衡产率⁾ 密切关联的^，因此对于中学阶段不适宜用同数学公式来表示量的对应关系^，可以将物理量的关系以反应物转化率⁽或目标物质产率⁾与温度^、压强^、配料比等物理量之间关系图的形式呈现^，例如²⁰¹⁴年乙烯的平衡转化率与压强的关系曲

例^{2   298K}时^，在^{20．0mL0．10mol·L－1}氨水中滴入^{0．10mol·L－1}的盐酸^，溶液的^pH与所加盐酸的体积关系如图所示^。已知^{0．10mol·L－1}氨水的电离度为^1．32%，下列有关叙述正确的是() 。

图²例²题图

A.该滴定过程应该选择酚酞作为指示剂

^B.M点对应的盐酸体积为^20．0mL

^C.M点处的溶液中^{c(NH+)=c(Cl－)=}c(H⁺)= c(OH^－)

^D.N点处的溶液中^pH＜12

⁽²⁾物质转化过程模型^。在工业生产中通常使用工艺流程图表示物质转化过程^，其方法来源于化工生产实际^，能够将复杂的化工生产过程以简明的^“工艺流程图^”呈现^。如图³表示一种废钒催化剂回收工艺路线^。一般而言^，规范的^“工艺流程图^”应该呈现出以下几方面信息^:①物料走向^，即什么步骤加入了哪些物质^;每种物质发生了什么反应^、转化为何种形式^。②工程的主要步骤^。实际化工生产非常复杂^、步骤很多^，流程图表示生产中的主要步骤^。③工艺操作^。传统化工的实际生产中往往要设置岗位^，需要工人在此岗位工作^;不加方框的往往表示一些物质^。④操作的主要条件^，如^pH、温度^、压强等等^。这种物质转化流程图呈现的无机工艺题已经成为高考化学试题重要的考查方式^，例如²⁰¹⁵年的钴酸锂的回收流程^、2016年的亚氯酸钠^、2017年磷酸亚铁锂的合成流程等均是此类试题^。

图³  废钒催化剂回收工艺路线

^2．4   数学模型

由于受认知水平^、教学内容等因素的限制^，中学化学对各种物理量的关系以具体的数学关系进行表示的内容并不多^。“课程标准⁽实验^)”规定反应达到平衡时各物质的量之间的关系即平衡常数为高中教学内容^，高考化学试题对平衡常数及相关物理量的关系进行了深入地考查^。为加强物理量之间的数学关系^，对反应速率与物质浓度之间的关系进行了考查^。如例³给出正逆反应速率的表达式^，让学生分析平衡常数与反应速率常数之间的关系^。

3.对模型认知素养的考查思考

模型认知素养是培养学生关键能力的一种重要的方法^，也是学生掌握化学基本理论和原理以及分析解决实际问题能力的重要手段^。在考查时^，根据模型的类型和功能^，测评学生对化学知识内容的掌握程度^。因此要针对所学知识内容^、教学或测评目标^，合理选择和使用模型^，从而促进学生的自主发展^。不同类型的模型的教学要求并不相同^，在考核评价的过程中^，要确定一定的考查原则^。对于概念模型应定位在认识阶段^，要让学生准确辨析掌握各种概念^，让学生利用概念解决解释疑问^。对于过程模型要在理解的基础上^，考查学生在物质转化过程中的对应的各种变化和转化^。对于结构模型^，以物质结构模型为突破让学生辨析物质结构和性质之间的关系^。模型素养并不是化学科学所独有的^，在其他科学中也是重要的素养目标^，因此有必要借鉴其他学科的评价思路^。例如数学科高考考试大纲中指出^“依据现实的生活背景^，提炼相关的数量关系^，将现实问题转化为数学问题^，构建数学建模^，并加以解决^”。在实际教学或评价中^，让学生在实践过程中借鉴数学或者物理学科的思路^，构建数学模型^，分析和归纳化学反应变化过程中各个量之间的关系^，定量认识各个物理量之间的关系^，从而在中学阶段对化学变化的认识实现从定性到定量的飞跃^，全面培养和检测学生的关键能力^。

参考文献^:

^［1］王德胜^．  化学方法论^［M］．  杭州^: 浙江教育出版社^{，2007: 128．}

^［2］中华人民共和国教育部制定^．普通高中化学课程