郭静 薛亮

摘要： 以中學化学课程标准中关于目标要求的说明为依据，界定了学生的化学模型水平层级；在此基础上对初高中化学课程标准中的科学模型进行详细的分类归纳，并利用文本分析法界定了新课标对学生学习该模型的要求层级；最后通过对初高中化学课程标准中的化学模型特点进行分析，为化学模型教学提供切实可行的建议。

关键词： 化学课程标准； 化学模型； 认知水平

文章编号： 10056629（2018）8000906 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 问题的提出

科学模型作为一种科学方法，在科学发展中发挥了巨大作用，美国《国家科学教育标准》[1]将科学模型列为科学主题的重点之一，提出“所有学生需要了解、理解和运用科学事实、概念、原理、理论和模型”。化学是在原子、分子水平上研究物质的性质和变化规律的实验科学，由于原子和分子的微观性，经常要用到多种模型来描述和解释化学现象、预测物质及其变化的可能结果，或者依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂问题的思维框架。化学模型作为科学模型在化学学科中的具体体现，越来越受到教育工作者的青睐和重视。《普通高中化学课程标准》（2017年版）提出高中化学课程要以发展学生的核心素养为主旨，“模型认知”作为化学学科核心素养的要素之一，有助于学生形成化学学科的思想和方法，并且在内容标准中多次明确提出对学生的模型要求。

化学课程标准对于教材的编写以及考纲的范围划定具有一定指向性，因此课程标准对于科学模型提出明确要求能够引起教材和考纲编写者对于科学模型教育的重视，进而促使教师精准把握模型教学的深度和广度。而国内关于化学模型的研究以化学建模居多，目前还没有从课程标准要求入手研究学生的化学模型学习水平。本研究利用文本分析方法将课程标准中的化学模型进行整理，并界定课程标准对于学生的化学模型学习水平的要求，以期为中学化学模型教育提供可供参考的建议。

2 研究方法

本研究从化学模型类型和认知水平的视角对课程标准中的化学模型要求进行分析。首先对化学模型进行概念界定和分类；其次界定课程标准中的化学模型认知水平，并对其中的化学模型要求进行筛选与分析，进而得出结论。

2.1 化学模型的概念和分类

美国《国家科学教育标准》[2]中对模型的定义表述为：“模型是与真实物体、单一事件或一类事物相对应的而且具有解释力的试探性体系或结构”。化学模型是人们在认识化学问题与解决化学问题的过程中，通过抽象、概括与归纳等科学方法，利用研究对象的关键因素与本质特征建构的各种模型，是科学模型在化学领域的具体体现，常见的化学模型如晶体的空间结构模型、电子云模型等[3]。

根据化学模型的表现方式将化学模型分为三类： 物质模型、符号模型和思想模型[4]。物质模型通过对原型在尺寸上进行放大或缩小，在结构上进行简化和抽象以实现对原型的模拟；符号模型是将化学学科独特的化学符号按照规定的组合方式组合在一起，用于表示物质的组成、结构、性质和变化规律的一种模型；思想模型是针对事物的主要矛盾和主要特性在人脑中建立起一个观念性的、抽象的理想客体，进而对客观事物进行近似、形象的模拟。

2.2 化学课程标准对学生模型认知水平的界定

综合考虑化学课程标准中认知性学习目标要求和布鲁姆的教育目标体系中认知领域的教育目标分类法，将化学课程标准对于化学模型的学习要求分为知道、了解、理解和应用四个不同程度的水平。同一水平的模型学习目标又可以用多个行为动词进行描述，比如在第一层级“知道”水平中包含了“知道、记住、说出”等八个行为动词，学生能够列举、描述某个模型都属于“知道”水平。具体的模型认知水平分类如表1所示。

2.3 化学课程标准中模型要求的筛选与分析

利用文本分析法筛选课程标准中的模型要求。文本分析法是根据研究的需要将文字、图形、符号等相关的文本进行综合的比较、分析和分类，从而达到研究目的的定性分析方法，具有客观性、系统性的特点，其步骤一般为文本阅读、文本分析与评价、文本整理。

初中模型文本分析的对象为课程标准中的“内容标准”，其规定了学生学习本课程所要达到的最基本的学习要求；高中模型文本分析的对象为课程标准中的“学业要求”，《普通高中化学课程标准》（2017年版）的课程结构分为必修、选修Ⅰ和选修Ⅱ，必修和选修属于不同水平，学业要求是对学生学习该内容后所要达到的基本学习水平要求。首先采用文本分析法梳理初中内容标准和高中学业要求中的化学模型，并将其归类；其次根据课程标准对模型要求中使用的行为动词界定化学模型的学习水平要求。

例1 有机物的立体模型： 有机物的立体模型包括球棍模型和比例模型，是为了说明有机物的空间结构，用小球代替原子、短棍代替共价键，通过简化原型、扩大尺寸进行模拟制成可视化的实物来代替原型，因此属于物质模型类别。高中必修阶段对该模型的要求为“能搭建甲烷和乙烷的立体模型”，要求学生具备一定的模型设计、优选和检验能力，因此属于“应用”水平。

例2 化学式： 化学式由特定的化学元素符号按照特定的方式组合在一起来表示特定的化学物质，以揭示物质的组成和性质的一种符号，属于符号模型。初中化学课程标准“主题三”对其描述为“能用化学式表示某些常见物质的组成”，“能表示”属于“了解”水平。

例3 电子云模型： 薛定谔在德布罗意关系式的基础上，对电子的运动做了适当的数学处理，提出了著名的薛定谔方程式。为了教学和研究方便，将这个方程式的解的模的平方用三维坐标以图形表示，就是电子云模型。事实上，这是思想中的抽象物对原型的反映，属于思想模型。高中化学课程标准选修Ⅰ对其要求为“知道电子的运动状态可通过原子轨道和电子云模型来描述”，行为动词“知道”属于“知道”水平。

2.4 结果统计的思路与方法

分别统计初中、高中必修和高中选修阶段化学课程标准中的各类化学模型占模型总量的比例，以此分析三个阶段的模型类型分布特点；统计模型认知水平和模型总量的比值，以此探究课程标准对三个阶段的模型认知水平要求的变化规律。

3 结果统计

3.1 初中化学课程标准中的化学模型要求

初中化学课程标准的“内容标准”中模型共有8个，其中物质模型2个，符号模型3个，思想模型3个；模型类型以思想模型（37%）和符号模型为主（37%）；初中化学课程标准对化学模型的认知水平要求相对较低，“知道”水平（50%）占据主体地位，无“应用”水平（0%）（见表2）。

3.2 高中化学课程标准必修阶段的化学模型要求

高中化学课程标准必修阶段的化学模型共12个，物质模型3个，符号模型6个，思想模型3个；模型类型以符号模型为主（50%），其比例较初中稍有增长；必修阶段“了解”水平（50%）占据主体地位，物质模型出现“应用”水平（见表3）。

3.3 高中化学课程标准选修阶段的化学模型要求

高中化学课程标准选修阶段的化学模型共有16个，其中物质模型4个，符号模型3个，思想模型9个；模型类型以思想模型占绝对优势（56%），远远超过初中和必修阶段；选修阶段對模型认知水平要求整体比较高，“了解”水平（44%）占据主体地位，“理解”（25%）和“应用”（12%）水平较必修阶段稍有增长（见表4）。

4 结果分析

4.1 模型数量增加

根据统计结果看出，从初中到高中必修、选修阶段，化学模型的总量不断增加，这种现象由两方面的因素决定。第一，课程容量的大小。初三化学课程只有两本教材，内容较少、知识相对简单，所涉及的模型数量自然也少。第二，课程内容的难易程度。高中化学课程相较于初中难度加大，尤其选修阶段理论知识所占比例较大，教师需要借助大量的模型帮助学生理解，因此相较于初中和高中必修阶段模型数量急剧增加。

4.2 不同类型模型比例变化

初中模型类型以符号模型（37%）和思想模型（37%）为主；相较于初中，高中必修阶段符号模型（50%）所占比例最大；而选修阶段思想模型（43%）所占比例大幅增加，物质模型（22%）呈减小趋势。不同阶段的化学模型类型结构发生较大变化。初中生思维处于发展阶段，由形象思维向抽象思维过渡，对于抽象的思想模型认知程度低，因此初中课程标准中的思想模型所占比例低于高中；高中必修阶段对于化学表达方式如电离方程式、离子方程式和电子式等考察较多，因此符号模型所占比例大幅增加；高中选修阶段理论知识较多且较为抽象，尤其以化学反应原理和结构化学模块为甚，由此构建出各种思想模型以解释抽象的理论知识，因此选修阶段的思想模型占据绝对优势。课程标准对于模型类型结构的安排较好地契合了学生认知发展特点。

4.3 模型要求加深

从初中到高中必修、选修阶段，课程标准对于学生的模型认知水平要求不断加深，体现在两个方面。

首先，对模型的整体认知水平要求加深。初中课程标准对于学生的模型认知水平要求较低，“知道”水平所占比例最大，无“应用”水平，这主要取决于初中学生思维的局限性，这样的安排符合初中学生认知发展顺序以及初中化学的基础性；高中必修阶段对模型认知水平要求整体比初中高，“了解”水平占据主体地位，“理解”水平所占比例增加，并且物质模型出现“应用”层级；高中选修阶段相较于其他两个阶段“理解”和“应用”水平所占比例大幅增加，选修课程针对的是理科生，他们的基础相对较好且思维逐渐以抽象思维为主，因此模型认知水平要求相较于初中和必修阶段加深。

其次，对同一模型在不同的模块提出不同的认知要求，呈现“螺旋式”上升结构。以有机化学为例，必修阶段的“简单的有机化合物及其应用”主题中，对于有机物的立体模型提出的要求为“知道”水平，同时在选修Ⅰ中要求“能描述甲烷、乙烯、乙炔的分子结构特征，能搭建甲烷和乙烷的立体模型”，属于“知道”和“应用”水平。由必修阶段的“知道”过渡到选修阶段的“知道”和“应用”水平，模型认知水平呈现出的“螺旋式”上升结构，符合事物的发展规律和学生的认知发展顺序，有利于促进学生对于模型方法的掌握与应用。

4.4 模型学科特征明显

物质模型是以实物代替原型进行研究，相较于其他两种模型更加形象直观、便于理解，在物理、生物学科中占据比例最大[5]。但从统计结果来看，化学课程标准中符号模型所占比例远大于物质模型，与生物、物理学科明显不同，充分体现了化学学科的特殊性。化学符号模型作为一种科学语言系统具有单义性、无歧义性和明确性的特点，符合科学思维的严谨性和确定性要求，因此有力地促进了化学科学的发展[6]。化学符号模型在化学学习中的特殊作用，造就了其独特的地位，学生在学习化学的过程中，无时无刻不使用元素符号、化学式、原子结构式来表示物质的组成、结构，用化学方程式表示物质的性质、变化规律。因此无论是初中还是高中必修阶段，符号模型都占有主要地位，显示出化学不同于其他学科的独特性，充分体现出化学学科的特点。

5 启示

5.1 加深理解科学模型

化学课程标准对于学生模型学习水平的要求需要在教师的引导下实现，模型教学对教师的专业素养要求极高，要想让学生掌握科学模型方法，教师应当深化模型知识，加深对于科学模型本质、特点、类别和作用的理解，精确把握中学化学课程标准对于学生模型认知水平的要求，有助于教师明确教学中选取模型的标准，从而在教学中建构简单模型帮助学生理解。

5.2 注意把握阶段要求

不同阶段的课程标准对于学生模型认知水平要求差异较大，教师在进行模型教学时要注意把握不同阶段的不同要求。在初中生的模型教学中要求学生能够描述并举例说明物质模型，能用符号模型表示化学物质及其变化，利用思想模型进行简单计算即可；而高中生的化学模型教学不仅要达到上述要求，还要训练学生利用已有知识设计、建构简单的科学模型并加以检验和评价以达到解决化学问题的目的。

另外，高中不同阶段的化学模型对于学生的要求不同，因此教师在高中化学模型教学时注意把握模型深度，必修阶段的模型教学重在让学生建立模型概念，选修阶段则应引导学生在必修阶段的基础上建构新的模型，逐步加深学生的模型认知水平。比如在必修阶段原电池的学习应着重帮助学生在头脑中形成原电池的概念和原电池形成的条件，动手建构简单的原电池模型；选修阶段在重温原电池的基础上，引导学生认识更多的化学电源并逐步引入电解池，并且能够根据二者的特点区分原电池和电解池。

5.3 适当使用模型方法

初中生知识基础相对于高中生薄弱，对于模型的认知程度低，因此初中教师在进行模型教学时，应多使用形象直观的物质模型。比如，在进行碳的同素异形体的教学时，可以向学生展示金刚石、石墨、足球烯的物质模型，让学生观察三种同素异形体的不同空间立体结构；在化学反应教学中，借助动画模拟向学生展示化学变化中原子的重新排列组合方式等。

高中生具备一定的知识基础，动手能力增强，教师在模型教学过程中应有意向学生渗透模型方法的含义、类型和作用，使学生能够认识到模型方法在化学学习中的重要作用，同时向学生介绍建构模型的步骤，在遇到问题时启发学生运用模型方法建构简单的化学模型来解决问题，还可以将化学教学中的模型进行分类归纳总结，方便学生系统地掌握科学模型方法，并在需要的时候及时调动起来。

参考文献：

[1][2][美]国家研究理事会，戢守志等译.美国国家科学教育标准[M].北京： 科学技术文献出版社，1999： 76.

[3]吴庆生.利用化学模型提升学生解决问题的能力[J].化学教学，2014，（12）： 42～45.

[4][6]刘豫东.中学化学教学中模型方法的研究[D].济南： 山东师范大学硕士学位论文，2004： 8～10.

[5]张跃.中学科学模型教育的理论与实践研究[D].北京： 首都师范大学硕士学位论文，2014.