化学认识模型理论梳理及进阶探究

摘    要：化学认识模型是指导学生学习化学知识、研究化学问题的一种系统化思维方式，具有系统性、监控与评价性及纲目性等特征。基于不同的建构方式，化学认识模型可分为迭代升级的三类，即范式模型、经验模型和核心模型。而不断迭代优化认识模型的建构以落实深度学习，是扭转知识诠释性教学现状的有效途径。因此，教师要引导学生基于学科本质、知识结构和真实情境开展活动，由此建构并优化升级化学认识模型，不断提升学生的高阶思维，使其达成进阶式的深度学习。

关键词：认识模型；核心模型；深度学习；化学教学

深度学习指在理解学习的基础上，学习者能够批判性地学习新的思维和知识，将其融入原有的认知结构，呈现知识的多维属性，并将已学知识迁移到陌生情境中且能正确作出决策的学习方式［1］。肖中荣指出深度学习的典型特征是基于结构和本质的任何教学活动［2］。其运作机制是基于学科知识的基本结构和知识图景，学生通过深度加工学科知识、理解学科概念理论的本质属性，完成知识的习得和形成。

一、化学认识模型

（一）化学认识模型的内涵

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》指出“模型认知”即“能认识化学现象与模型之间的联系，能运用多种认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化，预测物质及其变化的可能结果；能依据物质及其变化的信息建构模型，建立解决复杂化学问题的思维框架”。而“认识模型”的概念鲜有介绍，它与“模型认知”究竟有何关联？陈进前认为“模型认知”包含“化学模型（科学模型层面）”和“化学认识模型（认知心理学层面）”，并指出“认识化学现象与模型之间的联系”“运用理论模型解释或推测物质的结构、性质及变化”应从化学模型视角来理解，而“建立认知模型”“运用认知模型来描述和解释物质的结构、性质和变化”侧重从认知心理学层面的认识模型视角来解释［3］。

（二）化学认识模型的特征

结合中学化学教学理念，陈进前认为化学认识模型的教学功能包含三个特征：系统性、监控与评价性及纲目性［4］。

由认识、知识、问题、任务等多个系统构成的化学认识模型认知体系，是一个有序化、进阶化、系统化的认识过程。例如，与传统科学模型下的化学模型（如原子模型、晶体结构模型等）不同，王磊教授提出的经典元素化合物认识模型将化学问题转化为“性质与转化”两类问题，从类别、化合价、元素周期律等认识角度分析元素化合物的化学知识，并且设置了探究创新、实践应用和学习理解等不同层级的任务类型，以建构系统性的化学认识模型［5］。

化学认识模型的监控性体现在课堂中的教和学上，它包括自主选择合适的任务类型、自我调整研究顺序和研究目标、自我研究成果和发展水平等。学生在利用“氯元素‘价—类’，二维图”［6］合理预测电解氯化钠溶液制取ClO2时，可以根据王维臻的电化学认识模型，从装置和原理两个维度确立思维方向，梳理电化学所包含的概念性知识和深层次知识。教师则应在学生运用化学认识模型解决问题的过程中，对学生的认识维度、推理思维、任务层级进行过程性监控与评价。

化学认识模型是外显的“纲”、内隐的“目”，既能起到“举纲张目”的作用，也能起到“收目成纲”的作用。如曾繁继以认识模型预测有机物性质：一方面，从结构维度认识物质的特征和性质，即从氢键、极性、官能团、饱和度等特征结构认识物质的性质；另一方面，从原理维度认识性质转化遵循一定的化学原理知识，即外界因素对反应速率的不同影响程度、基团效应对物质性质的影响［7］。

鉴于以上特征，我们可以认为，化学认识模型建构与运用是高阶思维的过程，属于深度学习。学生以主体方式通过不同活动形式，从知识结构和本质角度建构化学认识模型，可真实有效地解决化学问题。

（三）化学认识模型的分类

认识模型的建构和运用可用图1表示，其内涵可从建构、运用两方面来理解。

化学认识模型的建构过程就是输入过程，输入信息包含知识、问题和任务。这一输入过程需要学生的深度加工，教师要帮助学生完成认识模型的建构。除了建构模型外，学生还要运用其解决陌生情境问题。而复杂多变的情境有时会导致认识模型不能顺利解决问题，这就需要对其优化升级。

基于不同的建构方式，认识模型可分为三类：范式模型、经验模型和核心模型。范式模型为一般认识模型，属于固有的、相对显而易见的认识模型，学生通过观察、阅读等方式就可以总结归纳。经验模型是经过一次优化后的认识模型，它有一定的思维深度且运用情境较为复杂，具有更加清晰、明确的问题解决指向性。核心模型是需要再次优化升级的认识模型，对应更为复杂和特殊的情境，其切点一般较小，多围绕某一核心化学知识展开，要求多方位创设真实情境问题，讲究以点串线、以线带面，注重学生高阶思维的培养。三种认识模型的特征详见表1，其辩证关系详见图2，其中X、Y、Z三种变量在不同的模型中表达略有不同。

在教学中，化学认识模型是一种具有传递功能的认识成果，是在师生、生生之间的交流过程中可以相互传递的符号化智慧；而在解决化学问题的过程中，化学认识模型则是学生可以操控的接近理想化的方法以及交流思维成果的工具。学生在建构化学认识模型的过程中，其思维意识必须是高阶的，不论是情境设问的思考、经验规律的交流，还是小组活动的开展，学习都应深度化。因此，笔者将肖中荣归纳的基于结构和本质的深度学习模型进行了优化升级，详见图3。学生基于学科本质、知识结构和真实情境开展活动，由此建构化学认识模型，这是深度学习的一种常见形态，围绕化学认识模型进行优化升级并呈现情境化的认识模型形态，能促使学生的高阶思维不断迭代升级，提升学生的逻辑思维和分析能力，使其达成进阶式的深度学习。

二、化学认识模型进阶探究

不断迭代优化认识模型的建构以落实深度学习，是扭转知识诠释性教学现状的有效途径，尤其是在注重学科思维和知识建构的高三复习课堂。化学认识模型的建构过程应始终以学生为主体创设活动，让学生通过类比、分析、合作、讨论等方式完成模型建构。其在突破学科知识重难点方面有独特的优势，既让课堂学习呈现深度化，又让学生对旧知识进行重构化，使课堂活跃、合作、高阶、有效。以下，笔者介绍化学认识模型进阶的策略。

（一）“点”式突破：聚焦学科知识核心，辨析重难点

化学反应原理模块知识，是化学学科的核心知识，也是教学重难点，因为难突破，所以需要重塑型。众多一线教师针对该模块尝试了各类模型的建构，有绘制模型、“理答”模型、速率模型等。学生运用这些模型能够解决较为常见的原理类题目，但遇到结合真实情境的综合类图像题型时，依旧束手无策。究其原因，主要是缺乏知识的关联性，如旧知与新知、经验与理论的关联。因此，教师需要唤醒学生的学习经验并整合碎片知识，促使学生经历推理和建模的过程，呈现聚焦“核心”的状态，完成重难点的辨析式突破。如“催化剂作用下的化工生产类化学反应”图像辨析教学可采用如图4所示的设计。

图4中的问题设置基于真实情境，学生在解决问题的过程中自主建构了绘图的几个要素：（1）起点、拐点、终点；（2）变化趋势；（3）横、纵坐标具体含义。学生围绕情境设问，通过归纳总结、证据推理完成经验模型的建构，如速率—时间图、浓度—时间图、温度—压强—转化率图等。凭借经验模型，学生能知晓图像绘制需要的思维过程及绘制时切入的维度，但遇到陌生问题与几种经验模型不太相符的深度设问时，则会捉襟见肘。因此，教师需要引导学生从更深层次的维度，分析反应过程中变量与应变量之间的变化关系、实际生产中几种影响因素的制约关系，从理解性层次出发，以点为核心，深度思考问题与相关知识点的联系。学生经优化升级后建构的化学反应速率图像核心模型详见图5。学生能够从动力学角度分析化工生产过程中转化率、选择性、产率等宏观变量与催化剂和温度的关系，在厘清这层关系之后再解读图像坐标的含义，进而结合变量绘制图像。经历模型的优化升级、实现思维的高阶化后，对于复杂、陌生的情境，学生就能做到“心中有型、落笔成型”。

（二）多维度重构：升级学生高阶思维、突破重难点

建构化学认识模型，能较好地突破常见的重难点知识，但对核心知识的重难点突破有时仍会显得无力。比如化学计算思维，能力要求（逻辑推理、数学计算、守恒规律等）综合性强，侧重塑造学生的高阶思维。区别于单纯的数学运算，化学计算是从定量的角度探索物质的性质及其变化规律，重在培养学生的逻辑分析能力。计算类知识在高考中所占比例不低，是区分学生成绩的关键题型。那么，如何在课堂中基于认识模型培养学生的高阶思维，实现重难点的突破呢？下面，笔者以“铁铜计算模型”为例说明。

例1  某红色固体粉末可能是Fe2O3、Cu2O或二者的混合物，为探究其组成，称取mg该固体粉末样品，用足量的稀H2SO4充分反应后，称得固体质量为ag。已知：Cu2O+2H+=Cu+Cu2++H2O。

（1）若a=______________（用含m的最简式表示），则红色固体粉末为纯净物；（2）若a=1/9m，则红色固体粉末中Fe2O3的物质的量为_____mol（用含m的最简式表示）。

［学生建构二元混合物计算题的一般解题模型——二元一次方程组］

师：二元混合物除了方程组这一解题模型外，你还能归纳出其他的解题模型吗？可否将反应整合写出？

生：Fe2O3+Cu2O+8H+=2Fe2++2Cu2++4H2O

师：结合这个化学方程式及反应前后质量变化的数据，能否求出Fe2O3的质量？请仔细观察总方程式的反应物与反应后剩余物的关系。

生：剩余固体为铜，参加反应的是Cu2O，需要进行一次质量转换，即9a/4克。

【变式】将Fe2O3与Cu的混合物共ag加入20.0 mL 4.00mol·L-1的过量稀硫酸中充分反应。请计算：充分反应后无固体剩余，再加入铜粉继续溶解，最多还能溶解cg铜粉，则混合物中Fe2O3与Cu的物质的量之比为__________（用a与c来表示）。

师：我们可以扩展整体法模型，对于求解多种物质比例关系的问题，可以运用该核心模型进行迁移。例如：在A物质中加入B、C等组合物质，当A与B、C等物质反应存在共同的改变量，如质量的变化、生成沉淀的物质的量、生成气体的量等，我们就可以寻找整体反应式中的变量关系，即可快速获得比例关系。

梳理“铁铜”复杂反应体系，建立计算类整体法核心模型（详见图6），能有效地引导学生在陌生情境中快速建立解题的一般思维。学生按照核心模型的引导，深度思考已有的化学知识，梳理新情境反应体系中蕴含的整体关系，再运用守恒的高阶思维加工获取共同变量及差量关系，最后代入数据获得答案。

（三）自适应运用：培养学生质疑创新能力、寻找重难点

在高三年级的二轮复习中，学科知识已经完整梳理，学生也具备了系统的化学知识，因此教师要基于测验或大数据评价获取学生的思维误区，然后不断抽丝剥茧，寻找新知识、新问题催生的重难点，做到“重中求难、难中求型”。那么，如何突破情境化重难点呢？教师可围绕某一核心知识创设同类知识在不同情境下的应用问题。如此，学生解决问题的过程就是在不断地进行认识模型的建构和优化升级。

例2  根据不同物质的溶解度表，设计方案以1molNaNO3和1mol KCl为原料制备KNO3晶体。

学生初步建立了溶解度变化决定物质制备的结晶方式：蒸发结晶与冷却结晶。

【变式1】根据溶解度图（图略），以Na2Cr2O7为原料制备K2Cr2O7。从下列选项中选出合理的操作（操作不能重复使用）并排序：溶解KCl→（   ）→（   ）→（   ）→（   ）→重结晶。

a.50℃蒸发溶剂       b.100℃蒸发溶剂

c.抽滤     d.冷却至室温

e.蒸发至溶液出现晶膜，停止加热

f.蒸发至溶液中出现大量晶体，停止加热